Главная » Каталог

Разделы

Главная

Биология

Бухгалтерский учет и аудит

Право

Промышленность производство

Химия

Экономика

Информация

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ

Альбом документів курсового проекту по дисципліні

“Комп’ьютерна електроніка ”

АПЗ.38.098424.003 ДКП

Харків 2001

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою

ОТП

__________(Домнін

Ф.А.)

“_____”_________2001

р.

АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ

Відомість проекту

АПЗ.38.098424.003 ВП

Розробники

Керівник проекту

______(Скородєлов

В.В.)

“_____”_________2001

р.

Виконавець

______(Борщ С.)

“_____”_________2001

р.

Харків 2001

| |Зон|Поз| | |Кол. | |

| | | | | |в | |

| | | | | | | |

|Фор| | | | | | |

|мат| | | | | | |

| | | | | | | |

| | | | | | | |

| | | | |задание |2 | |

| | | | |записка |24 | |

| | | | |структурная |1 | |

| | | | |функциональная |1 | |

| | | | | | | |

| | | | | | |

|Изм|Лит|№ докум |Подпи|Дат|АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ |Лит |Лист |Листов|

| | | |сь |а |ПЕРЕТВОРЮВАЧ | | | |

|Разраб |Борщ С. | | | |К| | |2 |2 |

| |ов В | | | | |

| | | | | | |

|Утв. |Домнин | | | | |

| |Ф. А. | | | | |

Аннотация

В данном курсовом проекте разработан многоканальный быстродействующий

аналого-цифровой преобразователь, построенный по принципу прогрессирующего

поразрядного сравнения суммы опорных напряжений с входным сигналом, с

использованием резисторного моста Уина как источника "взвешенного" опорного

напряжения.

Разработка построена на быстродействующих компараторах и

быстродействующих аналоговых ключах для “взвешенного” сигнала с управлением

от однокристального микроконтроллера.

В связи с развитием технологии изготовления интегральных микросхем

данный проект предполагает изготовление АЦП в интегральном исполнении.

Альбом документов курсового проекта кроме пояснительной записки

вмещает также чертеж структурной и функциональной схемы устройства.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою

ОТП

__________(Домнін

Ф.А.)

“_____”_________2001

р.

АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ

Технічне завдання

АПЗ.38.098424.003 ТЗ

Розробники

Керівник проекту

______(Скородєлов

В.В.)

“_____”_________2001

р.

Виконавець

_______(Борщ С.)

“_____”_________2001

р.

Харків 2001

|Техническое задание |

| |

|Разработать быстродействующтий многоканальный АЦП с управлением от |

|микроконтроллера. |

| |

| | | | | | |

|Изм|Лит|№ докум |Подпи|Дат|Аналого цифровой |Лит |Лист |Листов|

| | | |сь |а |преобразователь | | | |

| | | | | | | | | |

|Разраб |Борщ С..| | | |К| | |2 |2 |

| |ов В. | | | | |

| | | | | | |

|Утв. |Домнин | | | | |

| |Ф. А, | | | | |

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кафедра обчислювальної техніки та програмування

УДК 681.3

Інв №

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою

ОТП

__________(Домнін

Ф.А.)

“_____”_________2001

р.

АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ

Пояснювальна записка

АПЗ.38.098424.003 ПЗ

Розробники

Керівник проекту

______(Скородєлов

В.В.)

“_____”_________2001

р.

Виконавець

_______(Борщ С.)

“_____”_________2001

р.

