Скачать

Технология АЦП

В данном курсовом проекте разработан аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

поразрядного кодирования, преобразующий входное напряжение (0-5 в) в 12 –

разрядный цифровой код.

Пояснительная записка содержит 2 раздела:

В первом разделе производится анализ метода преобразования и разрабатывается

структура устройства;

Второй раздел включает разработку устройства (функциональная и принципиальная

схемы). Объем пояснительной записки составляет листов, в том числе 3 из них

приложения.

АНАЛИЗ МЕТОДА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ВЫБОР СТРУКТУРЫ АЦП.

Анализ метода преобразования.

Метод поразрядного кодирования, при котором входная величина (Uвх)

последовательно сравнивается с суммой эталонов, имеющих значение квантов, где i

= n-1,n-2,….2,1,0 (n=12 – число разрядов выходного кода). Таким образом два

соседних эталона отличаются в два раза по значению. Уравновешивание входной

величины начинается с эталона имеющего максимальное значение. В зависимости от

результата сравнения получается цифра в старшем разряде выходного кода,

снимаемого с АЦП. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде кода

ставится 0 и дальше происходит уравновешивание входной величины следующим

эталоном в два раза меньшего значения. Если же первый эталон меньше (или равен)

входной величине, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и дальше

производится уравновешивание разности входной величины и первого эталона.

Аналогичные действия производятся для всех используемых эталонов. Следовательно,

после окончания преобразования входная величина будет уравновешена суммой тех

эталонов, у которых в соответствующих им разрядах кода стоят 1. Сравнение

входной величины и суммы эталонов производится с помощью одного сравнивающего

устройства (8).

Из описанного выше алгоритма классического метода поразрядного кодирования

видно, что при реализации этого метода преобразования необходим набор из 12

эталонных величин от минимальной Uэ1 = q равной кванту до максимальной Un = 2 ,

минимальную можно рассчитать по формуле:

(1.1)

где Uэ1 – величина напряжения младшего значащего разряда; Uвмах максимальное

входное напряжение АЦП; n – число разрядов в выходном коде.

Исходя из заданных значений по формуле 1.1 рассчитаем Uэ1:

Таким образом величина младшего значащего разряда приблизительно равна 1mv, что

с заданной точностью соответствует рассчитанному значению.

Таким образом, величина старшего разряда будет вычисляться по формуле:

Т.е. величина старшего разряда будет равна 0,001220*2048=2.4985 в.

Преобразователи напряжения в код выполненные в виде замкнутых систем со

сравнением аналоговых величин имеют цепь обратной связи, в которую включен

цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразующий параллельный код в

постоянное напряжение, которое сравнивается с входным напряжением АЦП.

Выбор структуры АЦП.

Проанализировав алгоритм преобразования можно выбрать следующую структуру

устройства рис.1.2.

Данная структура содержит:

устройство управления (УУ), предназначенное для формирования выходного кода АЦП;

ЦАП, необходимого для преобразования кодов в напряжение;

Схему сравнения (СС), необходимую для сравнения входного напряжения АЦП и

напряжения с выхода ЦАП.

Данный АЦП работает в двух режимах:

Режим сравнения входного напряжения АЦП с эталонным.

Режим хранения результата преобразования.

В первом режиме работы на схему приходит сигнал запуска и начинается процесс

сравнения входного напряжения АЦП и суммы эталонных напряжений формируемых при

помощи УУ на выходе ЦАП.

Во втором режиме внутри УУ формируется сигнал“конец преобразования”, после чего

АЦП хранит результат преобразования в виде цифрового кода на выходе АЦП.

РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АЦП.

2.1 Разработка функционально схемы АЦП.

Функциональная схема АЦП (Приложение 2) реализующая метод поразрядного

кодирования и построенная по структуре рис.1.2, состоит из генератора тактовых

импульсов (ГТИ), регистра последовательного преобразования (РПП), компаратора,

ЦАП и ОУ.

Функцию каждого блока можно описать следующим образом:

УУ АЦП реализовано на (РПП), который обеспечивает выдачу эталонных кодов и

сохранение результатов сравнения их со входной величиной.

12 разрядный ЦАП, предназначенный для формирования эталонных напряжений с ОУ на

выходе т.к. ЦАПы такого типа имеют токовый выход.

Компаратор – сравнивающее устройство, которое обеспечивает сравнение входного

напряжения АЦП и напряжения с выхода ЦАП. В случае если входное напряжение

больше напряжения с выхода ЦАП на выходе компаратора появится 1.

