Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

Сумской Государственный Университет

Кафедра Автоматики и Промышленной Электроники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по курсу: «Электронные системы»

по теме: «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной

системы»

ФЗ 51.6.090803.573ПЗ

Руководитель проекта Макаров М. А.

Проектировал студент Река Д. П.

группы ПЭЗ-51

Оценка работы

Члены комиссии:

Сумы 1999

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы 4

Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта 4

Определение технических требований к функциональным блокам аналогового

тракта 5

Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта 7

Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего

тракта 8

Выбор и расчет принципиальных схем 9

Заключение 11

Список использованных источников 12

ВВЕДЕНИЕ

Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство,

обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При этом

в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала,

подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с

целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала

к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение

определенного промежутка времени.

В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных

узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют

работой АЦП.

АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие

составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его

нормальное функционирование.

Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы

Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта

АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик – симметричный

выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить

дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот

усилитель согласующим (СУ).

Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код

получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда:

[pic],

где [pic]- максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, [pic]-

шкала АЦП.

Максимальная величина ЭДС [pic]датчика намного меньше шкалы АЦП,

поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее

чем:

[pic],

где [pic]- коэффициент запаса по усилению.

Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом

действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт

должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

[pic]

[pic]

[pic]

Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного

сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к

фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра

[pic], где [pic]- верхняя частота спектра сигнала датчика.

В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому

тип фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ

используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.

Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-

фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и

хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка

входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.

В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение

на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового

тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически

запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра

низких частот и хранит его в течение времени хранения [pic].

Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал

поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен быть

включен мультиплексор.

В итоге анализа всего вышесказанного структурная схема может быть

представлена так, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема аналогового тракта

СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 –

устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой

преобразователь.

Определение технических требований к функциональным блокам аналогового

тракта

Расчет технических требований будем производить в обратном порядке

прохождения аналогового сигнала.

В качестве УВХ используем те принцип действия, которых основан на

заряде емкости через ключ в течение интервала [pic], выборки и хранения

накопленного значения в течение времени [pic] после отключения ключа. В

качестве ключа используют как биполярные, так и полевые транзисторы.

Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшими характеристиками,

поэтому их применение предпочтительней.

Основными техническими характеристиками УВХ являются:

1. Коэффициент передачи в момент окончания выборки [pic]

2. Максимальные значения входного [pic]и выходного [pic] напряжений.

3. Входное [pic] и выходное [pic]сопротивления по аналоговому сигналу.

4. Относительные ошибки выборки [pic]и хранения [pic].

5. Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.

6. Напряжение источников питания УВХ.

В первую очередь зададимся [pic] и найдем максимальное значение

напряжения входного аналогового сигнала:

[pic]

Зная, что современные методы построения УВД дают возможность

реализации относительных ошибок [pic] и [pic]до [pic]и ниже, можно

установить требования к допустимой погрешности:

[pic]

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных

усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников

питания:

[pic];

[pic].

Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое

входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление

(менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:

[pic];

[pic].

Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в

задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения

[pic]

и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к.

управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем

[pic];

[pic].

При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот

являются:

1. Верхняя граничная частота [pic].

2. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.

3. Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.

4. Коэффициент передачи [pic]по напряжению в полосе пропускания.

5. Входное [pic] и выходное [pic] сопротивления.

6. Напряжение источников питания.

При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе

пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.

Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.

Фильтры Баттерворта, выполненные на ОУ, имеют [pic]. В нашем случае

зададимся [pic]. Исходя из этого, можно определить требования к

максимальной величине входного напряжения:

[pic]

Входное сопротивление выберем [pic], а выходное определим по формуле:

[pic]

Напряжение источников питания выберем таким же, как и для устройства

выборки и хранения.

Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом

усиления разностного сигнала не менее чем

[pic]

Этот коэффициент изменяется в пределах [pic], т.е.

[pic]

Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем

[pic]

Входное сопротивление [pic]выберем из соотношения:

[pic]

Выходное сопротивление согласующего усилителя

[pic]

Напряжения источников питания выберем таким же, как и для остальных

блоков аналогового тракта.

Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта

Рисунок 2. Структурная схема управляющего тракта.

Для генерации импульсов выборки используем генератор сигналов

прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают на управляющий

вход УВХ.

В соответствии с заданием на проект за время хранения АЦП должен

обработать сигналы с выходов 4 датчиков. Для управления мультиплексором,

выполняющим переключение между датчиками используем счетчик (СТ). Два

первых выхода счетчика подключены к адресным входам мультиплексора. Для

генерации импульсов на запуск АЦП используем генератор запускающийся по

заднему фронту импульса выборки (Г2). Этот генератор за время хранения

должен выработать 4 импульса длительностью [pic] с интервалом [pic].

Рисунок 3. Временные диаграммы.

В соответствии с заданием на проект пуск АЦП должен происходить

спустя время [pic] после окончания импульса выборки. Для осуществления

задержки используем генератор генерирующий импульс длительностью [pic], по

заднему фронту импульса от Г2,.

Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта

Для реализации узлов управляющего тракта наиболее удобно использовать

микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы на основе этой технологии имеют

достаточное быстродействие, низкое энергопотребление и наиболее удобный (в

данной ситуации) набор логических функций.

Согласно заданию на проект амплитуда импульсов пуска АЦП составляет

8(12 В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ

не превышает 5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению

импульса пуска АЦП.

Для реализации генераторов импульсов выборки и пуска АЦП используем

генераторы импульсов прямоугольной формы на основе мультивибраторов. Для

реализации генератора задержки используем схему задержки на

мультивибраторах.

Для питания узлов управляющего тракта потребуется напряжение:

[pic]

Выбор и расчет принципиальных схем

Согласующий усилитель

Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему

представленную на рисунке 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема согласующего усилителя

Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями

выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:

[pic]

Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель К153УД2:

[pic]

Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент

усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а

коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице. В

этом случае резисторы R5(R8 получаются одного номинала, что облегчает их

подбор.

Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.

Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:

[pic]

По паспортным данным[pic], отсюда примем[pic].

Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления

резисторов R1 и R2. Примем его равным [pic]. Тогда номиналы резисторов R3

и R4 определим по формуле:

[pic]

Зная требуемый минимальный коэффициент усиления согласующего

усилителя [pic], рассчитаем максимальное суммарное сопротивление

резисторов R1 и R2:

[pic]

Исходя из максимального коэффициента усиления [pic], определим

минимальное значение суммарного сопротивления резисторов R1 и R2.

[pic]

Номинал резистора R1 определим из стандартного ряда, по ближайшему

меньшему значению [pic].

[pic]

Номинал резистора R2 определим по формуле:

[pic]

Подберем ближайший номинал из стандартного ряда [pic].

Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по

формуле:

[pic]

Оценим напряжение ошибки на выходе каскада, обусловленной дрейфом

напряжений смещений нуля и разностных входных токов.

Сравним напряжение ошибки с [pic]

Фильтр низких частот

Рисунок 5. Фильтр низких частот

Устройство выборки-хранения

Рисунок 6. Устройство выборки и хранения

Заключение

Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны

цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется

микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных

конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают

создавать микросхемы с более высокой степенью интеграции, предназначенные

для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки

и хранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов

разрабатывают операционные узлы в виде БИС, способные обрабатывать

аналоговую информацию без преобразования ее в цифровую форму.

Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего

нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные

роботы.

В области преобразования данных основной движущей силой является

стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное

значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону

технологии КМДП, разработка преобразователей специального назначения и

использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции

погрешностей.

Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода

информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств,

которые необходимы в микро-ЭВМ.

Список использованных источников

1. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи»

по теме «Проектирование канала сбора аналоговых данных

микропроцессорной системы» /Сост. А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.

2. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных

интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.

3. Микропроцессоры: В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и

информационно-управляющие системы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В.

Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш.

Шк., 1986.

4. Цифровые и аналоговые интегральные схемы: Справ. Пособие / С.В.

Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.; Под ред. С.В.

Якубовского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985.

5. Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) - М. Патриот, 1993.