Реферат: Кодоимпульсный аналого-цифровой преобразователь
Название: Кодоимпульсный аналого-цифровой преобразователь Раздел: Рефераты по коммуникации и связи Тип: реферат | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Министерство образования и науки Российской Федерации ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» «Кодоимпульсный аналого-цифровой преобразователь» Принял: Преподаватель ______________________ подпись, дата Выполнил: студент гр. _______________________ подпись, дата Омск – Пояснительная записка 18 с., 8 рис., 6 табл., 12 источников СЧЕТЧИК, ЦАП, КОМПАРАТОР, РЕГИСТР, ЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОСХЕМА, операционный усилитель. Цель работы – разработка кодоимпульсного аналого-цифрового преобразователя с возможностью считывания результатов в ЭВМ, работающего в автоматическом режиме и имеющей большое входное сопротивление. 1 Расчет на структурном уровне.. 7 1.1 Распределение погрешностей. 8 2 Расчет электрической схемы... 10 2.2 Выбор элементов схемы.. 10 3 Анализ метрологических характеристик.. 15 4 Электрическое моделирование.. 17 ВведениеАналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, осуществляющее преобразование непрерывно изменяющегося аналогового сигнала в цифровой код. В кодоимпульсном АЦП дискретизация происходит по величине напряжения. Метод преобразования характеризуется наличием нескольких мер, равных числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной [6]. В основе проектирования АЦП было положено кодоимпульсное преобразование, реализующее следящее уравновешивание. В качестве базовой была взята схема из [6], реализующая выбранный метод преобразования. Эта схема, несколько преобразованная, изображена на рисунке 1. Рисунок 1 – Преобразованная схема АЦП Порядок следования сигнала следующий: на входы операционного усилителя подается входное напряжение и, компенсирующее его, напряжение с ЦАП (при этом усилитель в зависимости от разности напряжений может работать и в своем основном режиме и в режиме насыщения, алгоритм работы такой, что разностный сигнал удерживается в пределах разрешающей способности АЦП). Далее с помощью двух компараторов и схемы 2ИЛИ происходит определение режима изменения кода в зависимости от полярности сигнала. После этого сигнал подается на счетчик, который выполняет тактирование (по входу С) , при этом счетчик работает только тогда, когда с блока управления есть разрешающий сигнал (по входу R). Далее используя ЦАП, сигнал преобразуется в напряжение и выводится для сравнения с заданным входным. Процесс повторяется снова. Таким образом, по истечению времени преобразования, в счетчике мы получим требуемое значение. 1.1 Распределение погрешностейИсходя из требований ТЗ погрешность АЦП не должна превышать 1%. За максимальную методологическую погрешность (прежде всего погрешность дискретности) взята δм =0.25% Отсюда на приборную погрешность приходится: δп =1% - δм =0.75% По основной цепи преобразования распределение погрешности представлено в Таблице 1 Таблица 1
1.2 СчетчикВ качестве счетчика берется двоичный реверсивный счетчик. Его разрядность определяется исходя из величины методологической погрешности (δм ) Вначале определяется ступень квантования: Δ=0.0025*10=0.025 Соответственно емкость счетчика высчитывается следующим образом:
Отсюда разрядность счетчика N=9 (наименьшая целая степень двойки при которой получается число покрывающая емкость счетчика). 1.3 Опорный генераторЧастота опорного генератора высчитывается по формуле из [6]:
1.4 КомпараторыВ связи с заданием ступени квантования важно определить для компаратора опорное напряжение и максимальную ширину зоны неопределенности, это можно сделать по формуле 3 из [6].
(4) 1.5 ЦАПЦАП в схеме должен быть девяти разрядным. Согласно [3] такой ЦАП в униполярном режиме не поддерживается стандартом. Поэтому в данной схеме берется десятиразрядный ЦАП, после которого строится усилительная схема для соответствия входных активных разрядов и выходных напряжений, а также умножения напряжения. Так, если при 10 разрядах напряжение было Umax =1В, то
В тоже время максимальное выходное напряжение должно соотносится к коду на входе системы, так чтобы при максимуме мы получили 10 В (для минимального это соотношение выполняется Umin =0). Для этого необходимо подобрать коэффициент усиления: 0.9К=107 К=10/0.9=11,11 Корректирующее устройство представляет собой инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 11,11 и максимальным выходным напряжением не менее 10 В. 2 Расчет электрической схемы2.1 Выбор схемыВ качестве элементарной базы было выбрано КМДП так как:· Она способна обеспечить заданное быстродействие · Эта серия является полной и способной синтезировать АЦП, заданного вида · По энергопотреблению серия является рекомендуемой, т.к. считается, что при частоте меньшей 3МГц потребление мощности на схемах КМОП меньше чем у ТТL (в данной схеме f = 0.4 МГц). 2.2 Выбор элементов схемы2.2.1 РегистрДля соединения АЦП с ЭВМ, чтобы исключить взаимное влияние необходимо поставить регистр, который изображен на рисунке 2.Рисунок 2- Регистр 530ИР22Регистр КР531ИР22 предназначен для хранения восьмиразрядного слова, записываемого и считываемого в виде параллельного кода. Запись кода производится асинхронно при действии напряжения логической 1 на входе L. При записи на выходах Q формируется записываемый код. Для перевода регистра в режим хранения необходимо на вход L подать напряжение логического 0. При записи кода и его хранении на входе OE должно действовать напряжение логического 0.Перевод регистра в третье состояние выходов Z (состояние высокого импеданса) осуществляется подачей напряжения логической1 на инверсный вход OE.2.2.2 ЦАПВ качестве ЦАП выбрана микросхема КР752ПА1[5]. Это 10-разрядный ЦАП (рисунок 3), выполненный по КМОП технологии с коэффициентом нелинейности δ=0,1% Рисунок 3 ЦАП КР752ПА1 В Таблице 2 приведены основные параметры ЦАП [11]: Таблица 2 - Основные параметры ЦАП
