Реферат: АЦП

Институт Переподготовки Кадров

Уральского Государственного Технического Университета

Кафедра микропроцессорной техники

Оценка работы

Члены комиссии

АЦП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ СЛУЧАЙНОГО

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Курсовая работа

Пояснительная записка

Руководитель

к.т.н. доцент Д.Г.Матюнин

Слушатель

Группа СП-913 А.А.Соколов

ЕКАТЕРИНБУРГ

1997

СОДЕРЖАНИЕ

ПОСТАНОВКАЗАДАЧИ……………………………………………………-

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………3

1.СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЦП…………………………………4

2. БУФЕРНЫЙУСИЛИТЕЛЬ…………………………………………6

3. ИСТОЧНИКОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ………………7

4. СХЕМАЗАПУСКА………………………………………………………8

5. АЦПКР1107ПВ2………………………………………………………9

6. КПУ«ЭЛЕКТРОНИКА МС 2702»…………………12

7.ПРОГРАММА РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА………………13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………15

ПРИЛОЖЕНИЕ 1…………………………………………………………………16

ПРИЛОЖЕНИЕ2…………………………………………………………………17

ПРИЛОЖЕНИЕ3…………………………………………………………………18

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………19

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Проектирование восьмиразрядного быстродействующего АЦП длянаблюдения формы сигнала снимаемого сфэу.

Особые дополнительные сведения:Входное сопротивление 75 ом

Измеряемые входные амплитуды 0¸-2В

Измеряемые времена от 10mS до 1 mS

Погрешности в измерении амплитуды и времени не более 5%

-3-

ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением вотрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники,обмен информацией с которымиобеспечивается линейнымианалоговыми и цифровыми преобразователями(АЦПиЦАП).

Современный этап характеризуется больших и сверхбольшихинтегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами:быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП иАЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их вприборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и впромышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговымии цифровыми устройствами.

-4-

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АЦП

Структурнаясхема АЦП представлена на рис. 1.1

Структурная схема АЦП

рис 1.1

Онасодержит буферный усилитель (БУ), посредством которого осуществляется развязкавысокой входной ёмкости АЦП микросхемы КР1107ПВ2 от источника сигнала. Источникопорного напряжения (ИОН) служит для питания делителя напряжения в АЦП, дляподачи опорных квантованных напряжений на компараторы. Оцифровка входного аналогового сигналаосуществляется в АЦП (микросхема КР1107ПВ2), которая преобразует аналоговыйсигнал амплитудой 0¸2 В с частотой преобразования не более 20 МГц ввосьмибитный выходной код, вид которого определяется програмно, подачейдвухбитного кода на входы 36, 41 микросхемы. Выходной код, через магистральныйусилители (МУ1, МУ2) поступает на порт РВ контроллера ввода-вывода КР580ВВ55запрограммированного на ввод, а затем в зависимости от программы либо в ОЗУиспользуемого в данной схеме программируемого

-5-

универсального контроллера (КПУ)«Электроника МС2702», либо через порт РА, запрограммированного навыход, выводится на сопрягаемый контроллер для обработки данных 1.

Седьмойбит порта РС используется как стробирующий АЦП канал. В этот бит выставляетсялогическая еденица с частотой, определяемой программой контроллера.

ЗапускАЦП на преобразование реализован программно. При помощи схемы запуска,содержащей компараторы, срабатывающей от отрицательного сигнала амплитудой –1мВдо –4В и RS-триггера, выходным сигналом которого поданным на битС7 порта РС, запускается программа преобразования АЦП.Бит С5 порта РС используетсякак канал сигнала готовности к началупреобразования.

-6-

2. БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Характерной особенностью микросхемы КР1107ПВ2является большая входная ёмкость (более 100 пф). В связи с этим, прииспользовании этих микросхем в измерительных устройсвах возникает необходимость в буферном каскадедля развязки источника сигнала от емкостной нагрузки. При чем на этот каскаднакладываются весьма жесткие требования по стабильности коэффициента усиления,термостабильности, полосе пропускания, так же требуется высокое входноесопротивление, чтобы не вносить погрешности в измеряемый сигнал или входноесопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля, соединяющего источниксигнала и АЦП.

Схема, указаная на рис. 2.1может работать с ёмкостью нагрузки до 300 пФ с полосой пропускания до 20 МГц,нелинейность АЧХ - 0,2 %и коэффициент передачи равный 1.

Основабуферного неинвертирующего усилителя - дифференциальный каскад, собранный на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой его является схема – «токовоезеркало» на микросборке из двух подобранных по характеристикамтранзисторах(DA1).

На выходе собран эмиттерный повторитель на транзисторе VT6, согласованный с дифференциальным каскадом и стоковым повторителем VT4. Резисторы R1-R3образуют делитель напряжения для подстройки«0» на выходе усилителя безсигнала на входе. На транзисторах VT3-VT4идиодах VD1-VD3собраны два источника тока для питания дифференциального каскада и токовогоповторителя./2/

принципиальная электрическая схемабуферного усилителя

Рис 2.1

-7-

3. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ПараллельныеАЦП, такие как используемая микросхема КР1107ПВ2 построены на принципе одновременного сравнивания(преобразования) сигнала путём квантования с помощью набора компараторов, наодин вход которых подаётся исследуемый сигнал, а на другой квантованные поуровню опорного напряжения. Они создаются прецизионным делителем напряжения , который питается от внешнего источникаопорного напряжения, к нему предъявляются высокие требования по стабильностивыходного напряжения, так как оно в большей степени определяет погрешность АЦП.

Принципиальная схема источника опорногонапряжения представлена на рис. 3.1

Он выдаёт стабилизированноенапряжение равное 2В, с точностью 0,01 %в диапазоне теиператур от –20 до+40 °С.

Выходноенапряжениеформируется как разница между падением напряжения на светодиоде VD1и эмиттерном переходе транзистора VT2. Оба эти напряжения имеют отрицательный температурныйкоэффициент 2мВ/град., в следствии чего напряжение на резисторах R2и R3термостабильно.Транзисторы сборки VT1, резистор R1 и диод VD2 образуют стабилизатор тока светодиода VD1. В связи с тем, что температурный коэффициентнапряжения светодиода несколько меньше такого же коэффициента эмиттерногоперехода транзистора VT2, для компенсации разницыстабилизатор выполнен с отрицательным коэффициентом (за сче диода VD2). Для обеспечения равенства температур светодиод итранзистор VT2должны иметь тепловой контакт.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ИСТОЧНИКА ОПОРНОГОНАПРЯЖЕНИЯ

Рис. 3.1

-8-

4. СХЕМА ЗАПУСКА

Длясогласования времени прихода сигнала на вход установки и началом циклапреобразования АЦП служит схема запуска, представленная на рис. 4.1

Схемазапуска содержит в себе компаратор, срабатывающий от отрицательного импульса,амплитудой от –1мВ до –4В и выдающий на выходе логический сигнал, либологическую еденицу, амплитудой от 3 до 5В, либо логический ноль, амплитудой до 0.5В

Длярегулировки уровня срабатывания компаратора – исключения срабатывания от шумови наводок, служит делитель напряжения на резисторах R1 и R2,регулировка возможна впределах от 0 до 4 В.

Сигнал свыхода компаратора подаётся на R-вход RS-триггера устанавливая уровень логической еденицы навыходе триггера и бите C7порта РС. Этот бит опрашивается программой контроллераи при обнаружении на нём логической еденицы начинаетсятактирование АЦП и записьрезультата в память контроллера.

Приустановке в бите С5 порта РС логическойеденицы сбрасывается запускающий сигнал с выхода триггера, схема запускаприводиться в готовность к новому циклу преобразования.

<img src="/cache/referats/878/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1039">
СХЕМА ЗАПУСКА

Рис. 4.1

-9-

5.АЦП КР1107ПВ2

Интегральная полупроводниковая микросхема КР1107ПВ2 представляет собой быстродействующийвосьмиразрядный аналогоцифровой преобразователь с частотой преобразования до 20МГц. Микросхема предназначена для преобразования входных аналоговых сигналов вдиапазоне отрицательных напряжений от –2В до 0В в один из кодов параллельногосчитывания: прямой двоичный, обратный двоичный, прямой дополнительный, обратныйдополнительный.

ПостроениеАЦП по полностью параллельной схемепозволяет получить максимальное быстродействие при минимальной динамическойпогрешности без использования внешней схемы выборки хранения во всем диапазонечастоты преобразования.

Выходные уровни и уровни управляющихсигналов АЦП соответствуют уровням ТТЛ.

КонструктивноИС КР1107ПВ2изготовлена в металлокерамическом корпусе с 64 выводами типа2136.64-1. Особенностью корпуса является наличие радиатора, выполненного в видеанодированной пластины из аллюминевого сплава. Такая конструкция обеспечиваетработу микросхемы в диапазоне температур –10 ¸+70 °С.

Назначениевыводов ИС КР1107ПВ2

Опорное напряжение U1

Вход (аналоговый сигнал)

Общий (аналоговая земля)

Вход корректировки нелинейности

Опорное напряжение U2

Напрежение питания Uп1

Общий (цифровая земля)

Тактовый сигнал

Выход 8 (младший разряд)

Выход 7

Выход 6

Выход 5

Управление выходным кодом, вход 2

Выход 4

Выход 3

Выход 2

Выход 1 (старший разряд)

Управление выходным кодом, вход 1

Напряжение питания Uп2

13, 15, 16, 18, 20

14, 19

28, 43

29, 42

47-50

Основные электрические параметры

-10-

Напрежение питания Uп1

Напрежение питания Uп2

Выходное напряжение высокого уровня

Выходное напряжение низкого уровня

Напрежение смещения «0» на выходе

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы

Дифференциальная нелинейность

Напрежение источника U1

Напряжение источника U2

Максимальное время преобразования

Максимальная частота преобразования

Апертурная неопределенность

Входная ёмкость

5В

-6В

>2.4B

>0.4B

-0.1¸0.1B

-1¸1 ЕМР

-0.1¸0.1B

-2В

<100нS

£20МГц

<60пS

<300пФ

Обобщенная схема паралелльного АЦП КР1107ПВ2 представлена нарисунке 5.1 /3/

ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА ПАРАЛЛЕЛЬНОГОАЦП

Рис. 5.1

-11-

Микросхема состоит из резистивного делителяопорных напряжений, 256 стробируемых компараторов, дешифратора кодовкомпараторов, логических схем управления выходным кодом и выходного регистрахранения.

Виды выходных кодов и соответствующие имуровни напряжений на входах 36 и 41 представлены в таблице 5.1

Таблица 5.1

Таблица выходных кодов АЦП КР1107ПВ2

ТИП КОДА

Логические уровни

Прямой двоичный

Обратный двоичный

Прямой с дополнением до двух

Обратный с дополнением до двух

-12-

6.КПУ «ЭЛЕКТРОНИКА 2702»

Универсальный программируемый контроллер «ЭЛЕКТРОНИКА 2702» построен на основе микропроцессора К580ВМ80,содержит в своем составе два контроллера ввода-вывода, два программируемыхтаймера, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер прерываний, микросхемыпостоянной и оперативной памяти, схемы логики управления. Управление контроллера осуществляется склавиатуры, результаты отображаются на дисплее.

Контроллер оперирует восьмибитнымпараллельным кодом, имеет сорок восемь двунаправленных программируемых каналоввода-вывода. Контроллер может осуществлять следующие операции:

1. Опрос портов ввода-вывода и запись информации из нихв ОЗУ.

2. Запись в порты ввода-выводаинформации из ОЗУ.

3. Все операции с памятьюхарактерные для процессора К580ВМ80 и

определяемые набором его команд.

-13-

7. ПРОГРАММ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА

Программа, обеспечивающая работуконтроллера и АЦП должна:

1. Предусматривать программноеизменение выходного кода АЦП.

2. Стробировать АЦП и записыватьрезультаты в ОЗУ с заданной программно

частотой.

3. Предусматривать программноеизменение памяти, отводимой для записи

сигнала.

4. Опрашивать один из портов вожидании сигнала начала преобразования.

5. Сбрасывать схему запуска висходное состояние выставлением в одном из

каналов порта сигнала готовности.

Блок-схема программы представленна на рис. 7.1

Полный листинг программы с пояснениями приведен ниже

Установление режима работы адаптера

«1» в бит С5 порта РС – сброс триггера сигнал готовности

Выделен бит С7, если А=0 нет пуска – ожидание

А¹

0 – пуск

Начало области памяти под запись

03 — тип выходного кода

40 – сигнал стробируемый в бите С6

Оставлен сигнал вида выходного кода

Не сброшен сигнал стробирования

Опрос порта РВ, запись из него данных в ОЗУ с адресом в HL

Программа временной задержки для стробирования

АЦП

ХХ= 01H TCИ = 1m

ХХ= 10H TCИ = 10 m

ХХ= 1FH TCИ = 100 m

ХХ= 2EH TCИ = 1 Ms

Проверка конца памяти, адрес в Н 2900

<img src="/cache/referats/878/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1027"><img src="/cache/referats/878/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1026">MVI A, 8A;

OUT F7 ;

MVI A, 20;

OUT F6 ;

<img src="/cache/referats/878/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1028">M1: IN F6 ;

ANI A, 80;

JN M1 ;

LXI H, 2200;

<img src="/cache/referats/878/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1029">M3: MVI A, 43;

OUT F6 ;

<img src="/cache/referats/878/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1030"> MVI 03 ;

OUT F6 ;

<img src="/cache/referats/878/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1031"> IN F5 ;

MOV M, A;

<img src="/cache/referats/878/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1032">M2: MVI B, XX;

DCR B ;

NOP ;

JNZ M2 ;

<img src="/cache/referats/878/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1033"> MVI A, 29;

CMP H ;

INX H ;

JNZ M3 ;

HALT

-14-

БЛОК – СХЕМА ПРОГРАММЫ РАБОТЫ АЦП

Рис. 7.1

-15-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Врезультате проделанной работы спроектировано восьмиразрядное параллельное АЦПдля наблюдения формы случайного сигнала, снимаемого с ФЭУ. Данные с АЦП через программируемыйконтроллер могут передаваться в микропроцессорную систему компьютера длянаблюдения и обработки. Установка соответствует заданным техническим условиям,позволяет обрабатывать входные сигналы отрицательной полярности амплитудой от 0до –2 В и длительностью более 10mS.Выходные данные представляются восьмиразрядным кодом с максимальнойпогрешностью по амплитуде не более 5% и по длительности не более 3%.

-16-

Приложение 1

БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Поз.

обозн.

ОБОЗНАЧЕНИЕ

Кол-во

Примечание

ТРАНЗИСТОРЫ

DA1

КТС 3101А

VT1-VT3