Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Цифро-аналоговый преобразователь

Введение

Аналоговые устройства обработки сигналов продолжают занимать важное место в промышленной электронике. Это объясняется тем, что большинство типов первичных преобразователей физических величин – датчики температуры, давления и пр. - являются источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы в объектах управления – электродвигатели, электромагниты и т.п. – управляются непрерывно изменяющимся электрическим током.

Сложные системы управления, основой которых являются цифровые вычислительные комплексы, сопрягаются с объектами управления и датчиками с помощью аналоговых и аналого-цифровых устройств. Всё это стимулирует ежегодное появление в мире многих десятков новых моделей аналоговых и аналого-цифровых интегральных схем (ИМС). С точки зрения технологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые (монолитные, твердотельные) – изготавливаемые целиком на одной пластине кремния и гибридные – у которых резисторы, конденсаторы и соединительные проводники изготавливаются методом пленочной технологии, а бескорпусные активные элементы в виде чипов приклеиваются на пассивную часть схемы. Гибридные ИМС дороги, менее надежны и применяются в тех случаях, когда отсутствуют монолитные ИМС с необходимыми параметрами. Поэтому большинство современных моделей ИМС монолитные.

История интегральных микросхем началась 12 сентября 1958 г., когда в лаборатории фирмы Texas Instruments Джеком Килон (JacK S. Kilby) был продемонстрирован генератор сигналов, изготовленный им на кусочке германия размером 11х1.5 мм. Прологом этого события явилось изобретение Джином Хорни (основателем фирмы Fairchild Semiconductor) пленарного транзистора. В 2000 году Дж. Килби за изобретение интегральной схемы был удостоен, совместно с российским физиком Ж.И. Алферовым Нобелевской премии по физике. Появление интегральной микросхемы было вызвано стремлением снизить стоимость и повысить надежность электронных устройств за счет параллельного изготовления в едином технологическом процессе как активных элементов (транзисторов и диодов), так и пассивных (резисторов и конденсаторов). Впоследствии оказалось, что совместное изготовление транзисторов позволило лучше согласовать характеристики, а это очень важно, например, для входных каскадов операционных усилителей. Расположение транзисторов в непосредственном тепловом контакте друг с другом обеспечило повышение температурной стабильности аналоговых схем, а микроскопические размеры и близость элементов друг к другу – повышение их быстродействия.

В двадцатилетней истории развитии технологии и схемотехники цифровых ИС (ЦИС) можно условно выделить четыре этапа:

Первый (60-е годы) – разработка базовых серий ЦИС малой степени интеграции, выполняющих простые логические функции. Такие ЦИС принципиально повысили надежность вычислительных устройств.

Второй этап (70-е годы) – разработка ИС средней степени интеграции, таких как счетчики, регистры, дешифраторы, матрицы ЗУ с числом эквивалентных элементов не более 1000. Функциональный состав разработанных на предыдущем этапе серий постоянно расширяется именно за счет таких ИС.

Массовое производство ЦИС малой и средней степени интеграции стало отправным пунктом для выпуска первых БИС с числом элементов до 10 тыс. Этот (условно – третий) этап относится к концу 70-х годов. Как пример можно вспомнить о широком распространении в то время карманных калькуляторов (простейших – школьных и программируемых - инженерных).

На четвертом, современном, этапе имеются имеются технологические возможности изготавливать серийно БИС с числом элементов, на порядок большим (и даже свыше 100 тыс). Таким количеством элементов весьма трудно распорядиться разработчику, даже оснащенного мощной системой машинного проектирования. Поэтому сейчас характерны различные БИС с повторяющейся, т.е. регулярной (например матричной) структурой. Обычно это запоминающие устройства ЗУ: постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ). Применяется и другой прием: на большом по размеру кристалле определяется несколько ранее оправдавших себя БИС. Получается так называемая «сверх - большая» БИС (СБИС). Эти СБИС могут быть однокристальными микро – ЭВМ. Весьма перспективны программируемые логические матрицы.

На протяжении этих четырех этапов достигли максимального совершенства ИС трех типов логики: транзисторно-транзисторной (ТТЛ) - универсальной, эмиттерно - связанной (ЭСЛ) – сверхскоростной и КМОП – экономичной. Появились так же БИС на перспективной биполярной логики, называемой интегрально инжекционной логикой.