2.2.3 Усилител ьВ качестве элементной базы для всех усилителей схемы (если это специально не оговорено) выбрана микросхема К140УД7. Она имеет параметры [11],которые отображены в таблице 3: Таблица 3
2.2.4 Сравнивающий усилительВ соответствии с ТЗ должно обеспечиваться подключение к АЦП нагрузки не менее 1МОм. На рисунке 4 представлена схема подключения через повторитель напряжения, называемый также буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным). Рисунок 4 – Повторитель напряжения Входное сопротивление для повторителя напряжения может быть равным многим сотням мегом на низких частотах, а выходное сопротивление меньше 1Ом, поэтому используется не взятая за базисную микросхема К140УД7, а импортный усилитель NE5534, который предназначен для работы на нагрузку до 600 0м. Далее в каскаде с повторителем напряжения используется дифференциальный усилитель, для которого справедливо следующее соотношение[10]:
2.2.6 КомпараторыЭлементная база компаратора представляет собой микросхему КМ594СА3[11], совместимой с КМОП цифровыми микросхемами. Основные характеристики компаратора приведены в Таблице 4: Таблица 4 – Основные характеристики компаратора
2.2.7 СчетчикДевятиразрядный двоичный реверсивный счетчик построен на трех четырехразрядных серии К564ИЕ11[5]. Условное графическое обозначение микросхемы К564ИЕ11 изображено на рисунке 5. Рисунок 5 – Счетчик D1, D2, D3, D4–вход установки 1‑го, 2‑го, 3‑го и 4‑го разрядов соответственно; V–вход разрешения установки; P0–вход переноса; ±1–вход определяющий режим сложение/вычитание; Q1, Q2, Q3, Q4–выходы соответствующих разрядов; p-выход переноса. Для синтеза девятиразрядного счетчика необходимо знать таблицу истинности данного устройства. Таблица истинности данного счетчика соответствует таблице 5 Таблица 5
Связь счетчиков осуществляется через соединение выхода переноса младшего к входу старшего. Режимы Сложение/Вычитание осуществляются в младшем счетчике. Когда компаратор зафиксирует выход за пределы разрешающей способности (что соответствует тому, что нужно увеличить модуль напряжения) на сумматор в соответствующий вход поступает высокий уровень и он работает на сложение. 3 Анализ метрологических характеристикРазработанное устройство полностью соответствует техническим требованиям, изложенным в техническом задании. В устройстве использованы быстродействующие микросхемы (операционный усилитель К140УД7, компаратор КМ597СА3, ЦАП КР572ПА1, регистр 530ИР22). Устройство обеспечивает работу в необходимом динамическом диапазоне. Диапазон входного напряжения, исходя из способа построения (это подразумевалось при подборе ступени квантования, разрядности счетчика, ЦАП и, в целом, конструируемого АЦП) рассчитан на напряжение до минус 10 В. Входное сопротивление более 1 Мом, благодаря использованию повторителя. Время преобразования выбрано равное 1 с. обеспечено благодаря выбору тактовой частоты генератора, что соответствует требованиям ТЗ. В связи с использованием обратной связи устройство работает в автоматическом режиме. Аддитивная погрешность складывается из суммы аддитивных погрешностей четырех усилителей (вне зависимости от схемы их включения), и аддитивной погрешности ЦАП. Используемые при расчете аддитивной погрешности характеристики приведены в таблице 6. Характеристики прочих звеньев главного круга преобразования не включены, т.к. подразумевается, что цифровые элементы данным видом погрешностью не обладают, а точность компаратора, с которой он может входной и опорный сигнал достаточна велика. Таблица6 – Характеристики
Будем искать погрешности, в том числе аддитивную, для входной величины, равной ступени квантования (в данном случае она максимальна) по формуле 9 из[7]:
где С — суммарная аддитивная погрешность устройства; δ1, δ2—аддитивные погрешности усилителей и ЦАП соответственно Мультипликативная погрешность (возникает при изменении коэффициентов преобразования), будет складываться за счет некоторых факторов, таких как точный подбор резисторов в схемах включения усилителей (они обладают своей точностью). Если погрешность, возникающая при этом порядка d=0,05%, то по формуле из [7] получим предел относительной основной погрешности:
Полученная погрешность носит лишь оценочный характер. Введу сложности устройства, более точно погрешность может быть оценена путем моделирования. 4 Электрическое моделированиеМоделирование схемы проводилось в пакете программ схемотехнического моделирования Micro-Cap 7.0. В качестве устройства для моделирования было предложено смоделировать работу генератора. В программе MicroCap была создана схема, показанная на рисунке 6.
Данная схема представляет собой простейший кварцевый генератор на микросхемах КМОП Х1 и Х2. На данной схеме вместо кварца был использован импульсный генератор V1. На рисунке 7 изображен выходной сигнал модели и выходной сигнал Рисунок 7 – Выходной сигнал модели На рисунке 8 изображен выходной сигнал в промежутке времени между преобразованиями. Рисунок 8 – Выходной сигнал в промежутке времени между преобразованиями Список литературы
|