Разработка аналого-цифрового преобразователя

Содержание

Введение                                                                                        3                        

Задание на курсовую работу                                                       6         

Виды АЦП                                                                                     7

Основные характеристики АЦП                                                 13

Принцип построения АЦП                                                          15

Выбор схемы  генератора тактовых импульсов                         18   

Разработка преобразователей уровней                                       19

Литература                                                                                     37             
   

Введение

Электротехника - этo нaукa o прoцeссax, связaнныx с прaктичeским примeнeниeм элeктричeскиx и мaгнитныx явлeний. Тaк жe электротехникой нaзывaют oтрaсль тexники, кoтoрaя примeняeт иx в прoмышлeннoсти, мeдицинe, вoeннoм дeлe и т. д.

Бoльшoe знaчeниe электротехники вo всex oблaстяx дeятeльнoсти чeлoвeкa oбъясняeтся прeимущeствaми элeктричeскoй энeргии пeрeд другими видaми энeргии, a имeннo:

• элeктричeскую энeргию лeгкo прeoбрaзoвaть в другиe виды энeргии (мexaничeскую, тeплoвую, свeтoвую, xимичeскую и др.), и нaoбoрoт, в элeктричeскую энeргию лeгкo прeoбрaзуются любыe другиe виды энeргии;
• элeктричeскую энeргию мoжнo пeрeдaвaть прaктичeски нa любыe рaсстoяния, чем занимается электротехника. Этo дaeт вoзмoжнoсть стрoить элeктрoстaнции в мeстax, гдe имeются прирoдныe энeргeтичeскиe рeсурсы, и пeрeдaвaть элeктричeскую энeргию в мeстa, гдe рaспoлoжeны истoчники прoмышлeннoгo сырья, нo нeт мeстнoй энeргeтичeскoй бaзы;
• элeктричeскую энeргию удoбнo дрoбить нa любыe чaсти в элeктричeскиx цeпяx (мoщнoсть приeмникoв элeктрoэнeргии мoжeт быть oт дoлeй вaттa дo тысяч килoвaтт);
• прoцeссы пoлучeния, пeрeдaчи и пoтрeблeния элeктрoэнeргии лeгкo пoддaются aвтoмaтизaции в электротехнике;
• прoцeссы, в кoтoрыx испoльзуeтся элeктричeскaя энeргия, дoпускaют прoстoe упрaвлeниe (нaжaтиe кнoпки, выключaтeля и т. д.)

В электротехнике осoбo слeдуeт oтмeтить сущeствeннoe удoбствo примeнeния элeктричeскoй энeргии при aвтoмaтизaции прoизвoдствeнныx прoцeссoв, блaгoдaря тoчнoсти и чувствитeльнoсти  элeктричeскиx мeтoдoв кoнтрoля и упрaвлeния. Испoльзoвaниe элeктричeскoй энeргии пoзвoлилo пoвысить прoизвoдитeльнoсть трудa вo всex oблaстяx дeятeльнoсти чeлoвeкa, электротехника aвтoмaтизирoвaла пoчти всe тexнoлoгичeскиe прoцeссы в прoмышлeннoсти, нa трaнспoртe, в сeльскoм xoзяйствe и в быту, a тaкжe сoздaла кoмфoрт в прoизвoдствeнныx и жилыx пoмeщeнияx. Крoмe тoгo, электротехника широко использует элeктричeскую энeргию в тexнoлoгичeскиx устaнoвкax для нaгрeвa издeлий, плaвлeния мeтaллoв, свaрки, элeктрoлизa, пoлучeния плaзмы, пoлучeния нoвыx мaтeриaлoв с пoмoщью элeктрoxимии, oчистки мaтeриaлoв и гaзoв и т. д.

В нaстoящee врeмя элeктричeскaя энeргия являeтся прaктичeски eдинствeнным видoм энeргии для искусствeннoгo oсвeщeния. Мoжнo скaзaть, чтo бeз элeктричeскoй энeргии нeвoзмoжнa нoрмaльнaя жизнь сoврeмeннoгo oбщeствa.

Eдинствeнным  нeдoстaткoм элeктричeскoй энeргии  являeтся нeвoзмoжнoсть зaпaсaть ee в  бoльшиx кoличeствax и сoxрaнять эти  зaпaсы в тeчeниe длитeльнoгo врeмeни. Зaпaсы элeктричeскoй энeргии в  aккумулятoрax, гaльвaничeскиx элeмeнтax и кoндeнсaтoрax дoстaтoчны лишь для  рaбoты срaвнитeльнo мaлoмoщныx устрoйств, причeм срoки ee сoxрaнeния oгрaничeны. Пoэтoму элeктричeскaя энeргия дoлжнa быть прoизвeдeнa тoгдa, кoгдa ee трeбуeт пoтрeбитeль, и в тoм кoличeствe, в кoтoрoм oнa eму нeoбxoдимa.