Широкое распространение цифровых вычислителей в устройствах обработки текущих сигналов требует применение ИС как для прямого преобразования исходной аналоговой величины в соответствующий ей цифровой эквивалент, так и для обратного преобразования выходных цифровых данных в пропорциональные аналоговые уровни. Связь между аналоговыми и цифровыми сигналами осуществляется посредством АЦП. Обратное преобразование выполняется с помощью ЦАП (преобразователя цифра - аналог). Объясняется это тем, что первичная, исходная информация о различных физических величинах и процессах носит, как правило аналоговый характер. Использование полученных после цифровой обработки результатов так же в большинстве случаев требует их аналогового представления. Следовательно, любая система, использующая цифровые методы обработки информации, должна содержать устройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой сложное электронное устройство в интегральном исполнении с развитой внутренней структурой.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые коды, пригодными для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в аналоговые электрические сигналы в виде тока или напряжения с амплитудой, пропорционально измеряемой величине, а затем уже с помощью АЦП их переводят в цифровую форму.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжения – код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Важную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов и правила (протокол) обмена данными. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например микропроцессору, микроконтроллеру или цифровому процессору сигналов. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

Постепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройством выборки – хранения, АЦП со сложной цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченные однокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от многих датчиков и передачу их на микро – ЭВМ.

Так же появились современные средства обработки и передачи аналоговых сигналов, такие, как системы обработки речи, беспроводная и проводная связь, которые должны содержать в своем составе аналого – цифровые и цифро – аналоговые преобразователи, цифровые процессоры сигналов и фильтры. При современном развитии микро схемотехники естественно разместить если не на нее, то хотя бы часть перечисленных устройств, на одном кристалле. Устройства, в состав которых входят АЦП и ЦАП, а также схемы аналогового и цифрового интерфейса называют кодеками (Кодер / ДЕКодер).

К 80 годам в нашей стране в связи с большим развитием между уровнем теоретической и практической подготовки молодых специалистов в области вычислительной техники появилась необходимость в ликвидации компьютерной безграмотности. Было принято решение о проведение реформы профессионально – технического образования, на базе широкого внедрения электронно-вычислительной техники (ЭВТ) и введение в программу учебных заведений курса «Основы информатики и вычислительной техники», даже на непрофилирующих специальностях. Были созданы компьютерные классы и лаборатории ЭВМ, в которых учащиеся знакомились с принципом действия компьютера и его работой.

В свете вышеизложенного в данном курсовом проекте разрабатывается действующий макет, который может быть использован в учебном процессе – модуль аналого – цифрового преобразователя SHD-ADC/485.

Обоснование выбора схемы МАЦП

В данном курсовом проекте разрабатывается модуль аналого – цифрового преобразователя SHD - ADC/485, на базе которого изготовлены универсальная установка для исследования люминофоров и модуль преобразования аналогового сигнала для медицинских исследований. Сложности, связанные с установкой нестандартного оборудования на материнскую плату PC, привели к созданию модулей подключаемых к последовательному порту PC. Модуль SHD-ADC/485 работает на скорости передачи данных до 115200 бит/с. Это ограничение связано со скоростью работы порта PC. Взаимодействие модуля с PC организованно при помощи программного обеспечения, работающего в среде WINDOWS или DOS. Модуль разработан для решения конкретных задач. Применение модуля как АЦП и генератора ШИМ сигнала делает его универсальным устройством для многих применений. Дополнительно модуль оборудован узлом управления блоком питания Б5-49.

Модуль SHD-ADC/485 обеспечивает:

- преобразование аналоговых величин в цифровой код для последующего отображения на индикаторе или для передачи по интерфейсу RS-485 или RS-232;

- преобразование цифрового кода в аналоговую величину для управления устройствами, имеющими аналоговый вход управления;

- подачу ШИМ сигнала управления устройствами, имеющими вход ШИМ, дистанционное управление различными устройствами;

- управление блоком питания Б5-49.

Модуль SHD-ADC/485 является составной частью системы управления и может использоваться как в виде отдельного устройства, так и совместно с PC для управления различными объектами. Программирование модуля SHD-ADC/485 производится с помощью клавиатуры, путем занесения в ячейки памяти необходимой информации или PC при помощи программы настройки модуля.

Модуль предназначен для установки внутри помещения и рассчитан на круглосуточный режим работы. Что и обусловило выбор данной схемы.

Описание работы МАЦП по схеме электрической структурной

Модуль аналого-цифрового преобразователя состоит из 4 плат, соединенных между собой интерфейсными шлейфами через порты ввода / вывода.

Плата центрального процессорного устройства (ЦПУ) предназначена для решения задач управления периферийными платами и обработки информации. ЦПУ состоит и микропроцессора (МП) PIC16F874, последовательного интерфейса RS – 485, собранного на микросхеме MAX487 (последовательного интерфейса RS–232, собранного на микросхеме MAX232), энергонезависимой памяти на микросхеме 24LC16B, часов реального времени с будильником на микросхеме PCF8583P, стабилизатора напряжения, последовательных регистров сдвига с параллельным выводом информации. К ЦПУ подключаются три платы – платы индикации и клавиатуры, плата АЦП и плата управления блоком питания Б5-49. Плата ЦПУ спроектирована таким образом, что позволяет решать широкий круг задач. Адаптация платы под различные задачи является путем установки переключателей, установки необходимых микросхем и изменение программного обеспечения МП. Программным обеспечением определяются все основные пользовательские сервисные функции. Программное обеспечение (ПО) размещается в EEPROM МП PIC16F874.

