Реферат: Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯУКРАИНЫ
Сумской Государственный Университет
Кафедра Автоматики и ПромышленнойЭлектроники
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА
к курсовому проекту по курсу:«Электронные системы»
по теме: «Проектирование канала сборааналоговых данных микропроцессорной системы»
ФЗ 51.6.090803.573ПЗ
Руководительпроекта Макаров М. А.
Проектировалстудент Река Д. П.
группыПЭЗ-51
Оценкаработы
Членыкомиссии:
Сумы 1999
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ… 3
Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы… 4
Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта… 4
Определение технических требований к функциональным блокаманалогового тракта… 5
Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта… 7
Расчет технических требований к функциональным узламуправляющего тракта… 8
Выбор и расчет принципиальных схем… 9
Заключение… 11
Список использованных источников… 12
ВВЕДЕНИЕ
Канал сбора аналоговых данных представляет собойустройство, 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 цельюлинеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду,пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминанияего мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.
В состав канала сбора аналоговых данных входиттакже ряд импульсных узлов, которые синхронизируют работу его составных частейи управляют работой АЦП.
АЦП является оконечным узлом проектируемогоустройства, и все другие составные функциональные единицы прямо или косвеннообеспечивают его нормальное функционирование.
Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемыВыбор и расчет структурной схемы аналогового тракта
АЦП имеет несимметричныйаналоговый вход, а датчик – симметричный выход. Отсюда ясно, что в составаналогового тракта должен входить дифференциальный усилитель, подключенный квыходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ).
Наибольшая точность преобразования аналоговогосигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в томслучае, когда:
/>,
где /> — максимальноезначение сигнала на аналоговом входе АЦП, />-шкала АЦП.
Максимальная величина ЭДС />датчика намного меньше шкалыАЦП, поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менеечем:
/>,
где /> — коэффициентзапаса по усилению.
Из задания на проект известно, что наряду сполезным сигналом действует синфазная помеха. Для исключения ее влиянияаналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):
/>
/>
/>
Из задания на проект известна полоса частотспектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать техническиетребования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частотафильтра />, где /> — верхняя частота спектрасигнала датчика.
В задании на проект не оговорены требования кАЧХ 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 посравнению с LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосепропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полнаяразвязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.
В момент преобразования аналогового сигнала вцифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, всостав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, котороепериодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигналафильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения />.
Из задания на проект известно, что требуетсяпреобразовывать сигнал поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурнуюсхему должен быть включен мультиплексор.
В итоге анализа всего вышесказанного структурнаясхема может быть представлена так, как показано на рисунке 1.
/> <td/> />Рисунок 1. Структурная схема аналогового тракта
СУ1…4 – согласующиеусилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 – устройства выборки-хранения,MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
Определение технических требований к функциональнымблокам аналогового трактаРасчет технических требований будем производитьв 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 /> послеотключения ключа. В качестве ключа используют как биполярные, так и полевыетранзисторы. Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшимихарактеристиками, поэтому их применение предпочтительней.
Основными техническими характеристиками УВХявляются:
1. Коэффициентпередачи в момент окончания выборки />
2. Максимальныезначения входного />и выходного /> напряжений.
3. Входное/> и выходное />сопротивления по аналоговомусигналу.
4. Относительныеошибки выборки />и хранения />.
5. Формаи параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
6. Напряжениеисточников питания УВХ.
В первую очередь зададимся /> и найдем максимальноезначение напряжения входного аналогового сигнала:
/>
Зная, что современные методы построения УВД даютвозможность реализации относительных ошибок /> и/>до />и ниже, можно установить требованияк допустимой погрешности:
/>
Ориентируясь на выполнение аналогового тракта наоперационных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряженияисточников питания:
/>;
/>.
Как известно, в схемах на ОУ достаточно легкореализуются большое входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходноесопротивление (менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:
/>;
/>.
Длительность импульсов управления и период ихследования оговорены в задании на проект. Подлежит определению величина временихранения
/>
и амплитудные значения импульса и впадины на управляющемвходе УВХ. Т.к. управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем
/>;
/>.
При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.
Основными характеристиками и параметрами фильтранижних частот являются:
1. Верхняяграничная частота />.
2. НеравномерностьАЧХ в полосе пропускания.
3. Скоростьспада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
4. Коэффициентпередачи />по напряжению в полосепропускания.
5. Входное/> и выходное /> сопротивления.
6. Напряжениеисточников питания.
При использовании фильтровБаттерворта неравномерность АЧХ в полосе пропускания задавать не требуется,т.к. она получается минимальной.
Скорость спада выберем порядка 12дБ/октаву.
Фильтры Баттерворта, выполненныена ОУ, имеют />. В нашем случаезададимся />. Исходя из этого, можноопределить требования к максимальной величине входного напряжения:
/>
Входное сопротивление выберем />, а выходное определим поформуле:
/>
Напряжение источников питаниявыберем таким же, как и для устройства выборки и хранения.
