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:
,
где
-
максимальное значение сигнала на
аналоговом входе АЦП,
-
шкала АЦП.
Максимальная
величина ЭДС
датчика
намного меньше шкалы АЦП, поэтому
аналоговый тракт должен обладать
коэффициентом усиления не менее чем:
,
где
-
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):
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
,
где
-
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
.
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.
Р
исунок
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
,
выборки и хранения накопленного значения
в течение времени
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:
Коэффициент
передачи в момент окончания выборки
Максимальные
значения входного
и
выходного
напряжений.
Входное
и выходное
сопротивления
по аналоговому сигналу.
Относительные
ошибки выборки
и
хранения
.
Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
Напряжение источников питания УВХ.
В
первую очередь зададимся
и найдем максимальное значение напряжения
входного аналогового сигнала:
Зная, что
современные методы построения УВД дают
возможность реализации относительных
ошибок
и
до
и
ниже, можно установить требования к
допустимой погрешности:
Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:
;
.
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:
;
.
Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения
и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к. управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем
;
.
При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.
Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:
Верхняя
граничная частота
.
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
Коэффициент
передачи
по
напряжению в полосе пропускания.
Входное
и выходное
сопротивления.
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
.
В нашем случае зададимся
.
Исходя из этого, можно определить
требования к максимальной величине
входного напряжения:
Входное
сопротивление выберем
,
а выходное определим по формуле:
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
Этот
коэффициент изменяется в пределах
,
т.е.
Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем
Входное
сопротивление
выберем
из соотношения:
Выходное сопротивление согласующего усилителя
Напряжения источников питания выберем таким же, как и для остальных блоков аналогового тракта.
Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта
Р
исунок
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
с интервалом
.
Р
исунок
3. Временные диаграммы.
В соответствии
с заданием на проект пуск АЦП должен
происходить спустя время
после окончания импульса выборки. Для
осуществления задержки используем
генератор генерирующий импульс
длительностью
,
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 812 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:
Выбор и расчет принципиальных схем
Согласующий усилитель
Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему представленную на рисунке 4.
Р
исунок
4. Принципиальная схема согласующего
усилителя
Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:
Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель К153УД2:
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 R5R8 получаются одного номинала, что облегчает их подбор.
Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.
Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:
По
паспортным данным
,
отсюда примем
.
Расчет каскадов
DA1 и DA2 начнем
с выбора суммарного сопротивления
резисторов R1 и R2.
Примем его равным
.
Тогда номиналы резисторов R3
и R4 определим по
формуле:
Зная требуемый
минимальный коэффициент усиления
согласующего усилителя
,
рассчитаем максимальное суммарное
сопротивление резисторов R1
и R2:
Исходя из
максимального коэффициента усиления
,
определим минимальное значение суммарного
сопротивления резисторов R1
и R2.
Номинал
резистора R1 определим из
стандартного ряда, по ближайшему меньшему
значению
.
Номинал резистора R2 определим по формуле:
Подберем
ближайший номинал из стандартного ряда
.
Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по формуле:
Оценим напряжение ошибки на выходе каскада, обусловленной дрейфом напряжений смещений нуля и разностных входных токов.
Сравним
напряжение ошибки с
Фильтр низких частот
Р
исунок
5. Фильтр низких частот
Устройство выборки-хранения
Р
исунок
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
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.
Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.
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.
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.
Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) - М. Патриот, 1993.