Министерство образования Российской Федерации
Уральский Государственный технический университет
Кафедра Автоматика и управление в технических системахАЦП с промежуточным буфером при высокойскорости поступления данных
Екатеринбург 2008
Реферат
Нами была разработана система аналого-цифровогопреобразования быстроизменяющегося аналогового сигнала в параллельныйвосьмиразрядный код, система преобразования параллельного цифрового кода впоследовательный цифровой код, а так же система управления даннымпреобразователем. Были разработаны структурная и принципиальная схемы системы.
Разработанная система позволяет измерятьвходное напряжение в диапазоне Uвх = –2,5… 2,5 В спогрешностью ±0,01 В. Также предусмотренасхема защиты входа АЦП от перегрузок.
Генератор тактовых импульсов выдает сигнал счастотой f = 1 МГц, что позволяет производить 100.000 измерений всекунду (по десять тактов на измерение). Высокая скорость позволяет измерятькратковременные изменения напряжения.
В схеме предусмотрен временный буфер дляхранения данных и преобразователь параллельного кода в последовательный, чтодает возможность передавать данные по линии связи (например на компьютер) дляих дальнейшей обработки.
Система управления позволяет синхронизироватьработу всей схемы. Она управляет работой микросхем подавая сигналы управления вопределенное время соответствующим микросхемам.
Данная система преобразования может бытьиспользована во многих устройствах и системах измерения, где требуется высокаяскорость измерения при достаточно малой погрешности измерения.
Схема содержит достаточно хорошораспространенные элементы и микросхемы, и может быть собрана в ручную. Схемасодержит элементы подстройки.
Проект содержит 20 стр., 3 табл., 11 рис., 1стр. приложения, 8 назв. библ.
Введение
В наше время большое распространение получили цифровыесистемы обработки сигналов. Для этого необходим преобразователь аналоговогосигнала в цифровой код.
В данном проекте необходимо разработать быстродействующийаналого-цифровой преобразователь с временным буфером для хранения данных ипреобразователь параллельного цифрового кода в последовательный цифровой код.Так же необходимо разработать систему управления данным преобразователем.
Данный курсовой проект посвящен разработкеструктурной и принципиальной схем такого преобразователя.
1. Структурная схема
Структурная схема преобразователя аналоговогосигнала в последовательный код содержит следующие элементы:
ОУ – схема включения согласующего операционногоусилителя
АЦП – аналого-цифровой преобразователь(преобразователь аналогового сигнала в параллельный восьмиразрядный код)
ПК – преобразователь параллельноговосьмиразрядного кода в последовательный
ГТИ – задающий генератор тактовых импульсов
УУ – устройство управления преобразователем
/>
Рис. 1. Структурная схема преобразователя
где
АС – аналоговый сигнал (напряжение Uвх)
САС – согласованный аналоговый сигнал
ПВК – параллельный восьмиразрядный код
ЦК – цифровой код (последовательный код)
ИС – импульсы синхронизации (тактовые импульсы)
ИУ – импульсы управления
2. Принципиальная схема
На основе структурной схемы была разработанапринципиальная схема.
2.1 Выбор основной элементной базы
Генератор тактовых импульсов строится намикросхеме К155ЛА3 и кварцевом резонаторе ZQ1.
Счетчик импульсовпредставляет из себя микросхему К555ИЕ9.
Устройство управлениястроится на логических элементах – микросхемы К555ЛН1, К555ЛИ6 и К555ЛА2.
В качестве АЦП возьмеммикросхему К1108ПВ1А.
Преобразовательпараллельного кода в последовательный построим на микросхеме К555ИР9.
Схема сопряжения содержитоперационный усилитель типа К574УД1.
В качестве линии связииспользуется 2-х проводная витая пара типа МГТФ.
Перечень элементовпредставлен в приложении.
2.2 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Мы используем микросхему быстродействующегофункционально законченного АЦП последовательного приближения К1108ПВ1Апредназначенную для преобразования аналогового сигнала в двоичный параллельныйцифровой код.
Микросхема рассчитана на преобразованиеоднополярного входного напряжения в диапазоне от 0 до 3 В, при максимальнойчастоте преобразования 1,33 МГц для восьмиразрядного режима.