Согласующий усилитель долженобладать номинальным коэффициентом усиления разностного сигнала не менее чем
/>
Этот коэффициент изменяется впределах />, т.е.
/>
Коэффициент ослабления синфазнойпомехи должен быть не менее чем
/>
Входное сопротивление />выберем из соотношения:
/>
Выходное сопротивлениесогласующего усилителя
/>
Напряжения источников питаниявыберем таким же, как и для остальных блоков аналогового тракта.
Выбор и обоснование структурной схемы управляющеготракта/> <td/> />Рисунок 2. Структурная схема управляющего тракта.
Для генерации импульсов выборки используемгенератор сигналов прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают науправляющий вход УВХ.
В соответствии с заданием напроект за время хранения АЦП должен обработать сигналы с выходов 4 датчиков.Для управления мультиплексором, выполняющим переключение между датчикамииспользуем счетчик (СТ). Два первых выхода счетчика подключены к адреснымвходам мультиплексора. Для генерации импульсов на запуск АЦП используемгенератор запускающийся по заднему фронту импульса выборки (Г2). Этот генераторза время хранения должен выработать 4 импульса длительностью /> с интервалом />.
/> <td/> />Рисунок 3. Временные диаграммы.
В соответствии с заданием на проект пуск АЦПдолжен происходить спустя время /> послеокончания импульса выборки. Для осуществления задержки используем генераторгенерирующий импульс длительностью />, по заднемуфронту импульса от Г2,.
Расчет технических требований к функциональнымузлам управляющего трактаДля реализации узлов управляющеготракта наиболее удобно использовать микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы наоснове этой технологии имеют достаточное быстродействие, низкоеэнергопотребление и наиболее удобный (в данной ситуации) набор логических функций.
Согласно заданию на проектамплитуда импульсов пуска АЦП составляет 8¸12В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ не превышает5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению импульса пуска АЦП.
Для реализации генераторов импульсоввыборки и пуска АЦП используем генераторы импульсов прямоугольной формы на основемультивибраторов. Для реализации генератора задержки используем схему задержкина мультивибраторах.
Для питания узлов управляющеготракта потребуется напряжение:
/>
Выбор и расчет принципиальных схемСогласующий усилитель
Для реализации согласующего усилителя (СУ)используем схему представленную на рисунке 4.
/> <td/> />Рисунок 4. Принципиальная схема согласующего усилителя
Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя(ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующихнеравенств:
/>
Этим условиям удовлетворяет операционныйусилитель К153УД2:
/>
Для достижения наибольшего ослабления синфазнойпомехи коэффициент усиления первой ступени усиления на DA1,DA2 примем наибольшим, акоэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примемравным единице. В этом случае резисторы R5¸R8 получаютсяодного номинала, что облегчает их подбор.
Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.
Зададимся номиналамирезисторов 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 усилениясогласующего усилителя />,рассчитаем максимальное суммарное сопротивление резисторов R1и R2:
/>
Исходя из максимального коэффициента усиления />,определим минимальное значение суммарного сопротивления резисторов R1 и R2.
/>
Номинал резистора R1 определим из стандартного ряда, по ближайшему меньшемузначению />.
/>
Номинал резистора R2 определимпо формуле:
/>
Подберем ближайший номинал из стандартного ряда />.
Допуск на относительныйразброс 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/> <td/> />Рисунок 5. Фильтр низких частотУстройство выборки-хранения/> <td/> />
Рисунок 6. Устройство выборки и хранения
Заключение
Для обработки аналоговых сигналов на современномэтапе характерны цифровые методы, в результате чего операционный усилительвытесняется микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронныхконструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают создаватьмикросхемы с более высокой степенью интеграции, предназначенные дляуниверсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки ихранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов разрабатываютоперационные узлы в виде БИС, способные обрабатывать аналоговую информацию безпреобразования ее в цифровую форму.
Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, вкоторых острее всего нуждаются производственные участки предприятий, особеннопромышленные роботы.
В области преобразования данных основнойдвижущей силой является стремление к повышению точности и быстродействию.Однако существенное значение начинают приобретать и новые факторы: сильныйсдвиг в сторону технологии КМДП, разработка преобразователей специальногоназначения и использование новых методов преобразования, в том числе схемкоррекции погрешностей.
Весьма сложную задачу представляет собойорганизация ввода-вывода информации. Это связано с огромным разнообразиемпериферийных устройств, которые необходимы в микро-ЭВМ.
Список использованных источников
1. Методическиеуказания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи» по теме«Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы» /Сост. А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.
2. ФолкенберриЛ. Применения операционных усилителей и линейных интегральных схем: Пер. сангл. – М.: Мир, 1985.
3. Микропроцессоры:В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющиесистемы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В. Воробьев, А.В. Горячев и др.; Подред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш. Шк., 1986.
4. Цифровыеи 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.