Кодоимпульсный аналого-цифровой преобразователь

Министерство образования и науки Российской Федерации

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

















Пояснительная  записка



к  курсовому проекту



по дисциплине «Электротехника и электроника»



«Кодоимпульсный аналого-цифровой преобразователь»





Принял: Преподаватель 

______________________

		подпись, дата

Выполнил: студент 

гр. 

	_______________________

		подпись, дата















Омск –


Реферат



Пояснительная записка 18 с., 8 рис., 6 табл., 12 источников

СЧЕТЧИК, ЦАП, КОМПАРАТОР, РЕГИСТР, ЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОСХЕМА, операционный усилитель.

Цель работы – разработка кодоимпульсного аналого-цифрового преобразователя с возможностью считывания результатов в ЭВМ, работающего в автоматическом режиме и  имеющей большое входное сопротивление.
Содержание

		

		Введение	6

		1 Расчет на структурном уровне	7

	1.1 Распределение погрешностей	8

	1.2 Счетчик	8

	1.3 Опорный генератор	8

	1.4 Компараторы	8

	1.5 ЦАП	9

		2 Расчет электрической схемы	10

	2.1 Выбор схемы	10

	2.2 Выбор элементов схемы	10

		3 Анализ метрологических характеристик	15

		4 Электрическое моделирование	17

		Список литературы	19

	

Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, осуществляющее преобразование непрерывно изменяющегося аналогового сигнала в цифровой код.

В кодоимпульсном АЦП дискретизация происходит по величине напряжения. Метод преобразования характеризуется наличием нескольких мер, равных числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной [6].
1 Расчет на структурном уровне



В основе проектирования АЦП было положено кодоимпульсное преобразование, реализующее следящее уравновешивание.

В качестве базовой была взята схема из [6], реализующая выбранный метод преобразования. Эта схема, несколько преобразованная, изображена на рисунке 1.



	

	

	

	

	

	

	

	

	Рисунок 1 – Преобразованная схема АЦП

Порядок следования сигнала следующий: на входы операционного усилителя подается входное напряжение и, компенсирующее его, напряжение с ЦАП (при этом усилитель в зависимости от разности напряжений может работать и в своем основном режиме и в режиме насыщения, алгоритм работы такой, что разностный сигнал удерживается в пределах разрешающей способности АЦП). Далее с помощью двух компараторов и схемы 2ИЛИ происходит определение режима изменения кода в зависимости от полярности сигнала. После этого сигнал подается на счетчик, который выполняет тактирование (по входу С), при этом счетчик работает только тогда, когда с блока управления есть разрешающий сигнал (по входу R). Далее используя ЦАП, сигнал преобразуется в напряжение и выводится для сравнения с заданным входным. Процесс повторяется снова.

Таким образом, по истечению времени преобразования, в счетчике мы получим требуемое значение.


1.1 Распределение погрешностей

Исходя из требований ТЗ погрешность АЦП не должна превышать 1%. За максимальную методологическую погрешность (прежде всего погрешность дискретности) взята 

δм =0.25%

Отсюда на приборную погрешность приходится:

δп=1% - δм=0.75%

По основной цепи преобразования распределение погрешности представлено в Таблице 1

Таблица 1

Элемент

Допустимая погрешность

Усилители

≤0.01%

Компараторы

≤0.01%

Схема И-НЕ

~0%

Схема ИЛИ

~0%

Счетчик

~0%

АЦП

0.1%



















1.2 Счетчик

В качестве счетчика берется двоичный реверсивный счетчик. Его разрядность определяется исходя из величины методологической погрешности (δм)

Вначале определяется ступень квантования:

Δ=0.0025*10=0.025

Соответственно емкость счетчика высчитывается следующим образом:

		(1)

Отсюда разрядность счетчика N=9 (наименьшая целая степень двойки при которой получается число покрывающая емкость счетчика).

1.3 Опорный генератор

Частота опорного генератора высчитывается по формуле из [6]:

	МГц	 (2)

1.4 Компараторы

В связи с заданием ступени квантования важно определить для компаратора опорное напряжение и максимальную ширину зоны неопределенности, это можно сделать по формуле 3 из [6].

				(3)

			(4)



1.5 ЦАП

ЦАП в схеме должен быть девяти разрядным. Согласно [3] такой ЦАП в униполярном режиме не поддерживается стандартом. Поэтому в данной схеме берется десятиразрядный ЦАП, после которого строится усилительная схема для соответствия входных активных разрядов и выходных напряжений, а также умножения напряжения.

Так, если при 10 разрядах напряжение было Umax=1В, то

		(5)

В тоже время максимальное выходное напряжение должно соотносится к коду на входе системы, так чтобы при максимуме мы получили 10 В (для минимального это соотношение выполняется Umin=0). Для этого необходимо подобрать коэффициент усиления:

0.9К=107

К=10/0.9=11,11

Корректирующее устройство представляет собой инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 11,11 и максимальным выходным напряжением не менее 10 В. 