Для работы АЦП К1108ПВ1А требуется нескольковнешних керамических конденсаторов и источники напряжения Ucc1 = 5 В ± 5% и Ucc2 = -5,2 В±5%. Мощность потребляемая от источников питания, непревышает 0,85 Вт. Конденсатор С9 необходим для частотной коррекции ОУ ифильтрации помех.
Для работы в восьмиразрядном режиме вход SE10/8соединяется с шиной отрицательного источника питания Ucc2.
Цикл преобразования в режиме восьмиразрядногоАЦП состоит из 10 тактов (восемь рабочих в процессе кодирования и по одномуслужебному в начале и конце цикла преобразования).
Цикл начинается с первым отрицательным фронтомтактового импульса после поступления команды ST. Во время первогослужебного такта осуществляется сброс регистров и установление напряжения навходе селектора опорных уровней.
В течение следующих восьми тактов происходиткодирование аналогового сигнала при условии, что он зафиксирован на входе АЦП.
На десятом такте код из регистра храненияпереписывается в выходной регистр, после чего формируется сигнал готовностиданных. Появление на выходе RAD сигнала логический 0 свидетельствует о смене информации ввыходном регистре и ее хранении весь следующий цикл преобразования.
Для считывания информации необходимо подать навход ERD сигнал логический 0.
Запуск АЦП считается устойчивым, если сигнал ST подается втечение одного периода тактовой частоты с момента начала очередного цикла (t = 1 мкс).
К ТТЛ ЦИС микросхема К1108ПВ1А подключается бездополнительных устройств сопряжения.
/>
Рис. 2. ИС К1108ПВ1А
Назначение выводов ИС К1108ПВ1А
1. Цифровой выход CP
2. Цифровой выход
3. Цифровой выход
4. Цифровой выход
5. Цифровой выход
6. Цифровой выход
7. Цифровой выход
8. Цифровой выход
9. Цифровой выход
10. Цифровой выход MP
11. Готовность данных RAD
12. Напряжение питания Ucc2
13. Укороченный цикл SE10/8
14. Общий (цифровая земля)
15. Напряжение питания Ucc2
16. Коррекция СУ EC1
17. Аналоговый вход UIRN
18. Внешний ИОН UREF
19. Коррекция ОУ ИОН FC2
20. Общий (аналоговая земля)
21. Напряжение питания Ucc1
22. Запуск ST
23. Тактовый вход CLK
24. Разрешение считывания ERD
Микросхема К1108ПВ1А имеет следующиехарактеристики
(Ucc1 = 5,25 В; Ucc1 = -5,25 В; U1вых ³ 2,4 В; U0вых £ 0,4 В;Iпотр сс1 £ 50 мА;
Iпотр сс2 £ 130 мА; I0вх £ 2,5 мА; I1вх £ 0,4 мА; I0вых ³ 3,2 мА; I1вых ³ 0,1 мА; tздр £ 60 нс)
Потребляемая мощность микросхемы К1108ПВ1Аравна: Pпотр£850 мВт
2.3 Преобразователь параллельного кода впоследовательный код
Для этой цели используется восьмиразрядныйсдвиговый регистр К555ИР9 (DD6). Этот регистр позволяет записывать параллельныйвосьмиразрядный код. Преобразование параллельного кода в последовательныйпроисходит за восемь тактов подаваемых на синхронизирующий вход С. Напервом такте подаваемом на вход С параллельный восьмиразрядный код записываетсякак Q0¸Q7 (Qi – состояние выхода i-го разряда), для этогоподаем низкий потенциал на вход ®WR переключая тем самым регистр в режим записи. На первомтакте значение Q7 передается навыход. На втором такте подаваемом на С параллельный код Q0¸Q7 сдвигается на один разряд Q0®Q1, Q1®Q2, …, Q6®Q7. Последовательный вход D® заземляем, поэтомув первый разряд записывается нуль (Q0= 0). На выходепоявляется следующий импульс. За восемь тактов весь код выходит из регистрапоследовательно. Вывод DE не используем и тоже заземляем.