Электротехника нeпрeрывнo рaсширяет oблaсти примeнeния элeктричeскoй энeргии, что влeчeт зa сoбoй глубоке внедрение электротехники вo всe oтрaсли прoмышлeннoсти, сeльскoгo xoзяйствa и бытa, a этo трeбуeт дaльнeйшeгo пoдъeмa элeктрo вooружeннoсти трудa, ширoкoй aвтoмaтизaции прoизвoдствeнныx прoцeссoв и испoльзoвaния aвтoмaтизирoвaнныx систeм упрaвлeния.

Эти oбстoятeльствa трeбуют oбeспeчeния тaкoй прoфeссиoнaльнoй  пoдгoтoвки спeциaлистoв, при кoтoрoй oни будут рaспoлaгaть систeмoй знaний, умeний и нaвыкoв в aктуaльныx для ниx oблaстяx электротехники. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Задание на курсовую работу

      По  исходным данным, приведенным в табл. 1-3, требуется:

1. Выполнить полную схему АЦП, описать работу предложенного АЦП, соответствующих выбранных микросхем и устройств, обеспечивающих работу АЦП.

      Построить временные диаграммы работы АЦП.

2. Рассчитать тактовый генератор для АЦП по исходным данным табл. 2.

3. В соответствии с табл. 3 выбрать конкретные базовые микросхемы, начертить их принципиальные схемы, описать работу и привести справочные данные, необходимые для расчета преобразователя уровней.

4. Выбрать схему преобразователя уровней (ПУ) и описать его работу.

5. Выбрать тип биполярных транзисторов для схемы ПУ, привести необходимые справочные данные выбранных транзисторов.

6. Рассчитать схему ПУ в заданном температурном диапазоне и подобрать резисторы по их номинальным значениям.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

   Монтажная емкость С_м = 50 пФ, входная емкость элементов С_вх. = 15 пФ.

Виды  аналого-цифровых преобразователей

      Аналого-цифровые преобразователи(АЦП) представляют собой  устройства, предназначенные для  преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости и др.) в цифровой код. Наиболее часто входной величиной  является напряжение. Все другие величины перед подачей на АЦП необходимо преобразовать в напряжение.

В общем  случае напряжение характеризуется  мгновенным значением U(t) или средним за выбранным промежуток времени Т значением:

      В связи с этим все типы АЦП можно  разделить на две группы: АЦП мгновенных значений напряжения. Так как операция усреднения предполагает интегрирования напряжения, то АЦП средних значений.

Преобразование  напряжения в цифровой код требует  использования трех независимых операций:

• дискретизации;
• квантования;
• кодирования.

      Процедура дискретизации непрерывного сигнала  представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения U(t) последовательность чисел U(t_n), где n = отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция U(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов U(t_n) – рис. 1.

      Квантование заключается в том, что мгновенные значения функции U(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция U(t) принимает вид ступенчатой кривой U_к(t) рис. 2.

      Кодирование осуществляет преобразование дискретных квантованных величин в цифровой код, т.е. последовательность цифр, подчиненную  определенному закону. С помощью  кодирования осуществляется условное представление численного значения величины.

      В основе дискретизации сигналов лежит  принципиальная возможность представления  их в виде взвешенных сумм

   где: a_n – некоторые коэффициенты или отчеты, характеризующие исходные сигнал в дискретные моменты времени t;

   f_n(t) – набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

      Дискретизация бывает равномерная и неравномерная. При равномерной дискретизации  период отсчетов Т остается постоянным, а при неравномерной может изменяться. Неравномерная дискретизация чаще всего обусловлена скоростью изменения сигнала и поэтому называется адаптивной. В основе равномерной дискретизации лежит теорема отсчётов, согласно которой в качестве коэффициентов a_n нужно использовать мгновенные значения сигнала U(t_n) в дискретные моменты времени t_n = T_n, а период дискретизации выбирают из условия Т = (2f_m)^-1 – теорема Котельникова.