Работу АЦП можно разбить на два этапа:

В первом этапе на РПП приходит сигнал запуска со схемы инициализации (СИ) и

тактовая частота с ГТИ, после чего в старшем разряде выходного кода РПП

устанавливается 1, код с РПП подается на ЦАП, который преобразует его в

напряжение равное 2,5 в, это напряжение поступает на сравнивающее устройство

(СУ) и сравнивается с входным напряжением ЦАП. В случае если входное напряжение

больше напряжения с выхода ЦАП на выходе компаратора появится 1, которая

поступает на информационный вход D РПП, в следствии чего произойдет сохранение

1в старшем разряде кода. В обратном случае в старший разряд РПП запишется 0.

Дальше происходит уравновешивание входной величины следующим эталоном в два раза

меньшего значения. Аналогичные действия производятся для всех используемых

эталонов.

На втором этапе на выходе Qcc (conversion complete) получаем информацию о

завершении преобразования, когда на этом выходе появляется низкий логический

уровень. С этого момента на выходе РПП будет хранится результат преобразования в

виде цифрового кода.

2.2. Разработка принципиальной схемы АЦП.

Все цифровые элементы принципиальной схемы (Приложение 3) выполнены на ТТЛ

логике 155 серии микросхем, так как она имеет наибольшее быстродействие и

сравнительно малое энергопотребление. Перечень элементов представлен в

спецификации (Приложение 1).

Работа устройства начинается с подачи сигнала запуска на вход S регистра РПП (DD

2), когда на него поступает низкий уровень регистр в первый момент тактового

импульса сбрасывается. Для инициализации схемы применена RC цепь с двумя

триггерами Шмидта на выходе, параметры цепи рассчитываются по следующей

формуле(9):

где t - один такт работы АЦП и равен сумме времен установки всех элементов

схемы, т.е. tзRG+tзЦАП+tзкомп=28нс+3,5мкс+200нс=3,728мкс;

R1 = 5,1 Ком.

Отсюда С1= t/0,7*R1 = 3,728мкс/07*5,1Ком=1.004мкФ.

Для работы схемы необходим тактовый генератор, он реализован на логических

элементах DD1.1, DD1.2, DD1.3, резисторах R2, R3, R4, емкости C2 и кварцевом

резонаторе BQ.

После инициализации и подачи сигналов с тактового генератора регистр РПП

реализованный на микросхеме К155ИР17 (DD 2) начинает выдавать параллельный код

на входы ЦАП (DD 3), выбор которого осуществлялся из следующих условий:

необходимо преобразовывать12 разрядный код;

выходное напряжение ЦАП изменяется от 0 до 5 вольт.

Из выше перечисленных требований выбран 12 разрядный ЦАП К1108ПА1Б(3,6). Для

обеспечения выдачи эталонного напряжения к выходу ЦАП подключен ОУ К140УД7 (3)

(DA 1)т.к. ЦАП имеет токовый выход. Для того чтобы выходное напряжение

изменялось в заданном диапазоне 0 – 5 в на ЦАП подано опорное напряжение.

Опорное напряжение ЦАП можно рассчитать по следующей формуле (7):

,

где - максимальное напряжение с выхода ЦАП; - число двоичных разрядов входного

кода.

Максимальное напряжение с выхода ЦАП не должно превышать 5 В, а разрядность

выходного кода равна 12.

.

Также для обеспечения работы в заданном режиме к ОУ подключены резисторы R5,R6 и

конденсатор С3. Электрические параметры ЦАП (6) приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Электрические параметры ЦАП

Напряжение смещение нуля на выходе(0.3…0.6) мВ

Время установления выходного напряжения3,5 мкс

Входное напряжение низкого уровня0…0.8 В

Входное напряжение высокого уровня2.4 В

Сопротивление нагрузки2 кОм

Выходное напряжение(0…10) В

Напряжение опорного питания(0…15) В

Также в схеме необходимо сравнивающее устройство, для выполнения этой функции

выбран прецезионный компаратор К554СА3 (3) т.к. необходимо обеспечить сравнения

величины младшего значащего разряда (1мв).

После окончания преобразования на выходе “не С0” регистра РПП (DD 2) появляется

низкий логический уровень, что говорит о том что на выходе АЦП сохраняется код

поданного на АЦП напряжения определенного с заданной точностью.

2.3. Параметры АЦП.

К параметрам АЦП относится энергопотребление и частотные характеристики.

Энергопотребление АЦП складывается из потребляемых мощностей ИМС (3,6):

=3.5 Вт.

Частотные характеристики будут определяться элементом время задержки, которого

максимально DA2 (К1108ПА1Б). Максимальная частота при которой устройство

работоспособно: f = 1/3,5 мкс=285 714 Гц 285 кГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении курсового проекта было разработано АЦП поразрядного кодирования.

Устройство может работать в синхронном режиме с максимальной тактовой частотой

285 КГц, от источников питания +15-15в,+5в. Устройство имеет относительно

небольшое энергопотребление и осуществляет процесс преобразования за 4,471 мкс.