Харків 2001

|Реферат. |

| |

|Данный документ представляет собой пояснительную записку объемом 24 листа. В |

|пояснительной записке представлено 2 таблицы, 11 рисунков, использовано 8 |

|источников литературы и сеть Internet. |

|В данном курсовом проекте разработан многоканальный быстродействующий |

|аналого-цифровой преобразователь, построенный по принципу поразрядного |

|сравнения суммы опорных напряжений с входным сигналом, с использованием |

|резисторного моста Уина как источника "взвешенного" опорного напряжения. |

|Разработка построена на быстродействующих компараторах и быстродействующих |

|аналоговых ключах для “взвешенного” сигнала с управлением от однокристального|

|микроконтроллера. |

|В связи с развитием технологии изготовления интегральных микросхем данный |

|проект предполагает изготовление АЦП в интегральном исполнении. |

|Альбом документов курсового проекта кроме пояснительной записки содержит |

|также чертежи структурной и принципиальной схем устройства. |

| |

| | | | | | |

|Изм|Лит|№ докум |Подпи|Дат|Аналого цифровой |Лит |Лист |Листов|

| | | |сь |а |преобразователь | | | |

| | | | | | | | | |

|Разраб |Борщ С. | | | |К| | |2 |24 |

| |ов В. | | | | |

| | | | | | |

|Утв. |Домнин | | | | |

| |Ф. А. | | | | |

|Содержание |

| |

|Введение |

|1. Разработка структурной схемы устройства и обоснования принятых решений |

|Выбор и обоснование структурной схемы |

|Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства |

|Краткое описание работы схемы |

|Техническое обоснование выбора компонентов схемы |

|Описания принципа действия отдельных блоков |

|Коммутатор и усилитель входных сигналов |

|Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения |

|Источник опорного напряжения |

|Блок делителей опорного напряжения |

|Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами для "взвешенного сигнала"|

| |

|Схема управления на микроконтроллере |

|Алгоритм управления АЦП |

|Схема электрическая принципиальная |

|Расчет временных характеристик |

|Список использованной литературы |

|Заключение |

| |

| | | | | | |3 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

|Введение |

|Кроме чисто «цифрового» сопряжения (ключи, лампы и т. п.), часто требуется |

|преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала и|

|наоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессор|

|регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса,|

|или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения |

|традиционно аналоговой работы. 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. |

| |

| | | | | | |4 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

|РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ |

| |

|Выбор и обоснование структурной схемы |

| |

|В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, |

|приоритетными являются разработки предусматривающие интегральное исполнение. |

| |

|Исходя из этого, предлагается схема аналого- цифрового преобразователя, |

|обладающая в интегральном исполнениии (т.е. выполненная в одном кристалле) |

|более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так|

|как изготовления прецизионных конденсаторов интегральном исполнении является |

|сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных|

|цепей конденсаторы исключены. |

|По той же причине технологической сложности изготовления источника опорного |

|напряжения предлагается схема с использованием моста Уина (Вина). |

|Само ядро АЦП - схема на компараторах с суммированием опорного напряжения, |

|выбрана из-за отсутствия сложных схем тактирования и переключения, а |

|изготовление полупроводниковых резисторов и аналоговых ключей с заданными |

|параметрами технологически легко решаема. Использование микроконтроллера |

|оправданно возможностью программно компенсировать постоянную и |

|систематическую погрешности, что в конечном счете повышает точность |

|преобразования. |

|В данной разработке не рассматриваются: |

|а) принцип действия микроконтроллера; |

|б) программирование и способы обмена данными с внешними устройствами; |

|г) тестирование, методы настройки и проверки, |

|поскольку вышеперечисленное выходит за рамки темы. |

| |

| | | | | | |5 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|1.2 Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства |

| |

|Структурная схема АЦП (Рис 2) состоит из следующих блоков: |

|1. Аналоговый коммутатор; |

|2. Входной усилитель; |

|3. Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения; |

|4. Источник опорного напряжения; |

|5. Блок делителей опорного напряжения с аналоговыми ключами для "взвешенного |

|сигнала"; |

|6. Блок компараторов; |

|7. Схема управления на микроконтроллере. |

| |

| | | | | | |6 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

| | | | | | |7 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|1.3 Краткое описание работы схемы. |

