Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

| Категория реферата: Рефераты по радиоэлектронике
| Теги реферата: рефераты, ценные бумаги реферат
| Добавил(а) на сайт: Izol'da.

АПЗ.38.098424.003 ПЗ

Розробники

Керівник проекту

______(Скородєлов

В.В.)

“_____”_________2001 р.

Виконавець

_______(Борщ С.)

“_____”_________2001 р.

Харків 2001
|Реферат. |
| |
|Данный документ представляет собой пояснительную записку объемом 24 листа. В |
|пояснительной записке представлено 2 таблицы, 11 рисунков, использовано 8 |
|источников литературы и сеть Internet. |
|В данном курсовом проекте разработан многоканальный быстродействующий |
|аналого-цифровой преобразователь, построенный по принципу поразрядного |
|сравнения суммы опорных напряжений с входным сигналом, с использованием |
|резисторного моста Уина как источника "взвешенного" опорного напряжения. |
|Разработка построена на быстродействующих компараторах и быстродействующих |
|аналоговых ключах для “взвешенного” сигнала с управлением от однокристального|
|микроконтроллера. |
|В связи с развитием технологии изготовления интегральных микросхем данный |
|проект предполагает изготовление АЦП в интегральном исполнении. |
|Альбом документов курсового проекта кроме пояснительной записки содержит |
|также чертежи структурной и принципиальной схем устройства. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |
| | | | | | |
| | | | | | |
|Изм|Лит|№ докум |Подпи|Дат|Аналого цифровой |Лит |Лист |Листов|
| | | |сь |а |преобразователь | | | |
| | | | | | | | | |
| | | | | |Пояснительная записка | | | |
|Разраб |Борщ С. | | | |К| | |2 |24 |
|Провер |Скородел| | | |НТУ “ХПИ” |
| |ов В. | | | | |
| | | | | |Кафедра ВТП |
| | | | | | |
|Утв. |Домнин | | | | |
| |Ф. А. | | | | |
|Содержание |
| |
|Введение |
|1. Разработка структурной схемы устройства и обоснования принятых решений |
|Выбор и обоснование структурной схемы |
|Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства |
|Краткое описание работы схемы |
|Техническое обоснование выбора компонентов схемы |
|Описания принципа действия отдельных блоков |
|Коммутатор и усилитель входных сигналов |
|Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения |
|Источник опорного напряжения |
|Блок делителей опорного напряжения |
|Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами для "взвешенного сигнала"|
| |
|Схема управления на микроконтроллере |
|Алгоритм управления АЦП |
|Схема электрическая принципиальная |
|Расчет временных характеристик |
|Список использованной литературы |
|Заключение |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |3 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
|Введение |
|Кроме чисто «цифрового» сопряжения (ключи, лампы и т. п.), часто требуется |
|преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала и|
|наоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессор|
|регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса,|
|или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения |
|традиционно аналоговой работы. Аналого-цифровое преобразование следует |
|использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и |
|шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную |
|цифровую форму (например, «цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая |
|модуляция). Это требуется в самых разнообразных измерительных средствах |
|(включая обычные настольные приборы типа цифровых универсальных измерительных|
|прибором и более экзотические приборы, такие, как усреднители переходных |
|процессов, «ловушки для выбросов» и осциллографы с цифровой памятью), а также|
|в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы|
|колебаний и устройства шифрования данных. |
|И, наконец, техника преобразования является существенной составляющей |
|способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, |
|например, показаний измерительных приборов или двух координатных изображений,|
|создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре |
|существует масса возможностей для применения аналого-цифрового и |
|цифро-аналогового преобразования. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |4 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
|РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ |
| |
|Выбор и обоснование структурной схемы |
| |
|В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, |
|приоритетными являются разработки предусматривающие интегральное исполнение. |
| |
|Исходя из этого, предлагается схема аналого- цифрового преобразователя, |
|обладающая в интегральном исполнениии (т.е. выполненная в одном кристалле) |
|более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так|
|как изготовления прецизионных конденсаторов интегральном исполнении является |
|сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных|
|цепей конденсаторы исключены. |
|По той же причине технологической сложности изготовления источника опорного |
|напряжения предлагается схема с использованием моста Уина (Вина). |
|Само ядро АЦП - схема на компараторах с суммированием опорного напряжения, |
|выбрана из-за отсутствия сложных схем тактирования и переключения, а |
|изготовление полупроводниковых резисторов и аналоговых ключей с заданными |
|параметрами технологически легко решаема. Использование микроконтроллера |
|оправданно возможностью программно компенсировать постоянную и |
|систематическую погрешности, что в конечном счете повышает точность |
|преобразования. |
|В данной разработке не рассматриваются: |
|а) принцип действия микроконтроллера; |
|б) программирование и способы обмена данными с внешними устройствами; |
|г) тестирование, методы настройки и проверки, |
|поскольку вышеперечисленное выходит за рамки темы. |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |5 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
|1.2 Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства |
| |
| |
|Структурная схема АЦП (Рис 2) состоит из следующих блоков: |
|1. Аналоговый коммутатор; |
|2. Входной усилитель; |
|3. Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения; |
|4. Источник опорного напряжения; |
|5. Блок делителей опорного напряжения с аналоговыми ключами для "взвешенного |
|сигнала"; |
|6. Блок компараторов; |
|7. Схема управления на микроконтроллере. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |6 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |7 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|1.3 Краткое описание работы схемы. |
| |
|Входные аналоговые сигналы подаются на входы аналогового мультиплексора AnS, |
|управляемого микроконтроллером МС. С выхода мультиплексора, через |
|широкополосный усилитель сигнал подаётся на вход блока компараторов CPM, |
|также усиленный сигнал подаётся на вход схемы автоматического переключения |
|полярности опорного напряжения AuS. |
|Со схемы источника опорного напряжения Uc опорное напряжение подаётся на блок|
|резисторных делителей с аналоговыми ключами RLin и далее на другой вход блока|
|компараторов. С выхода блока компараторов цифровой код, эквивалентный |
|входному измеряемому сигналу, по команде микроконтроллера MC записывается в |
|регистр RG, из которого считывается микроконтроллером для обработки и |
|передачи внешним устройствам. |
| |
|1.4 Техническое обоснование выбора компонентов схемы. |
| |
|В этом разделе рассматривается выбор компонентов для исполнения АЦП на |
|дискретных элементах. |
|Фирмы занимающиеся производством полупроводниковых компонентов предоставляют |
|широкий выбор быстродействующих полупроводниковых элементов: аналоговые |
|ключи, широкополосные операционные усилители, компараторы и т.д. К сожалению,|
|отечественная промышленность не производит компоненты с необходимыми |
|параметрами, поэтому в разработке использована продукция зарубежных |
|производителей. Так в качестве входного мультиплексора можно предложить |
|микросхему 74AC4051 позволяющую коммутировать сигналы с частотой до 100МГц. |
|Для аналоговых ключей в блоке делителей можно, к примеру, использовать |
|микросхемы IH5341 или более быстродействующие, так фирмой "Philips" |
|производятся аналоговые ключи с временем задержки до 2 наносекунд. |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |8 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