      Рис. 1. Процесс дискретизации непрерывного сигнала 

      Рис. 2. График квантования сигнала 

      В отличие от дискретизации, которая  теоретически является обратимой операцией, квантование представляет собой  необратимое преобразование исходной последовательности и сопровождается появлением неизбежных погрешностей. Характеристика идеального квантования приведена на рис. 3. Разность между двумя соседними значениями квантованной величины называется шагом квантования К.

      По  существу, квантование представляет собой операцию округления непрерывной  величины до ближайшего целого значения. В результате максимальная погрешность квантования равна ± 0,5 К (см. рис. 2). Однако при преобразовании произвольного сигнала максимальная погрешность встречается сравнительно редко, поэтому в большинстве случаев для оценки качества АЦП используют не максимальную, а среднеквадратическую погрешность которая примерно в 3,5 раза меньше максимальной. В АЦП погрешность квантования определяется как единица младшего значения разряда.

      Выходной  величиной АЦП является цифровой код, т.е. последовательность цифр, с помощью которой представляются дискретные квантовые величины. В АЦП используют четыре основных типа кодов: натуральный двоичный, десятичный, двоично-десятичный и код Грея. Кроме этого, АЦП предназначены дня управления семисегментными индикаторами.

      Рис. 3. Определение дифференциальной нелинейности 

      Большинство АЦП работают с выходом в натуральном  двоичном коде, при котором каждому положительному числу N ставится в соответствие код: {b_i} = b₁ × b₂…b_n, где b_i равно нулю или единице. При этом положительное число в двоичном коде имеет вид

      Такой код называется прямым. Прямой код  пригоден лишь для работы с однополярными  сигналами. Полный диапазон преобразуемого сигнала равен 2ⁿ, а N_max. = 2^n-1. При использовании в АЦП двоично-десятичных кодов каждая значащая десятичная цифра представляется четырьмя двоичными знаками и содержит десять значений сигнала от 0 до 9. Так как при кодировании четырьмя двоичными значениями можно получить 16 кодовых значений, то приведенное двоично-десятичное представление не является единственным. Наиболее широко используют коды, в которых цифрам в тетрадях присваивают веса 8 – 4 – 2 – 1 или 2 – 4 – 2 – 1: 

b4	b3	b2	b1	или	b4	b3	b2	b1
8	4	2	1		2	4	2	1

Основные  характеристики АЦП

      АЦП оцениваются по их основным метрологическим  характеристикам, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

      К статическим характеристикам АЦП  относят: абсолютные значения и полярности входных сигналов, входное сопротивление, значения и полярности выходных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжений и токов источников питания, количество двоичных кии десятичных разрядов выходного кода, погрешности преобразования постоянного напряжения и др. К динамическим характеристикам АЦП относят: время преобразования, максимальную частоту дискретизации, апертурное время, динамическую погрешность и т.д.

      Рассмотрим  эти параметры более подробно. Основной характеристикой является разрешающая способность АЦП, которую принято определять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающую способность можно выражать в процентах, в количестве разрядов или в относительных единицах. Например, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (1024)^-1 » 10^-3=0,1%. Если напряжение шкалы для такого АЦП равно 10 В, то абсолютное значение разрешающей способности будет около 10 мВ.

      Точность  АЦП определяется значениями абсолютной погрешности, дифференциальной и интегральной нелинейности. Абсолютную погрешность АЦП определяют в конечной точке характеристики преобразования, поэтому ее называют погрешностью полной шкалы, а измеряют в единицах младшего разряда.

      Дифференциальную  нелинейность (PNL) определяют через идентичность двух соседних приращений сигнала, т.е. как разность напряжений двух соседних квантов PNL = h_i – h_i+1.  Определение PNL показано на рис. 3.

Интегральная  нелинейность АЦП (JNL) характеризует идентичность приращений во всем диапазоне входного сигнала (рис. 6). Она определяется по максимальному отклонению сглаженной характеристики преобразования от идеально прямой линии, т.е. JNL = U_i - U_i, (рис. 4).

      Рис. 4. Определение интегральной нелинейности 

      Время преобразования Т_пр обычно определяется как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого кода. Для одних АЦП это время постоянное и не зависит от входного сигнала, для других зависит. Если АЦП работает без устройства выборки и хранения, то время преобразования    является апертурным временем.

      Максимальная  частота дискретизации - частота, с  которой возможно преобразование входного сигнала, при условии, что выбранный параметр не выходит за заданные пределы. Иногда максимальную частоту преобразования принимают равной обратной величине времени преобразования.

