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 тракта

            Расчет 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 тракта

Для 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.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике