АЦП с двойным интегрированием

Министерство путей  сообщения Российской Федерации

Дальневосточный государственный университет путей  сообщения

 

 

 

 

 

 

Кафедра: «Телекоммуникаций»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

На тему: «АЦП с двойным интегрированием»

 

К.П.2107.022-226

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Cуняйкин Д.К.

                                                                           Проверил: Нахалов В.А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хабаровск, 2004г..

СОДЕРЖАНИЕ

1. Задание на курсовой проект …………………………………………... 3

Введение…… …………………………………………………………………4

2.  Разработка структурной схемы АЦП…………………………….…... 6

3. Описание основных блоков схемы…………………………….……... 9

3.1 Интегратор и Расчёт……………………………………..………… 9

3.2 Компаратор и Расчёт………………………………..……………... 11

3.3 Триггер и Расчёт………………………………..………………….. 13

3.4 Счетчик ……………………………………..………………………. 15

3.5 Генератор тактовых импульсов и Расчёт.…………………….. 17

     3.6 Формирователь ……………………..……………………………… 21

4. Принципиальная схема устройства ……………………………………22

7.  Спецификация  элементов ………………………………………………24

Заключение  …………………………………………………………….. 25

8.   Литература ………………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание на  курсовой проект:

1. Разработать аналого-цифровой преобразователь с двойным интегрированием.
2. Построить временные диаграммы и описать работу АЦП.
3. Описать работу выбранных блоков.
4. Провести расчет генератора тактовых импульсов ГТИ. 

 

Исходные данные:

Напряжение  входа U = 5 В

Тактовая частота F = 60 КГц

Опорное напряжение U = 8 В

Разрядность счетчика n = 8

Скважность для ГТИ  – Q = 4

Элементная база для ГТИ  –  на транзисторах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В данном курсовом проекте разработано  устройство аналого-цифрового преобразователя. Данное устройство предназначено для  преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов, то есть осуществлять переход от аналогового сигнала к сигналу в цифровой форме.

Аналого-цифровой преобразователь  с двойным интегрированием является разновидностью устройств, реализующих  метод последовательного счета. АЦП данного класса отличаются повышенной точностью и помехозащищенностью.

К настоящему времени  разработано большое число АЦП, отличающихся по функциональному составу, назначению, электрическим, конструктивным и другим характеристикам. Это многообразие устройств является следствием различия требований, предъявляемых к АЦП конкретными условиями их применения.

Аналого-цифровое преобразование следует  использовать в областях, где для  обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например, «цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых разнообразных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типа цифровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы, такие, как усреднители переходных процессов, «ловушки для выбросов» и осциллографы с цифровой памятью), а также в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и устройства шифрования данных.

И, наконец, техника преобразования является существенной составляющей способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных приборов или двух координатных изображений, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существует масса возможностей для применения аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Разработка структурной схемы АЦП

 

Идея построения АЦП с двойным  интегрированием заключается в  следующем.

В  начале запускающий импульс  устанавливает триггер Т1 в единицу. При этом транзисторы VT1 и VT2 формирователя открываются, ключ на транзисторе VT4 закрывается и открывается ключ VT3.

Таким образом на вход интегратора (А) подается входное напряжение. В течение некоторого фиксированного временного интервала t₁ входной сигнал интегрируется аналоговым интегратором. Полагая, что на этом интервале U_инф (информационная составляющая сигнала) постоянно, а в момент времени t = 0 выходное напряжение интегратора равнялось нулю, для момента t₁ можно записать

U₁ =

U_инфt /RC

     Напряжение будет спадать от уровня открытого диода и в момент равенства напряжения нулю, срабатывает компаратор и триггер Т2 установится в единицу, которая поступает на схему «И» (В) и импульсы ГТИ поступят на суммирующий вход счетчика. На выходе интегратора напряжение будет спадать до тех пор, пока счетчик не переполнится. В момент переполнения счетчика, с него поступит сигнал о переполнении, который  установит  триггер Т1 в состояние 0.

Таким образом, транзисторы VT1, VT2, VT3 закрываются, а транзистор VT4 открывается. Далее к входу интегратора подключают некоторое опорное (эталонное) напряжение U_оп, полярность которого противоположна полярности напряжения U_инф. интегрирование опорного напряжения ведут до тех пор, пока его выходное напряжение не уменьшится до нуля. Если опорное напряжение постоянно, то можно записать

U₁ =

U_инфt ₁ /RC – U_оп (t ₂ - t ₁) /RC = 0

Решая относительно временного интервала △t = t₂ – t₁, получаем

△t =  U_инфt₁/ U_оп

откуда следует, что интервал △t не зависит от собственных параметров интегратора и определяется только временем интегрирования входного сигнала и опорным напряжением.

Компаратор установит  триггер Т2 в состояние 0, и импульсы перестают поступать от ГТИ на суммирующий вход счетчика. 

Если в течение интервала  △t посчитать число импульсов некоторой тактовой частоты f_T , то полученный код будет пропорционален входному напряжению. При этом выходной код М будет пропорционален U_инф

М =  U_инфt₁ f_T / U_оп

Если выполнить условие U_оп  > U_инф , то интервал t₁ будет всегда больше интервала △t и его можно задать, посчитав число импульсов той же частоты f_T  тем же счетчиком

t₁ = 2ⁿ / f_T

Отсюда получаем, что 

М = 2ⁿU_инф/ U_оп

Из данного выражения  следует, что при таком способе  реализации выходной код АЦП зависит  только от U_инф и U_оп и, следовательно, долговременные нестабильности как интегратора (RC), так и задающего генератора не влияют на точность преобразования. Именно этим и объясняется высокая точность и помехозащищенность данного АЦП.

Структурная схема АЦП с двойным  интегрированием.  Рис.1

 

 

Временная диаграмма, поясняющая работу АЦП (рис.2)

 

 

Рис. 2

 

 

3.Описание составных блоков схемы

 

3.1 Интегратор

Интегратором  называется устройство, входной сигнал которого пропорционален интегралу  по времени от его входного сигнала. Данная схема является инвертирующим  усилителем, в цепь обратной связи  которого включен конденсатор С  и диод. В данной схеме I₁ = I _C = U_вх /R. Если U_вх = const, то I _C также величина постоянная. Схема интегратора применяется для получения линейно изменяющегося напряжения с высокой точностью линейности.

Запишем для  инвертирующего входа ОУ уравнение по 1 закону Кирхгофа (U_{вх и} = U_{вх н})

U_вх/R = -С dU_вых dt      или      dU_вых = - (1/С R) U_вх dt

Откуда 

U_вых = - (1/С R) U_вх dt

 

 Интегратор в схеме  АЦП с двойным интегрированием  осуществляет линейное увеличение  напряжения на конденсаторе с течением времени, а затем посредством подключения напряжения обратного знака осуществляется разряд конденсатора до тех пор пока выход интегратора не вернется в исходное состояние (рис.2).

   

   

 

U_вых

 

 

 

 

                      t                            T                        t

Рис.3

Когда данное напряжение уменьшится до 0 В, сработает компаратор.

Расчёт  интегратора

Интегратор в данном курсовом проекте  построен на базе операционного усилителя  К140УД8. Е_ПИТ = 15 В

Е_ПИТ = ±15 В       U_СИНФ = ±15В          U_ВЫХMAX = ±11 В            R_ВХ= 1 Мом   

T = 2ⁿ/f = 256/60000 = 4.3 10^-3 с.

t =   T U_ВХ / U_ОП = 2.7  10^-3 с.

Емкость  С =  0,05 мкФ и R = 10 Ком, диод типа Д311

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Компаратор

 

Компаратор  – устройство сравнения аналоговых сигналов,  выполняет функцию  сравнения либо 2-х входных сигналов между собой, либо одного входного сигнала  с некоторым наперед заданным эталонным уровнем. При этом на выходе устройства формируется только 2 значения выходного сигнала: если один из сравниваемых сигналов больше другого, то выходной сигнал равен А_в, в противном случае выходной сигнал равен А_н. Наиболее часто под А_в и А_н подразумевают напряжения. В общем случае напряжения могут отличаться как по величине, так и по знаку.

Схема компаратора. (рис.3)

 

                                                 Рис.4

Если выходной сигнал компаратора используется для  управления интегральными цифровыми  микросхемами, у которых U_пит = 5 В, то необходимо использовать ограничитель на диодах.

Временная диаграмма, поясняющая работу компаратора.

 

Рис.5

Расчёт    компаратор

Компаратор, как и интегратор, выполнен на базе операционного усилителя  К554СА2.     Е_ПИТ = +12/-6 В             

У данной микросхемы выходное напряжение уже согласовано с ТТЛ –  логикой, то есть для управления интегральными  цифровыми микросхемами нет необходимости  ставить ограничители.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3  RS – триггер

Триггер – устройство, способное формировать два устойчивых значения выходного сигнала и  скачкообразно изменять эти значения под действием внешнего управляющего сигнала. Именно способность формировать  на выходе два устойчивых значения сигнала, которые могут поддерживаться без изменения сколь угодно длительный промежуток времени, и позволяет применять триггер в качестве элемента памяти.

У RS – триггеров поочередное поступление импульсов на информационные входы (R и S) ведет к смене состояния триггера. Если после подачи импульса на вход R импульс на вход S не поступит, а на вход R придет ёще один импульс (3 импульс на входе R), то на этот повторный импульс триггер не отреагирует и состояние не изменится. То же самое и для входа S (4 импульс на входе S).

 

Временная диаграмма.

S

 

 

R

 

Q

 

 

 

 

Рис.6

 

Одновременное поступление импульсов на входы R и S не разрешается. Рекомендация избегать определенной комбинации входных сигналов связана не с опасностью повреждения интегральной микросхемы,  а с возможностью прихода в так называемое неопределенное состояние, которое заранее нельзя предсказать (1 или 0), то есть устройство не будет действовать как истинный триггер с двумя строго определенными взаимно инверсными выходными уровнями (Q и ).

 

 

S	R	Qn+1
0	0	Qn
1	0	1
0	1	0
1	1	0 – не рекомендуется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4   Двоичный счетчик

В качестве устройства регистрирующего  количество импульсов прошедших за определенное время используется счетчик. Счетчиком называется последовательное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде. В данном курсовом проекте в качестве счетчика используется микросхема К155ИЕ7 (рис. 5).

Входы D1-D4 в схеме данного счетчика не используются. Они предназначены для предварительной установки в счетчик исходного числа. Так как предварительная установка не требуется, то на вход С действует логическая единица. Вход R (сброс) служит для установки нуля на всех выходах Q путем подачи логической единицы. Так как счет ведется в прямом направлении, то на входе «-1» действует логическая единица, а вход «+1» подаются импульсы. По приходу n импульсов происходит их подсчет и в момент переполнения первого счетчика начинает работать второй счетчик. Счетчик продолжает свою работу  до тех пор, пока на его вход подаются импульсы. 

 

Рис. 7

 

 

 

Временная диаграмма, поясняющая работу счетчика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8

 

 

Расчёт цифрового кода на выходе счетчика

М = 2 ⁿ U_ВХ / U_ОП

М = 160

 

 

 

 

3.5  Генератора тактовых импульсов

 

В данном курсовом проекте необходимо разработать схему мультивибратора  в автоколебательном режиме на базе транзисторов, а также рассчитать его элементы.

Принципиальная схема мультивибратора.

      Рис. 9

 

Принцип работы мультивибратора.

Транзисторы VT1 и VT2 мультивибратора поочередно закрываются и открываются, причем переключения осуществляются настолько быстро, что их можно считать мгновенными.