/>Рис. 3. ИС К555ИР9Назначение выводов ИС К555ИР9
1. Запись-чтение ®WR
2. Тактовый вход C
3. Вход D4
4. Вход D5
5. Вход D6
6. Вход D7
7. Инверсный выход Q7
8. Общий GND
9. Прямой выход Q7
10. Последовательный вход D®
11. Вход D0
12. Вход D1
13. Вход D2
14. Вход D3
15. Задержка такта DE
16. Питание Ucc
Таблица истинности ИС К555ИР9
Таблица 1Входы Выходы WR DE C D® D0-D7 Q0 Q1 Q7 L X X X d0-d7 d0 d1 d7 H L L X X Q00 Q10 Q70
/>H L H X H Q0n Q6n
/>H L L X L Q0n Q6n H H X X X Q00 Q10 Q70
Микросхема К555ИР9 имеет следующиехарактеристики
(Ucc = 5,25 В; U1вых ³ 0,5 В; U0вых ³ 2,4 В; Iпотр £ 20 мА; I0вх £ 0,4 мА; I1вх £ 0,02 мА;
I0вых ³ 8 мА; I1вых £ -2,6 мА; tздр £ 65 нс)
Потребляемая мощность микросхемы К555ИР9 равна:Pпотр = 105 мВт
2.4 Схема включения согласующегооперационного усилителя
Мы используем схему подключения согласующегооперационного усилителя для преобразования двухполярного входного напряжения. Вней используется инвертирующий режим усиления (по отношению к Uвх) и диодная схем защиты АЦП при перегрузках. Напряжение навходе АЦП связано с входным сигналом следующим соотношением
UIRN = – K×Uвх + (1 + K)×UREF1
где K = R4/(R5 + R6) – коэффициентпередачи усилителя
UREF1 – опорноенапряжение на не инвертирующем входе ОУ (задается делителем R1-R3)
В нашем случае для диапазона преобразования Uвх = ±2,5В выбираются К = 0,58 иопорный уровень UREF1 = 0,905 В (при UREF= 2,5 В). Настройка коэффициента передачи осуществляется сопротивлениемрезистора R5, после чего резистором R2 устанавливается нуль насередину передаточной характеристики АЦП.
При Uвх =2,5В на АЦПпоявляется выходной код 00..00, а при Uвх=-2,5В – код 11..11.
Таким образом, на выходе преобразователяполучаем обратный смещенный двоичный код.
Схема защиты входа АЦП от перегрузок работаетследующим образом. Диоды VD1 и VD2, включенные параллельно резистору обратной связи R4, образуютдвухсторонний ограничитель. Диод VD4 и стабилитрон VD3, смещенные постоянным током от источников 15 и –15В,задают уровни ограничения в отрицательной и положительной областях(относительно UREF1).
Диод VD5 обеспечивает защиту входа АЦП в случае отключенияисточников питания ОУ или выхода его из строя.
Данная схема включения согласующего ОУуниверсальна и позволяет использовать АЦП К1108ПВ1А в режиме максимальногобыстродействия. При работе БИС АЦП с быстродействующим ОУ типа К574УД1,тщательном монтаже и оптимальной схеме коррекции ОУ время установленияпроцессов в согласующей схеме на уровне 0,1% не превышает 1 мкс.
/>
Рис. 4. Схема включения согласующего ОУ
В данной схеме используются следующие элементы:
VD1,VD2,VD4,VD5– диоды типа КД520А
VD3– стабилитрон типа КС133А
А – операционный усилитель типа К574УД1
Операционный усилитель типа К574УД1 имеетследующие характеристики
Ucc = ±15 В; Uвых ³ 10 мВ; Iвх £ 0,5 нА; Iпотр £ 10 мА
Потребляемая мощность составляет Pпотр = 150 мВт
2.5 Схема управления АЦП и преобразователякода
Схема управления (устройство управления)состоит из трех частей:
1. Генератор тактовых импульсов на кварцевомрезонаторе
2. Двоично-десятичный счетчик
3. Схема управления на логических элементах «НЕ»,«И» и «И-НЕ»
Для схемы управления мы используем следующиемикросхемы: К555ИЕ9, К555ЛИ6, К555ЛН1, К555ЛА2 и К155ЛА3.