Плата АЦП предназначена для согласования уровня сигналов и управления внешними устройствами. На плате АЦП расположены входные усилители, фильтры низкой частоты для уменьшения помех при измерениях, преобразователь напряжения для питания операционных усилителей, выходные 16 разрядного ШИМ, реле для управления внешними устройствами.

Плата индикации и клавиатуры предназначена для отображения информации и ввода данных с клавиатуры. Плата индикации и клавиатуры состоит из индикаторов и кнопочных микропереключателей.

Плата управления блоком питания Б5-49 предназначена для дистанционной установки выходного напряжения и тока стабилизации блока питания Б5-49 с РС. Она состоит из последовательных регистров сдвига для преобразования последовательно поступающих данных в параллельный код для управления ключами, собранными на транзисторах, и стабилизатора напряжения.

Необходимость модернизации схемы МАЦП

Модернизация схемы МАЦП производится путем замены микропроцессора (МП). Необходима замена для того, чтобы улучшить качество работы схемы: увеличить тактовую частоту работы процессора, уменьшить энергопотребление, увеличить быстродействие и для дальнейшей синхронизации с персональным компьютером (ПК).

Заменяется же МП БИС PIC16F871 на МП БИС PIC16F877, характеристики которых приведены ниже в качестве сравнения.

МП БИС PIC16F871 МП БИС PIC16F877

FLASH память программ до FLASH память программ до

2Кх14 слов 8Кх14 слов

Память данных (ОЗУ) до Память данных (ОЗУ) до

128х8 байт 368х8 байт

Тактовая частота 15 МГц Тактовая частота 20 МГц

ЭСППЗУ память данных до ЭСППЗУ память данных до

64х8 байт 256х8 байт

Диапазон рабочих напряжений Диапазон рабочих напряжений

питания от 2 до 5.5 вольт питания от 2 до 5.0 вольт

Из приведенных выше параметров видно, что МП БИС PIC16F877 превосходит МП БИС PIC16F871: выше тактовая частота, намного выше объем FLASH памяти и памяти данных (ОЗУ), шире диапазон рабочих напряжений.

Обоснование выбора элементной базы

модернизированной схемы МАЦП

Схема МАЦП построена на следующих микросхемах:

Память программ:

- байт 256

- отр/flash слов 8192х14 - ПЗУ слов -

- С ППЗУ байт 256

ОЗУ байт 368

Линии ввода/вывода 33

Тип корпуса 4OP, 44ML

44L, 44PT

Тактовая частота МГц 20

Аналоговая часть:

- канал АЦП 8х10 разр.

- компонаторов 2

Цифровая часть:

- ШИМ 10 разр. 2

- таймеров watch dog 1-16 разр.

2-8 разр.

- послед. вход/выход AUSART, MIGC

- - -- -- - - а-000-----0—000000000000-000000000000-

Рис.1 Условно – графическое обозначение микропроцессора БИС PIC16F877

Внутреннее ОЗУ, бит 256х8

Uпит., В 1,0…1,6

I потр. макс. мА:

- активный режим 0,2

- режим покоя 0,05

Стаб. Частоты х10^-6 внешняя

Траб., С⁰ 40..+85

Корпус DIP8, SO8

Рис. 2 Условно – графическое обозначение постоянного основного запоминающего устройства БИС PCF8583

Напряжение питания 3 – 8В

Максимальное выходное напряжение

низкого уровня ≤ 1В

Максимальное выходное напряжение высокого уровня ≥ 9В

Входная емкость при U_П= 10В

≤ 7,5пФ

Ток потребления при U_П = 10В

≤ 10мА

Максимальная частота следования импульсов тактовых

сигналов при U_П = 10В

≥ 25МГц

Время перехода при включении (выключении) при U_П= 10В

≤ 100нс

Рис. 3 Условно - графическое обозначение регистра БИС CD4094B

Кол – во циклов

записи/стирания 1м

Объем Кбит 16х(8)

Скорость записи 5мс

Fтакт. макс 400 МГц

Uпит. 2.5…4.5В

Траб. -40…+125 С^о

Корпус MSOP8, SOT23

Рис. 4 Условно – графическое обозначение перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства БИС 24LC16B

Макс. скорость передачи данных Мбит./с 0.25

Кол-во драйверов RS-485 1

Кол-во приемников RS-485 1

Кол-во станций 32

Режим микропотреб. тока, мА 500нА

Uпит., В:

- тип 5

- макс 12

I потр. (без нагр.):

- тип 0,12

- макс 0,65

Корпус DIP8

Рис. 5 Условно – графическое изображение приемопередатчика БИС MAX235

Макс. Скорость передачи данных

к/бит 120