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

     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

     δ_м =0.25%

     Отсюда  на приборную погрешность приходится:

     δ_п=1% - δ_м=0.75%

     По  основной цепи преобразования распределение  погрешности представлено в Таблице 1

Таблица 1

           

1.2 Счетчик

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

     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 U_max=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 U_min=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

      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

      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

      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 1-го, 2-го, 3-го и 4-го 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

 

     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

    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.

     

     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

1. Джонс М.Х. Электроника – практический курс. Москва: Постмаркет, 1999 –528 с.
2. Забродин Ю.С Промышленная электроника: Учебник для вузов.   — М.: Высш. школа, 1982. –496 с.
3. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учеб. пособие для вузов .—М.:Энергоатомиздат, 1985.—304 с.
4. Ладик А.И. Сташкевич А.И. Изделия электронной техники. Знакосинтезирующие индикаторы: Справочник.–М.: Радио и Связь, 1994–176 с.
5. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.5.–M.:ИП Радиософт, 1999–608 с.
6. Никонов А.В. Методические аспекты построения цифровых измерительных устройств: Учебное пособие.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001 – 52
7. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М.Душина.—6-е изд., перераб. И доп.—Л.: Энергоатомиздат,1987.—480 с.
8. Разевиг В.Д. Система схематехнического моделирования Micro-Cap 6 – М.: Горячая линия-Телеком, 2001. –344 с.
9. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. –М.: Энергоатомиздат, 1990.—320 с.
10. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Е.1. Пер. с анг.–Изд. 3-е, стереотип.–М.: Мир, 1986.–598 c.
11. 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.
12. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.—М.: Радио и связь, 1987.—352с.