| |

|Входные аналоговые сигналы подаются на входы аналогового мультиплексора AnS, |

|управляемого микроконтроллером МС. С выхода мультиплексора, через |

|широкополосный усилитель сигнал подаётся на вход блока компараторов CPM, |

|также усиленный сигнал подаётся на вход схемы автоматического переключения |

|полярности опорного напряжения AuS. |

|Со схемы источника опорного напряжения Uc опорное напряжение подаётся на блок|

|резисторных делителей с аналоговыми ключами RLin и далее на другой вход блока|

|компараторов. С выхода блока компараторов цифровой код, эквивалентный |

|входному измеряемому сигналу, по команде микроконтроллера MC записывается в |

|регистр RG, из которого считывается микроконтроллером для обработки и |

|передачи внешним устройствам. |

| |

|1.4 Техническое обоснование выбора компонентов схемы. |

| |

|В этом разделе рассматривается выбор компонентов для исполнения АЦП на |

|дискретных элементах. |

|Фирмы занимающиеся производством полупроводниковых компонентов предоставляют |

|широкий выбор быстродействующих полупроводниковых элементов: аналоговые |

|ключи, широкополосные операционные усилители, компараторы и т.д. К сожалению,|

|отечественная промышленность не производит компоненты с необходимыми |

|параметрами, поэтому в разработке использована продукция зарубежных |

|производителей. Так в качестве входного мультиплексора можно предложить |

|микросхему 74AC4051 позволяющую коммутировать сигналы с частотой до 100МГц. |

|Для аналоговых ключей в блоке делителей можно, к примеру, использовать |

|микросхемы IH5341 или более быстродействующие, так фирмой "Philips" |

|производятся аналоговые ключи с временем задержки до 2 наносекунд. |

| |

| | | | | | |8 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

|Имеется также широкий выбор широкополосных операционных усилителей |

|(см.таблицу 1). |

| |

|[pic] |

| |

| | | | | | |9 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

|Для схемы входного усилителя и высокоскоростных компараторов (см. таблицу 2).|

| |

|[pic] |

| |

| | | | | | |10 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|2. Описание принципа действия отдельных блоков. |

| |

|2.1. Коммутатор и усилитель входных сигналов. |

|Схема состоит из быстродействующего аналогового коммутатора, разрядность |

|которого определяет заказчик(увеличение числа разрядов увеличивает время |

|цикла АЦП, что снижает общее быстродействие схемы) и широкополосного |

|операционного усилителя(здсь приходится идти на компромисс мехду шумовыми |

|характеристиками, смещением нуля, точностью ОУ и максимальной широтой |

|пропускаания). За исключением того, что в данной схеме необходимо |

|использовать компоненты разработанные ведущими производителями |

|полупроводниковых элементов("Motorola", "Philips", "Advantech" и др.), |

|использованны стандартные схемы включения мультиплексора и усилителя. |

|Управление мультиплексором производится от микроконтроллера. |

| |

| | | | | | |11 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|2.2. Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения. |

|Схема состоит из "hight-speed"-компараторов и двух буферов, один из которых -|

|инвертирующий. Схема сравнивает полярность входного сигнала относительно |

|"измерительной земли", и при различной полярности воздействует на аналоговые |

|ключи К1 и К2 (Рис. ), изменяя полярность опорного напряжения относительно |

|"измерительной земли" на ту же, что имеет входной сигнал. |

| |

|2.3. Источник опорного напряжения |

| |

|Источник опорного напряжения использует свойство моста Уитстона - |

|стабильность тока разбаланса моста, при неизменных значениях сопротивлений |

|плеч моста, т.е. Ip=0 при R1*R3=R2*R4(см. Рис. 5 ). |

| |

| | | | | | |12 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|В качестве стабилизатора тока питания моста применина схема "токового |