|Имеется также широкий выбор широкополосных операционных усилителей |
|(см.таблицу 1). |
| |
|[pic] |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |9 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
|Для схемы входного усилителя и высокоскоростных компараторов (см. таблицу 2).|
| |
| |
|[pic] |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |10 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|2. Описание принципа действия отдельных блоков. |
| |
|2.1. Коммутатор и усилитель входных сигналов. |
|Схема состоит из быстродействующего аналогового коммутатора, разрядность |
|которого определяет заказчик(увеличение числа разрядов увеличивает время |
|цикла АЦП, что снижает общее быстродействие схемы) и широкополосного |
|операционного усилителя(здсь приходится идти на компромисс мехду шумовыми |
|характеристиками, смещением нуля, точностью ОУ и максимальной широтой |
|пропускаания). За исключением того, что в данной схеме необходимо |
|использовать компоненты разработанные ведущими производителями |
|полупроводниковых элементов("Motorola", "Philips", "Advantech" и др.), |
|использованны стандартные схемы включения мультиплексора и усилителя. |
|Управление мультиплексором производится от микроконтроллера. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |11 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|2.2. Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения. |
|Схема состоит из "hight-speed"-компараторов и двух буферов, один из которых -|
|инвертирующий. Схема сравнивает полярность входного сигнала относительно |
|"измерительной земли", и при различной полярности воздействует на аналоговые |
|ключи К1 и К2 (Рис. ), изменяя полярность опорного напряжения относительно |
|"измерительной земли" на ту же, что имеет входной сигнал. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
|2.3. Источник опорного напряжения |
| |
|Источник опорного напряжения использует свойство моста Уитстона - |
|стабильность тока разбаланса моста, при неизменных значениях сопротивлений |
|плеч моста, т.е. Ip=0 при R1*R3=R2*R4(см. Рис. 5 ). |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |12 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|В качестве стабилизатора тока питания моста применина схема "токового |
|зеркала", где для задания коллекторного тока опорного транзистора |
|используется схема источника тока на полевом транзисторе(см. Рис. 6 ). |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
|Дополнительные резисторы совместно с аналоговыми ключами в верхних по схеме |
|плечах моста служат для переключения направления тока разбаланса моста, и |
|следовательно полярности опорного напряжения. |
|При температурном градиенте плеч моста, стремящемся к нулю,что решается |
|компактным расположением резисторов моста или интегральным исполнением, ток |
|разбаланса моста обусловливается только сопротивлением нагрузки моста, |
|которе в данной схеме постоянно. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |13 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|2.4. Блок делителей опорного напряжения. |
| |
|Блок делителей опорного напряжения представляет собой линейку резисторов с |
|отношением сопротивленя следующего резистора к предыдущему как 2/1, т.е. |
|сопротивление резистора R1(см. Рис. 7) равно сумме всех следующих резисторов |
|- R1=R2+R3+R4+R5+R6; сопротивление резистора R2=R3+R4+R5+R6 и т.д. |
|Соответственно напряжение в точке "a" будет равно половине опорного |
|напряжения, в точке "b" - четверти и т.д. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
|2.5. Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами для "взвешенного |
|сигнала". |
| |
|Блок компараторов с аналоговыми ключами является ядром АЦП, именно он |
|производит преобразование аналогового сигнала в цифровой код.(Рис 8) |
|Преобразогвание аналогового сигнала в цифровой происходит непрерывно, т.е. |
|любое изменение входного сигнала, за исключением временных задержек схемы, |
|тотчас преобразуется в цифровой код. |
|Схема работает следующим образом. |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |14 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |

| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |15 |
|Из|Лит|№ докум |Подпи|Дат| | |
|м | | |сь |а | | |
| |
| |
|Входной сигнал подаётся одновременно на входы всех компараторов. |
|Компаратор C1 сравнивает входной сигнал с половиной опорного напряжения, если|
|входной сигнал превышает половину опорного напряжения то на выходе |
|компаратора появляется высокий уровень, который вызывает включение аналоговых|
|ключей Kx.1, и следовательно подачу Uоп/2 на входы остальных компараторов, |
|также этот высокий уровень поступает на вход D1 регистра "RG". Компаратор C2 |
|сравнивает входной сигнал с одной четвёртой опорного напряжения, если входной|
|сигнал не превышает половины опорного напряжения, если превышает то |
|сравнивает с суммой 1/4 и 1/2 опорного напряжения. В любом из случаев если |
|входной сигнал превышает опорный(сумму опорных) компаратор C2 включает Uоп/4 |
|на входы последующих компараторов подаёт "1" на вход D2 регистра "RG", в |
|противном случае Uоп/4 не подаётся к последующим компараторам и на входе D2 |
|регистра "RG" "0". Аналогичным образом работают последующие каскады. |
|Вследствии того, что цифровой код на выходе преобразователя непрерывно |
|изменяется, отслеживая входной сигнал, то необходимая частота дискретизации |
|задаётся программно, с учётом временных задержек элементов схемы. |
|2.6. Схема управления на микроконтроллере. |
| |
|Схема управления на микроконтроллере состоит из регистра "RG" 74AC373 или |
|любого функционально аналогичного и однокристального микроконтроллера "MC" |
|типа SX28AC200 производства фирмы "SCENIX" с тактовой частотой 200МГц(см. |
|Рис. 9). |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |17 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
|Микроконтроллер после запуска по завершении программы теста и начальных |
|установок (см. алгоритм на рис. 10 ) выбирает мультиплексор AnS вход CE-, |
|выставляет на входах A0-A2 адрес канала I0 и сигналом OE- разрешает передачу |
|входного сигнала I0 на выход OUT мультиплексора, по истечении выдержки |
|времени неоходимой для установления кода на входах регистра "RG" |
|микроконтроллер даёт команду записи в регистр, из которого считывает данные |
|во внутренее ОЗУ, после чего следуют програмно-заданное кличество циклов |
|выдержки времени, записи в регистр и переноса в ОЗУ. Далее сигналом OE- |
|запрещается передача со входа I0 на выход мультиплексора, устанавливается на |
|входах A0-A2 адрес следующего канала и производится цикл преобразования и |
|считывания. По окончании цикла поледнего считывания канала микроконтроллер |
|производит завершение операций по обработке полученых значений и сохраняет |
|данные в буфере. Далее запрещается передача входного аналогового сигнала на |
|выход мультиплексора и если считан не последний канал, то инкрементируется |
|адрес канала мультиплексора и продолжается цикл чтения и преобразования. По |
|завершении цикла обработки последнего канала проверяется был ли запрос на |
|обмен от внешнего устройства, если да то производится обмен и очищается |
|буфер, иначе буфер проверяется на переполнение и при необходимости очищается,|
|после чего весь цикл повторяется. |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.010 П3 |Лист|
| | | | | | |19 |
|Из|Лит|№ докум |Подпи|Дат| | |
|м | | |сь |а | | |
|3. Алгоритм управления АЦП. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |20 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|5. Расчет временных характеристик. |
| |
|Быстродействие схемы определяется временными задержками элементов схемы, и |
|расчитывается как сумма всех послеловательно включенных элементов в наименее |
|быстродействующей ветви схемы, умноженной на коэффициент 1.15, т.е. если |
|обработка сигнала производится параллельно несколькими участками схемы то за |
|основу для расчётов берётся участок имеющий наибольшее время задержки. |
|В данном случае обработка сигнала идёт по одной ветви и следовательно |
|задержка равна: |
|tALL=1.15*(tMX+tA1+6*tCMP+5*tSW+tCM1+tB+tK_SPP), |
|где |
|tMX - время задержки входного мультиплексора nS; |
|tA1 - время задержки входного усилителя nS; |
|tCMP - время задержки одного компаратора преобразователя nS; |
|5tSW - время задержки одного аналогового ключа преобразователя nS; |
|tCM1 - время задержки компаратора переключателя полярности nS; |
|tB - время задержки буферных элементов переключателя полярности nS; |
|tK_SPP - время задержки одного аналогового ключа переключателя полярности nS.|
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |22 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ |
| |
|П.Хоровиц, У. Хилл Искуство схемотехники 1 том. Москва «Мир» 1993. |
|П.Хоровиц, У. Хилл Искуство схемотехники 2 том. Москва «Мир» 1993. |
|П.Хоровиц, У. Хилл Искуство схемотехники 3 том. Москва «Мир» 1993. |
|Богданович М.И., Грель И.Н. “Цифровые интегральные микросхемы”. Минск |
|“Беларусь”, 1991. |
|Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. |
|Энергоатом издат 1988 |
|У. Титце, К. Шенк Полупроводниковая схемотехника. Москва «Мир» 1982. |
|ГОСТ 2.102-68. Виды и комплектность конструкторской докуметации. М.: 1988. |
|ГОСТ 2.105-79. Общие требования к текстовым документам. М.: 1988. |
|www.referatov.net |
|www.referat.ru |
|www.bankreferatov.ru |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |23 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |
| |
|Заключение |
| |
| |
|В данном курсовом проекте разработано устройство ''Аналого цифровой |
|преобразователь с управлением от однокристалльного микроконтроллера, с |
|ориентацией на интегральное исполнение''. |
|Разработан основной алгоритм работы устройства, а также чертеж схемы |
|электрической принципиальной. |
|Разработка не является полностью завершённой, т.к. отсутствуют полный расчёт |
|элементов схемы, программа обработки сигнала для микроконтроллера, узлы и |
|прогаммы тестирования и юстировки. |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| | | | | |АПЗ.38.098424.003 ПЗ |Лист|
| | | | | | |24 |
|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |
| | | |сь |а | | |

-----------------------

[pic]

??????????????????????????????????????????