С генератора импульсов идут такты стабильной частоты. Ониподаются на вход синхронизации двоично-десятичного счетчика. Счетчик производитсчет от нуля до девяти. Полученный с выхода счетчика четырехразрядный код подаетсяна логические элементы. Первый импульс подается на вход запуска АЦП приводя егов состояние готовности. Далее восемь тактов АЦП преобразует аналоговый сигналсо входа в параллельный восьмиразрядный код, а регистр в свою очередьпреобразует параллельный восьмиразрядный код предыдущего цикла впоследовательный код и выдает его в линию связи. На десятом такте с логическихэлементов идет сигнал на считывание кода с выхода АЦП и одновременно нарегистр, для считывания следующего параллельного восьмиразрядного кода.
Все микросхемы синхронизированы одним тактовымгенератором.
2.5.1 Генератор тактовых импульсов
В качестве генератора тактовых импульсовиспользуем кварцевый автогенератор. Генератор строим на трех элементах «И-НЕ».Кварцевый генератор обеспечивает высокостабильный сигнал. Нестабильностьвыходного сигнала не превышает ±(5¸10)×10-6 винтервале температур 10¸40 0С. АЦП ввосьмиразрядном режиме может работать на частоте до 1,3 МГц. Подберем такиеемкости и резисторы, чтобы обеспечить нужную частоту. В нашем случае частотабудет равна f = 1 МГц.
/>
Рис. 5. Генератор тактовых импульсов
Так как на вход CLK АЦП нужно подаватьинвертированный сигнал то он подключается к первому выходу генератора, а всеостальные – ко второму выходу.
В схеме используются логические элементы «И-НЕ»микросхемы К155ЛА3, которые имеют следующие характеристики:
Назначение выводов ИС К155ЛА3
1. Вход данных
2. Вход данных
3. Выход данных
4. Вход данных
5. Вход данных
6. Выход данных
7. Общий GND
8. Выход данных
9. Вход данных
10. Вход данных
11. Выход данных
12. Вход данных
13. Вход данных
14. Питание Ucc
/>
Рис. 6. ИС К155ЛА3
(Ucc = 5,25 В; U1вых ³ 2,4 В; U0вых £ 0,4 В; Iпотр £ 8,5 мА; I0вх £ 0,04 мА; I1вх £ 0,25 мА;
I0вых ³ 8 мА; I1вых £ -0,4 мА; tздр £ 19 нс)
Потребляемая мощность для одного логическогоэлемента «И-НЕ» равна: Pпотр = 44,625 мВт
Суммарная потребляемая мощность микросхемыК155ЛА3 равна:
Pпотр сум = 178,5 мВт2.5.2Счетчик импульсов
Используем микросхему К555ИЕ9 (DD7)четырехразрядный двоично-десятичный счетчик с асинхронным сбросом, дешифрующимсчетным выходом, с возможностью асинхронной установки в произвольное состояниеот нуля до девяти.
Данный счетчик является составной частьюсистемы управления АЦП и преобразователя параллельного кода в последовательный.Его задача состоит в счете от 0 до 9, преобразование последовательноститактовых импульсов в параллельный четырехразрядный код, для последующегопреобразования его ТТЛ логикой в сигналы управления.
Тактовые импульсы подаются с генератора на входС. Он работает по переднему фронту входного импульса (0®1). Так как счетчик работает постоянно, то нас неинтересует какое значение установится при его запуске, т.е. предварительныйсброс счетчика в ноль не требуется, поэтому на вход R подадим потенциалвысокого уровня.
Предварительная запись значения в счетчик повходам D1, D2, D3, D4 нас не интересует поэтому необходимо эти выводымикросхемы заземлить. Так как нет предварительной записи, то не требуется ивход разрешающий предварительную запись V2. На этот вывод подадимпотенциал высокого уровня.
Вывод P2 выдает высокий уровень напряжениячерез каждые десять тактов, когда значение в счетчике равно девяти (Q1 = Q4 = 1; Q2 = Q3 = 0). Внашей схеме мы его не используем.