В первом состоянии квазиравновесия  разряжается конденсатор С1 (через  цепь Е, R_б1, С1, транзистор VT2), и по мере убывания разрядного тока, протекающего через R_б1, растет напряжение U_б1 на базе VT1. В момент, когда    U_б1 достигает порогового уровня, отпирается транзистор VT1, рост его коллекторного тока приводит к выводу транзистора VT2 из режима насыщения. В результате развивается процесс, завершающийся запиранием транзистора VT2 и переходом схемы во второе состояние квазиравновесия. Теперь разряжается конденсатор С2 через резистор R_б2 и насыщенный транзистор. Второй полупериод колебаний завершается в момент достижения напряжением U_б2 порогового (нулевого) уровня, в этот момент отпирается транзистор VT2 и происходит обратное опрокидывание в первое состояние квазиравновесия.

Для уменьшения длительности фронтов  используется корректирующая схема, состоящая  из транзисторов VT3, VT4 и диодов VD1,  VD2.

Временная диаграмма работы мультивибратора.

 

 

 

                                               Рис.10

Расчёт  генератора тактовых импульсов

1)  Выбор транзисторов VT1 и VT2

Источник питания         Е_пит = 15 В

Выходное напряжение  U_ВЫХ = 5 В

Скважность                     Q = 4

Так как нагрузкой для  ГТИ  будет являться элемент ТТЛ, тогда ток нагрузки                      I_Н = 10 ^–3 мА

Заданная тактовая частота F=60 КГц удовлетворяет условию   f_ГР³100МГц.

Максимально допустимое напряжение на переходе к-б

U_КДОП = 2 Е_пит = 2 ∙15 = 30 В

     Максимально  допустимый ток коллектора

   I_КДОП = 30 мА

     Тип транзистора  КТ333В-3: I_КМАХ = 20 мА,   U_КЭ = 20 В,  β = 100

2)  Выбор сопротивлений 

Коллекторное сопротивление R1=R4 = E/ I _К

Причем I _К = 0,5 I_КДОП  

                 I _К = 10 мА

     R1=R4 = 15/0,01 = 1,5 КОм

I_Бнас = I_K/ h₂₁ = 0.1 мА

Сопротивления времязадающей цепи

R2 = R3 =  h₂₁R1/S , S = 1.5  

R2 = R3 = 100∙1500/1.5 = 10 КОм

     3)  Выбор  емкостей 

Период автоколебаний 

T= 1/f   

T= 1/60000 = 1,67∙10^-5 с

Определим длительность импульса на выходе ГТИ

t_И = T/Q  

t_И = 1,67∙10^-5 / 4 = 4,175∙10^-6 с

Определим длительность паузы

 t_п = (Q – 1) t_И                             t_п = 1,253∙10^-5 с

Для полученных значений длительности импульса и паузы рассчитаем емкости С1 и С2:

C1 = 5,6∙10^-10  Ф ,   C1 = 0,56 нФ

C2 = 1.8∙10^-9   Ф,   С2 = 1,8 нФ

4)  Определим длительность  фронта

Расчетная длительность фронта t_Ф=3С2R4.

t_Ф= 3∙1,5∙10^-9 ∙15000 =6,75∙10^-6 с

Так как  t_Ф >0,1 t_И  , то необходимо использовать схему коррекции, состоящую из транзистора и диода. В этом случае

     t_Ф1= 3С1R1 / h₂₁            t_Ф1 = 4,5∙10^-8 с

     t_Ф2= 3С2R4 / h₂₁            t_Ф2 = 6,75∙10^-8 с

В качестве транзисторовVT3 и VT4 выбираем транзистор КТ333В-3, а также диод типа Д311.

Так как нагрузкой  для ГТИ является логический элемент «И – НЕ», поэтому на выходе ГТИ необходимо поставить ограничитель, например на диодах.