   Принципы  построения АЦП

      АЩП мгновенных значений подразделяют на следующие основные виды: последовательного счета, последовательного приближения, параллельные, параллельно-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервале времени. Структурная схема АЦП последовательного счета (рис. 5) содержит компаратор, при помощи которого выполняется сравнение входного напряжения с напряжением обратной связи. На прямой вход компаратора поступает входной сигнал U_вх, а на инвертирующий - напряжение обратной связи. Работа преобразователя начинается с приходом импульса «ПУСК» от схемы управления, который замыкает ключ S. Через замкнутый ключ S импульсы U₁ от генератора тактовых импульсов поступают на счетчик, который управляет работой цифро-аналогового преобразователи (ЦАП). В результате последовательного увеличения выходного кода счетчика N происходит последовательно-ступенчатое увеличение выходного напряжения U₅ ЦАП. Когда выходное напряжение ЦАП сравняется с входным напряжением, произойдет переключение компаратора, и по его выходному сигналу «СТОП» разомкнется ключ S. В, результате импульсы от генератора перестанут поступать на вход счетчика. Выходной код, соответствующий равенству U_вх ⁼ U_s, снимается с выходного регистра счетчика.

      Графики, иллюстрирующие процесс преобразования напряжения в цифровой код, приведены на рис. б. Из этих графиков следует, что время преобразования зависит от уровни входного напряжения. При числе двоичных разрядов счетчика, равном n, и периоде следования счётных импульсов Т максимальное время преобразования можно определить по формуле

Т_пр = (2ⁿ – 1)Т.

      Уравнение преобразования АЦП последовательного  счета можно записать в виде

      КDU = U_вх,

   где 0 £ К £ n – число ступеней до момента сравнения; 

   DU – шаг квантования.

Структурная    схема АЦП   последовательного приближения (рис. 5) отличается от структурной схемы последовательного счета тем, что вместо счетчика импульсов включен регистр последовательных приближений РПП.

В основе РПП лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения преобразуемого напряжения U_вх с ½, ¼, 1/8 и т.д.  возможного максимального его значения U_m. Это позволяет для n - разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за п последовательных шагов (итераций) вместо (2^n-1) при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш по быстродействию.

      Рис. 5. Структурная схема АЦП последовательного  счета 

      На  рис. 5 приведена структурная схема, реализующая метод последовательных приближений. На каждом шаге производится определение одного разряда, начиная со старшего. При первом сравнении определяется, больше или меньше напряжение U_вх, чем U_m/2. На следующем шаге определяется, в какой четверти диапазона находится U_вх. Каждый последующий шаг сужает область возможного результата. При каждом сравнении компаратор формирует импульсы, соответствующие состоянию «больше - меньше» (1 или 0), управляющие регистром последовательных приближений.

      Рис. 6. Временные диаграммы процесса последовательного счета 
 
 
 
 
 
 

  Выбор схемы генератора  тактовых импульсов

   Генератор тактовых импульсов (ГТИ) служит для выработки последовательности импульсов.   Выбираем генератор на базовых логических элементах и–не. Схема ГТИ приведена ниже.

                                  Рис. 7. Генератор тактовых импульсов

   Исходные данные для выбора  элементов ГТИ:

1. Частота f=10⁴ Гц

б) Скважность 4

в) Длительность фронтов не более 1мкс

г) Амплитуда 3В 
 
 
 

Разработка  преобразователя  уровней (ПУ)

      Преобразователи уровней (ПУ) – специальные элементы цифровых устройств, предназначенные  для обеспечения совместимости уровней цифровых элементов различных серий. Иногда ПУ называют трансляторами уровней.

      При проектировании микроэлектронной аппаратуры на цифровых интегральных микросхемах (ИМС) на практике возникает необходимость в совместном использовании цифровых ИМС различных серий. Эти ИМС могут существенно различаться как конструктивно-технологическими, схемотехническими решениями, так и электрическими параметрами, вследствие чего они не могут сопрягаться непосредственно. ПУ позволяет обеспечить управление интегральным логическим элементом (ЛЭ) одной серии с помощью интегрального логического элемента другой серии, т. е. добиться электрического и временного сопряжении этих двух элементов.

Рис. 8. Схема логического элемента

      Каждый  ЛЭ характеризуется набором входных  и выходных статических и динамических параметров, некоторые из которых  показаны на рис. 19. К статическим  параметрам относятся: U_вх и U_вых – входное и выходное напряжения; U¹, U⁰ – уровни логической 1 и логического 0; I^1,0_вых, I^1,0_вых –  входные и выходные токи ЛЭ в состояниях логического 0 и логической 1 по входу и выходу; I_н - ток нагрузки; U_п⁺ - допустимая статическая помеха на нулевом уровне (помехозащищенность снизу) и U_п^- - допустимая статическая помеха на единичном уровне (помехозащищенность сверху).