2 Расчет электрической схемы

2.1 Выбор схемы

В качестве элементарной базы было выбрано КМДП так как:

Она способна обеспечить заданное быстродействие

Эта серия является полной и способной синтезировать АЦП, заданного вида

По энергопотреблению серия является рекомендуемой, т.к. считается, что при частоте меньшей 3МГц потребление мощности на схемах КМОП меньше чем у ТТL  (в данной схеме f = 0.4 МГц).



2.2 Выбор элементов схемы

2.2.1 Регистр

Для соединения АЦП с ЭВМ, чтобы исключить взаимное влияние необходимо поставить регистр, который изображен на рисунке 2.











Рисунок 2- Регистр 530ИР22

Регистр КР531ИР22 предназначен для хранения восьмиразрядного слова, записываемого и считываемого в виде параллельного кода. Запись кода производится асинхронно при действии напряжения логической 1 на входе L. При записи на выходах Q формируется записываемый код. Для перевода регистра в режим хранения необходимо на вход L подать напряжение логического 0. При записи кода и его хранении на входе OE должно действовать напряжение логического 0. 

Перевод регистра в третье состояние выходов Z (состояние высокого импеданса) осуществляется подачей напряжения логической1 на инверсный вход OE.

2.2.2 ЦАП

В качестве ЦАП выбрана микросхема КР752ПА1[5]. Это 10-разрядный ЦАП (рисунок 3), выполненный по КМОП технологии с коэффициентом нелинейности δ=0,1%


























Рисунок 3 ЦАП КР752ПА1

В Таблице 2 приведены основные параметры ЦАП [11]:

		Таблица 2 - Основные параметры ЦАП

Число разрядов

10

Время установления

5 мкс

Δ

0,1%

Максимальное выходное напряжение 

1 В

Uоп

10.24

Uип

5.4

2.2.3 Усилитель

В качестве элементной базы для всех усилителей схемы (если это специально не оговорено) выбрана микросхема К140УД7. Она имеет параметры [11],которые отображены в таблице 3:

	Таблица 3

Коэффициент усиления напряжения

50000

Дрейф напряжения смещения

6МкВ/˚C

Входное напряжение

12 В

Выходное напряжение

11,5 В

Напряжение источника питания

±15 В



2.2.4 Сравнивающий усилитель

В соответствии с ТЗ должно обеспечиваться подключение к АЦП нагрузки не менее 1МОм.

На рисунке 4 представлена схема подключения через повторитель напряжения, называемый также буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).



Рисунок 4 – Повторитель напряжения

Входное сопротивление для повторителя напряжения может быть равным многим сотням мегом на низких частотах, а выходное сопротивление меньше 1Ом, поэтому используется не взятая за базисную микросхема К140УД7, а импортный усилитель NE5534, который предназначен для работы на нагрузку до 600 0м.

Далее в каскаде с повторителем напряжения используется дифференциальный усилитель, для которого справедливо следующее соотношение[10]:

		(8)

2.2.6 Компараторы

	Элементная база компаратора представляет собой микросхему КМ594СА3[11], совместимой с КМОП цифровыми микросхемами.

		Основные характеристики компаратора приведены в Таблице 4:

		
Таблица 4 – Основные характеристики компаратора

	Напряжение источника питания Uп

	±15 В

	Время задержки tЗ

	200нс

	Коэффициент усиления Kу 

	150000

	Напряжение смещения нуля Uсм

	0,003 В

2.2.7 Счетчик

	Девятиразрядный двоичный реверсивный счетчик построен на трех четырехразрядных серии К564ИЕ11[5]. Условное графическое обозначение микросхемы К564ИЕ11 изображено на рисунке 5.

	

	

	

	

	

	

	

	

Рисунок 5 – Счетчик

	D1, D2, D3, D4–вход установки 1го, 2го, 3го и 4го разрядов соответственно; V–вход разрешения установки; P0–вход переноса; ±1–вход определяющий режим сложение/вычитание; Q1, Q2, Q3, Q4–выходы соответствующих разрядов; p-выход переноса.

	Для синтеза девятиразрядного счетчика необходимо знать таблицу истинности данного устройства. Таблица истинности данного счетчика соответствует таблице 5

			Таблица 5

Вход переноса

Сложение / вычитание

Разрешение установки

Установка нуля

Действие

P0

±1

V

R



1

X

0

0

Нет счета

0

1

0

0

Работа на сложение

0

0

0

0

Работа на вычитание

X

X

1

0

Установка

X

X

X

1

Установка нуля



Связь счетчиков осуществляется через соединение выхода переноса младшего к входу старшего.

