Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

Сумской Государственный Университет

Кафедра Автоматики и Промышленной Электроники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по курсу: «Электронные системы» по теме: «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы»

ФЗ 51.6.090803.573ПЗ

Руководитель проекта Макаров М. А.

Проектировал студент Река Д. П. группы ПЭЗ-51

Оценка работы

Члены комиссии:

Сумы 1999

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы 4

Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта 4

Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта 5

Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта 7

Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта 8

Выбор и расчет принципиальных схем 9

Заключение 11

Список использованных источников 12

ВВЕДЕНИЕ

Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.

В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют работой АЦП.

АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его нормальное функционирование.

Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы

Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта

АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ).

Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда:

[pic], где [pic]- максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, [pic]- шкала АЦП.

Максимальная величина ЭДС [pic]датчика намного меньше шкалы АЦП, поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее чем:

[pic], где [pic]- коэффициент запаса по усилению.

Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

[pic]

Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра
[pic], где [pic]- верхняя частота спектра сигнала датчика.

В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому тип фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.

Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC- фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.

В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения [pic].

Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен быть включен мультиплексор.

В итоге анализа всего вышесказанного структурная схема может быть представлена так, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема аналогового тракта

СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 – устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта

Расчет технических требований будем производить в обратном порядке прохождения аналогового сигнала.

В качестве УВХ используем те принцип действия, которых основан на заряде емкости через ключ в течение интервала [pic], выборки и хранения накопленного значения в течение времени [pic] после отключения ключа. В качестве ключа используют как биполярные, так и полевые транзисторы.
Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшими характеристиками, поэтому их применение предпочтительней.

Основными техническими характеристиками УВХ являются:
1. Коэффициент передачи в момент окончания выборки [pic]
2. Максимальные значения входного [pic]и выходного [pic] напряжений.
3. Входное [pic] и выходное [pic]сопротивления по аналоговому сигналу.
4. Относительные ошибки выборки [pic]и хранения [pic].
5. Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
6. Напряжение источников питания УВХ.

В первую очередь зададимся [pic] и найдем максимальное значение напряжения входного аналогового сигнала:

[pic]

Зная, что современные методы построения УВД дают возможность реализации относительных ошибок [pic] и [pic]до [pic]и ниже, можно установить требования к допустимой погрешности:

[pic]

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:

[pic];

[pic].

Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление
(менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:

[pic];

[pic].

Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения

[pic] и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к. управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем

[pic];

[pic].
При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:
1. Верхняя граничная частота [pic].
2. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
3. Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
4. Коэффициент передачи [pic]по напряжению в полосе пропускания.
5. Входное [pic] и выходное [pic] сопротивления.
6. Напряжение источников питания.

При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.

Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.

Фильтры Баттерворта, выполненные на ОУ, имеют [pic]. В нашем случае зададимся [pic]. Исходя из этого, можно определить требования к максимальной величине входного напряжения:

[pic]

Входное сопротивление выберем [pic], а выходное определим по формуле:

[pic]

Напряжение источников питания выберем таким же, как и для устройства выборки и хранения.

Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом усиления разностного сигнала не менее чем

[pic]

Этот коэффициент изменяется в пределах [pic], т.е.

[pic]

Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем

[pic]

Входное сопротивление [pic]выберем из соотношения:

[pic]

Выходное сопротивление согласующего усилителя

[pic]

Напряжения источников питания выберем таким же, как и для остальных блоков аналогового тракта.

Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта

Рисунок 2. Структурная схема управляющего тракта.

Для генерации импульсов выборки используем генератор сигналов прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают на управляющий вход УВХ.

В соответствии с заданием на проект за время хранения АЦП должен обработать сигналы с выходов 4 датчиков. Для управления мультиплексором, выполняющим переключение между датчиками используем счетчик (СТ). Два первых выхода счетчика подключены к адресным входам мультиплексора. Для генерации импульсов на запуск АЦП используем генератор запускающийся по заднему фронту импульса выборки (Г2). Этот генератор за время хранения должен выработать 4 импульса длительностью [pic] с интервалом [pic].

Рисунок 3. Временные диаграммы.

В соответствии с заданием на проект пуск АЦП должен происходить спустя время [pic] после окончания импульса выборки. Для осуществления задержки используем генератор генерирующий импульс длительностью [pic], по заднему фронту импульса от Г2,.

Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта

Для реализации узлов управляющего тракта наиболее удобно использовать микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы на основе этой технологии имеют достаточное быстродействие, низкое энергопотребление и наиболее удобный (в данной ситуации) набор логических функций.

Согласно заданию на проект амплитуда импульсов пуска АЦП составляет
8(12 В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ не превышает 5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению импульса пуска АЦП.

Для реализации генераторов импульсов выборки и пуска АЦП используем генераторы импульсов прямоугольной формы на основе мультивибраторов. Для реализации генератора задержки используем схему задержки на мультивибраторах.

Для питания узлов управляющего тракта потребуется напряжение:

[pic]

Выбор и расчет принципиальных схем

Согласующий усилитель

Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему представленную на рисунке 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема согласующего усилителя

Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:

[pic]

Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель К153УД2:

[pic]

Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице. В этом случае резисторы R5(R8 получаются одного номинала, что облегчает их подбор.

Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.

Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:

[pic]

По паспортным данным[pic], отсюда примем[pic].

Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления резисторов R1 и R2. Примем его равным [pic]. Тогда номиналы резисторов R3 и R4 определим по формуле:

[pic]

Зная требуемый минимальный коэффициент усиления согласующего усилителя [pic], рассчитаем максимальное суммарное сопротивление резисторов R1 и R2:

[pic]

Исходя из максимального коэффициента усиления [pic], определим минимальное значение суммарного сопротивления резисторов R1 и R2.

[pic]

Номинал резистора R1 определим из стандартного ряда, по ближайшему меньшему значению [pic].

[pic]

Номинал резистора R2 определим по формуле:

[pic]

Подберем ближайший номинал из стандартного ряда [pic].

Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по формуле:

[pic]

Оценим напряжение ошибки на выходе каскада, обусловленной дрейфом напряжений смещений нуля и разностных входных токов.

Сравним напряжение ошибки с [pic]

Фильтр низких частот

Рисунок 5. Фильтр низких частот

Устройство выборки-хранения

Рисунок 6. Устройство выборки и хранения

Заключение

Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают создавать микросхемы с более высокой степенью интеграции, предназначенные для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки и хранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов разрабатывают операционные узлы в виде БИС, способные обрабатывать аналоговую информацию без преобразования ее в цифровую форму.

Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные роботы.

В области преобразования данных основной движущей силой является стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону технологии КМДП, разработка преобразователей специального назначения и использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции погрешностей.

Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств, которые необходимы в микро-ЭВМ.

Список использованных источников

1. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи» по теме «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы» /Сост. А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.
2. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.
3. Микропроцессоры: В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В.

Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш.

Шк., 1986.
4. Цифровые и аналоговые интегральные схемы: Справ. Пособие / С.В.

Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.; Под ред. С.В.

Якубовского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985.
5. Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) - М. Патриот, 1993.