Вывод P1 используется для разрешения переносаимпульса в следующий каскад (если соединяются несколько счетчиковпоследовательно). У нас только один счетчик поэтому на вывод P1 должнопостоянно подаваться напряжение высокого уровня. На вход разрешения счета V1 так жедолжно подаваться напряжение высокого уровня.
Выводы P1, V1, V2, R – подаемвысокий уровень напряжения
Выводы D1, D2, D3, D4 – заземляем
Назначение выводов ИС К555ИЕ9
1. Вход «установка L» R
2. Вход синхронизации С
3. Вход информационный D1
4. Вход информационный D2
5. Вход информационный D3
6. Вход информационный D4
7. Вход разрешения счета V1
8. Общий GND
9. Вход разрешения предварительной записи V2
10. Вход разрешения переноса P1
11. Выход четвертого разряда Q4
12. Выход третьего разряда Q3
13. Выход второго разряда Q2
14. Выход первого разряда Q1
15. Выход переноса
16. Питание Ucc
/>
Рис. 7. ИС К555ИЕ9
Таблица 2. Таблица рабочих состояний ИС К555ИЕ9 Входы Выходы Состояние R V2 V1 P1 C D1-D4 Q1-Q4 L X X X X X L Установка в L H L X X D D Предварит. запись H H H H X Y+1 Счет (+1) H H L X X X Q (n-1)
Запрет счета
(хранение) H H X L X X
где Y – двоичный код предыдущего состояния
Таблица 3. Таблица истинности ИС К555ИЕ9 Вход Выходы P1 Q4 Q3 Q2 Q1 P2 L H X X H L H H X X H H X Любой код меньше 9 L
Микросхема К555ИЕ9 имеет следующиехарактеристики
(Ucc = 5,25 В; U1вых ³ 2,7 В; U0вых £ 0,5 В; Iпотр £ 31 мА; I0вх ³ -0,4 мА; I1вх £ 0,02 мА;
I0вых ³ 8 мА; I1вых £ -0,4 мА; tздр £ 39 нс)
Потребляемая мощность микросхемы К555ИЕ9 равна:Pпотр = 162,75 мВт
2.5.3 Устройство управления на логическихэлементах
Четырехразрядный код с двоично-десятичногосчетчика подается на логические элементы. Если код равен нулю, то срабатываетпервый элемент «И» (DD3.1) и импульс подается на АЦП, на вход запуска ST. Так как сэлемента «И» (DD3.1) импульс идет не инвертированный, то перед ST необходимопоставить инвертор – логический элемент «НЕ» (DD2.5).
Если на выходе счетчика появляется код равный девяти,то срабатывает второй элемент «И» (DD3.2). Подаем импульс с выхода «И» (DD3.2) сразу на пятьвходов элемента «И-НЕ» (DD4). Это совпадает с выходом на выводе RAD АЦПлогического нуля. Инвертируем этот импульс элементом «НЕ» (DD2.6) и подаемна три оставшихся входа элемента «И-НЕ» (DD4). Инвертированныйимпульс подается сразу на два вывода, на вывод ERD считывания данных сАЦП и вывод записи ®WR регистра.