Режимы Сложение/Вычитание осуществляются в младшем счетчике. Когда компаратор зафиксирует выход за пределы разрешающей способности (что соответствует тому, что нужно увеличить модуль напряжения) на сумматор в соответствующий вход поступает высокий уровень и он работает на сложение.



3 Анализ метрологических характеристик

Разработанное устройство полностью соответствует техническим требованиям, изложенным в техническом задании. В устройстве использованы быстродействующие микросхемы (операционный усилитель К140УД7, компаратор КМ597СА3, ЦАП КР572ПА1, регистр 530ИР22). 

Устройство обеспечивает работу в необходимом динамическом диапазоне. Диапазон входного напряжения, исходя из способа построения (это подразумевалось при подборе ступени квантования, разрядности счетчика, ЦАП и, в целом, конструируемого АЦП) рассчитан на напряжение до минус 10 В. Входное сопротивление более 1 Мом, благодаря использованию повторителя.

Время преобразования выбрано равное 1 с. обеспечено благодаря выбору тактовой частоты генератора, что соответствует требованиям ТЗ.

В связи с использованием обратной связи устройство работает в автоматическом режиме. 

Аддитивная погрешность складывается из суммы аддитивных погрешностей четырех усилителей (вне зависимости от схемы их включения), и аддитивной погрешности ЦАП. Используемые при расчете аддитивной погрешности характеристики приведены в таблице 6. Характеристики прочих звеньев главного круга преобразования не включены, т.к. подразумевается, что цифровые элементы данным видом погрешностью не обладают, а точность компаратора, с которой он может входной и опорный сигнал достаточна велика.

Таблица 6 – Характеристики 

Параметр

Значение

Дрейф напряжения смещения (в усилителях)

6мкВ/С°

Коэффициентом нелинейности для ЦАП (δ)

0,1%

Будем искать погрешности, в том числе аддитивную, для входной величины, равной ступени квантования (в данном случае она максимальна) по формуле 9 из[7]:

		(9)

где С — суммарная аддитивная погрешность устройства; δ1, δ2—аддитивные погрешности усилителей и ЦАП соответственно

Мультипликативная погрешность (возникает при изменении коэффициентов преобразования), будет складываться за счет некоторых факторов, таких как точный подбор резисторов в схемах включения усилителей (они обладают своей точностью). Если погрешность, возникающая при этом порядка d=0,05%, то по формуле из [7] получим предел относительной основной погрешности:

		(10)

Полученная погрешность носит лишь оценочный характер. Введу сложности устройства, более точно погрешность может быть оценена путем моделирования.

4 Электрическое моделирование



Моделирование схемы проводилось в пакете программ схемотехнического моделирования Micro-Cap 7.0.

В качестве устройства для моделирования было предложено смоделировать работу генератора. В программе MicroCap была создана схема, показанная на рисунке 6.



Рисунок 6 – Схема для электрического моделирования

Данная схема представляет собой простейший кварцевый генератор на микросхемах КМОП Х1 и Х2. На данной схеме вместо кварца был использован импульсный генератор V1. 

На рисунке 7 изображен выходной сигнал модели и выходной сигнал





	Рисунок 7 – Выходной сигнал модели

На рисунке 8 изображен выходной сигнал в промежутке времени между преобразованиями.



Рисунок 8 – Выходной сигнал в промежутке времени между преобразованиями





Список литературы

Джонс М.Х. Электроника – практический курс. Москва: Постмаркет, 1999 –528 с.

Забродин Ю.С Промышленная электроника: Учебник для вузов.   — М.: Высш. школа, 1982. –496 с.

Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учеб. пособие для вузов .—М.:Энергоатомиздат, 1985.—304 с.

Ладик А.И. Сташкевич А.И. Изделия электронной техники. Знакосинтезирующие индикаторы: Справочник.–М.: Радио и Связь, 1994–176 с.

Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.5.–M.:ИП Радиософт, 1999–608 с.

Никонов А.В. Методические аспекты построения цифровых измерительных устройств: Учебное пособие.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001 – 52

Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М.Душина.—6е изд., перераб. И доп.—Л.: Энергоатомиздат,1987.—480 с.

Разевиг В.Д. Система схематехнического моделирования Micro-Cap 6 – М.: Горячая линия-Телеком, 2001. –344 с.

Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. –М.: Энергоатомиздат, 1990.—320 с.

	Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Е.1. Пер. с анг.–Изд. 3-е, стереотип.–М.: Мир, 1986.–598 c.

	Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В.Якубовский, Л.Н.Ниссельсон, В.И. Кулешова и др./ под ред. С.В.Якубовского. –Радио и связь, 1989.—496с.: ил.

	Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.—М.: Радио и связь, 1987.—352с.





2



13