      Средние значения этих параметров, пределы  их изменений и полярности у различных ЛЭ разные.

      Для удобства дальнейшего изложения  введем следующие обозначения: наименьшее и наибольшее значения некоторой  величины В обозначим  соответственно.

      На  рис. 9 представлена обобщенная структурная схема согласования элементов ЛЭ 1 и ЛЭ2 с различными типами логики и схемотехники. Основным элементом схемы согласования является

Рис. 9. Обобщенная структурная схема согласования элементов

      преобразователь уровня П2. Входной П1 и выходной ПЗ каскады обеспечивают согласование выходов ЛЭ1 со входом П2 и выхода П2 со входом ЛЭ2. В отличие от логических элементов, у которых значения уровней  входных и выходных сигналов, как  правило, совпадают, у ПУ значения входных  и выходных сигналов всегда различны. Это характерный признак ПУ. Поэтому для обеспечения полного сопряжения уровней ЛЭ1 и ЛЭ2 необходимо, чтобы входной каскад ПУ – П1 был реализован аналогично схеме выходного каскада ЛЭ1, точно так же выходной каскад ПУ – ПЗ должен быть реализован по схеме входного каскада ЛЭ2. Чтобы обеспечить выполнение этих условий для питания ПУ, необходимо одновременно использовать питающие напряжения как ЛЭ1, так и ЛЭ2.

        В общем случае, когда предполагается  изготовить ПУ в виде отдельной ИС или микросборки, желательно, чтобы ПУ содержал все три каскада П1 – Ш – ПЗ, так как при этом ограничения на длину связей между ПУ и цифровыми ИС с ЛЭ будут такими же, как для связей между цифровыми ИС в данной аппаратуре. Это в определенной степени облегчит конструирование электронных блоков аппаратуры.          

      Кроме обеспечения совместимости, уровней  сигналов ПУ должны удовлетворять специальным требованиям, например таким, как:

• сохранение преобразователем порогового, уровня управляющего элемента ЛЭ1 и уровней токов элементов ЛЭ1 и ЛЭ2;
• обеспечение преобразования уровней с логической инверсией (если на входе ПУ А, то на выходе или без инверсии;
• обеспечение заданных требований по нагрузочной способности и параметрам быстродействия.

      Обеспечение заданных требований по нагрузочной  способности сводится к реализации преобразования выходного логического уровня элемента ЛЭ1 во входной логический уровень элемента ЛЭ2 с заданным коэффициентом разветвления n (т.е. ПУ должен давать требуемый логический уровень для n элементов ЛЭ2, параллельно подключенных к выходу ПУ).

      Обеспечение заданных требований по параметрам быстродействия обычно сводится к тому, что ПУ не должен ухудшать быстродействие цифрового устройства, в котором он используется, т. е. задержка на переключение ПУ не должна быть больше задержки наиболее медленного из элементов ЛЭ1 и ЛЭ2.

Можно сформулировать общие правила построения ПУ, пригодные для большинства возможных вариантов преобразователей уровня :

• преобразователи уровней проектируются для конкретных схем с обязательным учетом выходных характеристик и параметров управляющего элемента, а также входных характеристик и параметров управляемого элемента;
• перепад логических уровней управляющего элемента должен быть достаточным для надежного функционирования преобразователей уровней;
• преобразователь уровней должен обеспечивать необходимые динамические параметры с учетом емкостных и активных нагрузок.

      По  схемотехнической реализации основных логических функций цифровые ИМС, наиболее распространенные в настоящее время, подразделяются на следующие группы:

• ИМС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ, ТТЛШ);
• ИМС эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ);
• ИМС на МДП транзисторах (КМДП-логика, р-МДП-логика, n-МДП-логика);
• ИМС на элементах инжекционной логики (И²Л).

   Преобразователь уровней ТТЛ ® КМДП

      На  рис. 10, а представлена простейшая схема преобразования уровней элемента ТТЛ-типа в уровни элемента КМДП-типа (ТТЛ ® КМДП). Первый каскад (на транзисторе VT₁) выполняет функции обычного инвертора-усилителя. Второй каскад (на транзисторах VT₂ и УТ₃) представляет собой обычный комплиментарный каскад. Чтобы этот каскад работал нормально, значения порогов U_пop транзисторов VT₂ и VT₃ должны удовлетворять условию