|зеркала", где для задания коллекторного тока опорного транзистора |

|используется схема источника тока на полевом транзисторе(см. Рис. 6 ). |

| |

|Дополнительные резисторы совместно с аналоговыми ключами в верхних по схеме |

|плечах моста служат для переключения направления тока разбаланса моста, и |

|следовательно полярности опорного напряжения. |

|При температурном градиенте плеч моста, стремящемся к нулю,что решается |

|компактным расположением резисторов моста или интегральным исполнением, ток |

|разбаланса моста обусловливается только сопротивлением нагрузки моста, |

|которе в данной схеме постоянно. |

| |

| | | | | | |13 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|2.4. Блок делителей опорного напряжения. |

| |

|Блок делителей опорного напряжения представляет собой линейку резисторов с |

|отношением сопротивленя следующего резистора к предыдущему как 2/1, т.е. |

|сопротивление резистора R1(см. Рис. 7) равно сумме всех следующих резисторов |

|- R1=R2+R3+R4+R5+R6; сопротивление резистора R2=R3+R4+R5+R6 и т.д. |

|Соответственно напряжение в точке "a" будет равно половине опорного |

|напряжения, в точке "b" - четверти и т.д. |

| |

|2.5. Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами для "взвешенного |

|сигнала". |

| |

|Блок компараторов с аналоговыми ключами является ядром АЦП, именно он |

|производит преобразование аналогового сигнала в цифровой код.(Рис 8) |

|Преобразогвание аналогового сигнала в цифровой происходит непрерывно, т.е. |

|любое изменение входного сигнала, за исключением временных задержек схемы, |

|тотчас преобразуется в цифровой код. |

|Схема работает следующим образом. |

| |

| | | | | | |14 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

| | | | | | |15 |

|Из|Лит|№ докум |Подпи|Дат| | |

|м | | |сь |а | | |

| |

|Входной сигнал подаётся одновременно на входы всех компараторов. |

|Компаратор C1 сравнивает входной сигнал с половиной опорного напряжения, если|

|входной сигнал превышает половину опорного напряжения то на выходе |

|компаратора появляется высокий уровень, который вызывает включение аналоговых|

|ключей Kx.1, и следовательно подачу Uоп/2 на входы остальных компараторов, |

|также этот высокий уровень поступает на вход D1 регистра "RG". Компаратор C2 |

|сравнивает входной сигнал с одной четвёртой опорного напряжения, если входной|

|сигнал не превышает половины опорного напряжения, если превышает то |

|сравнивает с суммой 1/4 и 1/2 опорного напряжения. В любом из случаев если |

|входной сигнал превышает опорный(сумму опорных) компаратор C2 включает Uоп/4 |

|на входы последующих компараторов подаёт "1" на вход D2 регистра "RG", в |

|противном случае Uоп/4 не подаётся к последующим компараторам и на входе D2 |

|регистра "RG" "0". Аналогичным образом работают последующие каскады. |

|Вследствии того, что цифровой код на выходе преобразователя непрерывно |

|изменяется, отслеживая входной сигнал, то необходимая частота дискретизации |

|задаётся программно, с учётом временных задержек элементов схемы. |

|2.6. Схема управления на микроконтроллере. |

| |

|Схема управления на микроконтроллере состоит из регистра "RG" 74AC373 или |

|любого функционально аналогичного и однокристального микроконтроллера "MC" |

|типа SX28AC200 производства фирмы "SCENIX" с тактовой частотой 200МГц(см. |

|Рис. 9). |

| |

| | | | | | |17 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|Микроконтроллер после запуска по завершении программы теста и начальных |

