Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы
Работа из раздела: «
Радиоэлектроника»
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]
[pic]
[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.
