Реферат: Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы
Реферат: 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
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.
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.
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:
1. Коэффициент
передачи в момент окончания выборки
2. Максимальные
значения входного и выходного напряжений.
3. Входное
и выходное сопротивления по аналоговому
сигналу.
4. Относительные
ошибки выборки и хранения .
5. Форма
и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
6. 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:
1. Верхняя
граничная частота .
2. Неравномерность
АЧХ в полосе пропускания.
3. Скорость
спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
4. Коэффициент
передачи по напряжению в полосе
пропускания.
5. Входное
и выходное 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 . 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.
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 с интервалом .
Рисунок 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,.
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:
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:
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 R5¸R8 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
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.
|