VD4 и VD5 (тип Д311) I_ПР = 80 мА. При этом значение сопротивления

R13 = (15 – (4+0,6))/0,008 = 130 Ом

R13 = 120 Ом

 

 

 

 

 

 

 

3.6.Расчёт   формирователя

1. Определение типа используемых транзисторов VT1 и VT3 (n-p-n)

Транзистор КТ315Г:       h₂₁ = 150                U_КЭНАС = 0,4 В     U_БЭНАС = 1,1 В

                 I_КДОП  = 0,1 А       U_КДОП = 25 В     

2. Определение типа используемых транзисторов VT2 и VT4 (p-n-p)

 транзистор  КТ349Б:       

  h₂₁ = 100                  U_КЭНАС = 0,3 В            U_БЭНАС = 1,2 В

       I_КДОП  = 20 мА       U_КЭ  = 20 В         

3. Определение сопротивлений

R1 = U _Dвых /I _К     U _Dвых = 5 В,   I _Бнас= 0,6I _КДОП1 /h₂₁ = 0,5∙0,1/150= 3,3 10^-4 А

R1= 5 /  3,3 10^-4 = 15000 Ом, 

Тогда R1 =  15 КОм

Найдем сопротивления R4, R3, R2, R5

I_К2 = 0,5 I_КДОП2 = 0,15 А,   

I_Б2 = I_К2/ h₂₁ = 0.15/100 = 1,5 мА

I_Э2 = I_К2 + I_Б2  = 0,152 А

I_R3 = I_К1 - I_Б2  = 0.05 – 0,0015 = 0,049 А

I_R3R3 = I_Э2 R4 + U_БЭ2

Возьмем резистор R4 = 560 Ом, тогда R3 = 1,4 кОм

Е = I_R3R3 + I_К1R2 + U_КЭ1, откуда  R2 = 560 Ом

R5 =  Е_пит / I_К4,                I_К4 = 0,5I_КДОП4 = 0,01 А

R5 =   1,5 кОм

 

 

 

 

 

     6.  Принципиальная схема устройства

Данное устройство представляет собой  набор электронных ключей, выполненных на биполярных транзисторах, интегратор, компаратор, используются RS-триггера типа К564ТР2, генератор тактовых импульсов на базе транзисторов, логический элемент «И–НЕ»  и восьмиразрядный счетчик К155ИЕ7. Принципиальная схема устройства АЦП с двойным интегрированием приведена на рис 11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.  Спецификация используемых в  схеме элементов

 

Обозначение на схеме	Тип элемента
D1, D3	К564ТР2
D3, D4	К155И7
	Конденсаторы
C1	КСО 1 нФ
C2	КСО 1,5 нФ
C3	КСО  0,05 мкФ
	Резисторы
R1	МЛТ  15     КОм
R2	МЛТ  220   Ом
R3	МЛТ  1,4    КОм
R4	МЛТ  560   Ом
R5	МЛТ          КОм
R6	МЛТ  10     КОм
R7, R8	МЛТ  1,5    КОм
R9, R10	МЛТ  10     КОм
R11, R12	МЛТ  1       КОм
	Диоды
VD1 – VD5	Д311
	Транзисторы
VT1, VT3	КТ315Г
VT2, VT4	КТ349Б
VT5–VT8	КТ333В-3

 

 

 

 

Заключение

В результате проделанного курсового проекта разработано  устройство АЦП с двойным интегрированием. Приведено описание работы устройства,  а также чертеж принципиальной схемы. По принципиальной схеме возможно построение данного устройства, при условии соблюдения всех технических правил.      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                ЛИТЕРАТУРА

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехника .М.: Мир.1983.- т.1, т.2
2. Багданскис А.К. быстродействующие интегральные микросхемы АЦП и ЦАП. М.: Радио и связь, 1988.- 224 с.
3. Браммер Ю.А. Импульсная техника. М.: Высшая школа, 1989. –512 с.
4. Доронкин Е.Ф. Транзисторные генераторы импульсов. М.: Радио и связь, 1989. –225 с.
5. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. М.: Высшая школа, 1981. –212 с
6. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника.  М.: Радио и связь, 1996. –768 с.

 

- -