/>
Рис. 8. Устройство управления налогических элементах
Устройство управления на логических элементахсодержит следующие микросхемы: К555ЛН1, К555ЛИ6, К555ЛА2
/>
Рис. 9. ИС К555ЛН1
Назначение выводов ИС К555ЛН1
1. Вход данных
2. Выход данных
3. Вход данных
4. Выход данных
5. Вход данных
6. Выход данных
7. Общий GND
8. Выход данных
9. Вход данных
10. Выход данных
11. Вход данных
12. Выход данных
13. Вход данных
14. Питание Ucc
Микросхема К555ЛН1 (инвертор) имеет следующиехарактеристики
(Ucc = 5,25 В; U1вых ³ 2,7 В; U0вых £ 0,5 В; Iпотр £ 2,4 мА; I0вх ³ -0,36 мА; I1вх £ 0,02 мА;
I0вых ³ 8 мА; I1вых £ -0,4 мА; tздр £ 28 нс)
Потребляемая мощность для одного логическогоэлемента «НЕ» равна:
Pпотр = 12,6 мВт
Суммарная потребляемая мощность микросхемыК555ЛН1 равна:
Pпотр сум = 75,6 мВт
/>
Рис. 10. ИС К555ЛИ6
Назначение выводов ИС К555ЛИ6
1. Вход данных
2. Вход данных
3. Выход данных
4. Вход данных
5. Вход данных
6. Не используется
7. Общий GND
8. Выход данных
9. Вход данных
10. Вход данных
11. Не используется
12. Вход данных
13. Вход данных
14. Питание Ucc
Микросхема К555ЛИ6 имеет следующиехарактеристики
(Ucc = 5,25 В; U1вых ³ 2,7 В; U0вых £ 0,5 В; Iпотр £ 2,4 мА; I0вх ³ -0,36 мА; I1вх £ 0,02 мА;
I0вых ³ 8 мА; I1вых £ -0,4 мА; tздр £ 24 нс)
Потребляемая мощность для одного логическогоэлемента «И» равна:
Pпотр = 12,6 мВт
Суммарная потребляемая мощность микросхемыК555ЛИ6 равна:
Pпотр сум = 25,2 мВт
Назначение выводов ИС К555ЛА2
/>
Рис. 11. ИС К555ЛА2
1. Вход данных
2. Вход данных
3. Вход данных
4. Вход данных
5. Вход данных
6. Вход данных
7. Общий GND
8. Выход данных
9. Не используется
10. Не используется
11. Вход данных
12. Вход данных
13. Не используется
14. Питание Ucc
Микросхема К555ЛА2 имеет следующие характеристики
(Ucc = 5,25 В; U1вых ³ 2,7 В; U0вых £ 0,5 В; Iпотр £ 0,5 мА; I0вх ³ -0,4 мА; I1вх £ 0,02 мА;
I0вых ³ 8 мА; I1вых £ -0,4 мА; tздр £ 28 нс)
Потребляемая мощность микросхемы К555ЛА2 равна:
Pпотр = 2,625 мВт
Общая потребляемая мощность устройствауправления на логических элементах равна: Pпотр рез = 103,425 мВт
3. Конструктивноеисполнение системы
Все микросхемы и элементысистемы преобразования и управления монтируются на стандартной печатной плате.В качестве материала для печатной платы используется фольгированный текстолитлибо гетинакс.
Питание в виде +5,25 В,-5,25 В, +15 В, -15 В подаётся по разъёму XS1 ко всем микросхемамчерез конденсаторные фильтры для предохранения элементов от сгорания вследствиеперепадов напряжения.
Микросхемы располагаютсяпо координатной сетке с шагом, соответствующим шагу между выводами микросхем.
Для предотвращенияокисления контактов, печатная плата покрывается нитролаком либо канифольнымлаком.
Заключение
В результате проделанной работы мы получиливысокоскоростной преобразователь аналогового сигнала в цифровой код. Былиразработаны структурная и принципиальная схемы преобразователя, а так жесистемы управления преобразователя. Принципиальная схема содержит 7 микросхем,1 операционный усилитель, 5 диодов, 10 резисторов, 9 конденсаторов, 1 кварцевыйрезонатор. Все элементы являются хорошо распространенными и доступными дляиспользования.
Списоклитературы
1. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАПи АЦП: функционирование, параметры, применение. — М.; Энергоатомиздат, 1990.
2. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. — М.;Высшая школа, 1989.
3. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы.-М.;Радио и связь, 1987.
4. Мальцев П.П., Долидзе Н.С., Критенко М.И.Цифровые интегральные микросхемы: Справочник.-М.; Радио и связь, 1994.
5. Аванесян Г.Р.,Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник.-М.;Машиностроение, 1993.
6. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. — М.;Высшая школа, 1991.
7. Интегральные микросхемы: Справочник / Б.В. Тарабрин,Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др.; Под ред. Б.В. Тарабрина. — М. Радиои связь, 1984.
8. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам иинтегральным схемам / Под ред. Н.Н. Горюнова. — М.; Энергия, 1977.