|установок (см. алгоритм на рис. 10 ) выбирает мультиплексор AnS вход CE-, |

|выставляет на входах A0-A2 адрес канала I0 и сигналом OE- разрешает передачу |

|входного сигнала I0 на выход OUT мультиплексора, по истечении выдержки |

|времени неоходимой для установления кода на входах регистра "RG" |

|микроконтроллер даёт команду записи в регистр, из которого считывает данные |

|во внутренее ОЗУ, после чего следуют програмно-заданное кличество циклов |

|выдержки времени, записи в регистр и переноса в ОЗУ. Далее сигналом OE- |

|запрещается передача со входа I0 на выход мультиплексора, устанавливается на |

|входах A0-A2 адрес следующего канала и производится цикл преобразования и |

|считывания. По окончании цикла поледнего считывания канала микроконтроллер |

|производит завершение операций по обработке полученых значений и сохраняет |

|данные в буфере. Далее запрещается передача входного аналогового сигнала на |

|выход мультиплексора и если считан не последний канал, то инкрементируется |

|адрес канала мультиплексора и продолжается цикл чтения и преобразования. По |

|завершении цикла обработки последнего канала проверяется был ли запрос на |

|обмен от внешнего устройства, если да то производится обмен и очищается |

|буфер, иначе буфер проверяется на переполнение и при необходимости очищается,|

|после чего весь цикл повторяется. |

| |

| | | | | | |19 |

|Из|Лит|№ докум |Подпи|Дат| | |

|м | | |сь |а | | |

|3. Алгоритм управления АЦП. |

| |

| | | | | | |20 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|5. Расчет временных характеристик. |

| |

|Быстродействие схемы определяется временными задержками элементов схемы, и |

|расчитывается как сумма всех послеловательно включенных элементов в наименее |

|быстродействующей ветви схемы, умноженной на коэффициент 1.15, т.е. если |

|обработка сигнала производится параллельно несколькими участками схемы то за |

|основу для расчётов берётся участок имеющий наибольшее время задержки. |

|В данном случае обработка сигнала идёт по одной ветви и следовательно |

|задержка равна: |

|tALL=1.15*(tMX+tA1+6*tCMP+5*tSW+tCM1+tB+tK_SPP), |

|где |

|tMX - время задержки входного мультиплексора nS; |

|tA1 - время задержки входного усилителя nS; |

|tCMP - время задержки одного компаратора преобразователя nS; |

|5tSW - время задержки одного аналогового ключа преобразователя nS; |

|tCM1 - время задержки компаратора переключателя полярности nS; |

|tB - время задержки буферных элементов переключателя полярности nS; |

|tK_SPP - время задержки одного аналогового ключа переключателя полярности nS.|

| |

| | | | | | |22 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ |

| |

|П.Хоровиц, У. Хилл Искуство схемотехники 1 том. Москва «Мир» 1993. |

|П.Хоровиц, У. Хилл Искуство схемотехники 2 том. Москва «Мир» 1993. |

|П.Хоровиц, У. Хилл Искуство схемотехники 3 том. Москва «Мир» 1993. |

|Богданович М.И., Грель И.Н. “Цифровые интегральные микросхемы”. Минск |

|“Беларусь”, 1991. |

|Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. |

|Энергоатом издат 1988 |

|У. Титце, К. Шенк Полупроводниковая схемотехника. Москва «Мир» 1982. |

|ГОСТ 2.102-68. Виды и комплектность конструкторской докуметации. М.: 1988. |

|ГОСТ 2.105-79. Общие требования к текстовым документам. М.: 1988. |

|www.referatov.net |

|www.referat.ru |

|www.bankreferatov.ru |

| |

| | | | | | |23 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

| |

|Заключение |

| |

|В данном курсовом проекте разработано устройство ''Аналого цифровой |

|преобразователь с управлением от однокристалльного микроконтроллера, с |

|ориентацией на интегральное исполнение''. |

|Разработан основной алгоритм работы устройства, а также чертеж схемы |

|электрической принципиальной. |

|Разработка не является полностью завершённой, т.к. отсутствуют полный расчёт |

|элементов схемы, программа обработки сигнала для микроконтроллера, узлы и |

|прогаммы тестирования и юстировки. |

| |

| | | | | | |24 |

|Изм|Лит|№ докум|Подпи|Дат| | |

| | | |сь |а | | |

-----------------------

[pic]

??????????????????????????????????????????