Министерство образования Российской Федерации
Уральский государственный технический университет
Кафедра Автоматика и управление в технических системах
Зав. каф. В.Г. Лисиенко
_____________________
Оценка проекта
Состав комиссии:
АЦП с промежуточным буфером при высокой скорости поступленияданных
Курсовой проект
Пояснительная записка
1909 420 000 019 ПЗ
Руководитель
доцент, к.т.н. В.И.Паутов
Нормоконтролер
доцент, к.т.н. Н.С.Калинин
Студенты Н.С.Ковалевский
Гр.Р-311а А.А.Мансуров
Екатеринбург 2005
Реферат
Вданном курсовом проекте была разработана система аналого-цифровогопреобразования быстроизменяющегося аналогового сигнала в параллельный десятиразрядныйкод, система преобразования параллельного цифрового кода в последовательныйцифровой код, а также система управления данным преобразователем. Былиразработаны структурная и принципиальная электрическая схемы. Разработаннаясхема позволяет преобразовывать входное аналоговое напряжение в диапазоне от-2,5В до +2,5В. Генератор тактовых импульсов выдает сигнал с частотой f = 1 МГц, что позволяет производить100.000 измерений в секунду (по десять тактов на измерение). Высокая скоростьпозволяет измерять кратковременные изменения напряжения.
Всхеме предусмотрен временный буфер для хранения данных и преобразовательпараллельного кода в последовательный, что дает возможность передавать данныепо линии связи (например на компьютер) для их дальнейшей обработки.
Системауправления позволяет синхронизировать работу всей схемы. Она управляет работоймикросхем подавая сигналы управления в определенное время соответствующим микросхемам.
Схемасодержит широко распространённые элементы и может быть собрана на практике.
Данныйкурсовой проект содержит 21 стр., 11 рис.,1стр. приложения
Содержание
Введение
1.Структурная схема
2.Принципиальная схема
2.1 Выбор и обоснованиеструктурной схемы
2.2 Схема включения согласующегооперационного усилителя К574УД1
2.3 Аналого-цифровой преобразователь(АЦП)
2.4 Буфер FIFO
2.5 Генераторы тактовых импульсов2.6 Счетчик импульсов
2.7 Устройство управления налогических элементах
2.8 Буферный усилитель
3. Конструктивноеисполнение системы
4. Заключение
5. Библиографический списоклитературы
Введение
Кромечисто «цифрового» сопряжения (ключи, лампы и т. п.), часто требуетсяпреобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала инаоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессоррегистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса,или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционноаналоговой работы. Аналого-цифровое преобразование следует использовать вобластях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачианалоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например,«цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самыхразнообразных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типацифровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы,такие, как усреднители переходных процессов, «ловушки для выбросов» и осциллографыс 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 способовформирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например,показаний измерительных приборов или двух координатных изображений, создаваемыхкомпьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существуетмасса возможностей для применения аналого-цифрового и цифро-аналоговогопреобразования.
1.Структурная схема
Структурнаясхема преобразователя аналогового сигнала в последовательный код содержитследующие элементы:
ОУ– схема включения согласующего операционного усилителя
АЦП– аналого-цифровой преобразователь (преобразователь аналогового сигнала впараллельный восьмиразрядный код)
ПК– преобразователь параллельного восьмиразрядного кода в последовательный (буфер)
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
BF — Буфер
2.Принципиальная схема
2.1 Выбор и обоснование принципиальной схемы
В настоящее время, при разработкепроектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки,предусматривающие интегральное исполнение. Исходя из этого, предлагается схемааналого-цифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнении (т.е.выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлениина дискретных элементах. Переченьэлементов представлен в приложении.
Генераторытактовых импульсов строятся на микросхеме Кр531ГГ1.
Схемасопряжения содержит операционный усилитель типа К544УД2.
В качестве АЦП возьмем микросхемуК1108ПВ1А.
Преобразовательпараллельного цифрового кода в последовательный построим на микросхеме Hitachi MBF1250.
Однонаправленныйшинный усилитель построим на микросхеме К155ЛП4.
2.2 Схема включения согласующего операционного усилителя К544УД2
Мыиспользуем схему подключения согласующего операционного усилителя дляпреобразования двухполярного входного напряжения. В ней используетсяинвертирующий 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
гдеK = R4/(R5 + R6) – коэффициент передачи усилителя
UREF1– опорное напряжение на не инвертирующем входе ОУ
(задаетсяделителем R1-R3)
Внашем случае для диапазона преобразования Uвх = ±2,5Ввыбираются К = 0,58 и опорный уровень UREF1 = 0,905 В (при UREF = 2,5 В). Настройка коэффициента передачи осуществляетсясопротивлением резистора R5,после чего резистором R2устанавливается нуль на середину передаточной характеристики АЦП.
ПриUвх =2,5В на АЦП появляется выходной код00..00, а при Uвх=-2,5В – код 11..11.
Такимобразом, на выходе преобразователя получаем обратный смещенный двоичный код.
Схемазащиты входа АЦП от перегрузок работает следующим образом. Диоды VD1 и VD2, включенные параллельно резистору обратной связи R4, образуют двухстороннийограничитель. Диод VD4 и стабилитрон VD3, смещенные постоянным током отисточников 15 и –15В, задают уровни ограничения в отрицательной и положительнойобластях (относительно UREF1).
ДиодVD5 обеспечивает защиту входа АЦП вслучае отключения источников питания ОУ или выхода его из строя.
Даннаясхема включения согласующего ОУ универсальна и позволяет использовать АЦПК1108ПВ1А в режиме максимального быстродействия. При работе БИС АЦП сбыстродействующим ОУ типа К544УД2, тщательном монтаже и оптимальной схемекоррекции ОУ время установления процессов в согласующей схеме на уровне 0,1% непревышает 1 мкс.
/>
Рис.2.Схема включения согласующего ОУ
Вданной схеме используются следующие элементы:
VD1, VD2, VD4, VD5 –диоды типа КД520А
VD3 –стабилитрон типа КС133А
А– операционный усилитель типа К574УД1
Операционныйусилитель типа К574УД1 имеет следующие характеристики
Ucc = ±15 В; Uвых ³ 10 мВ; Iвх £ 0,5 нА; Iпотр £ 10 мА
Потребляемаямощность составляет
Pпотр = 150 мВт
2.3 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Мыиспользуем микросхему быстродействующего функционально законченного АЦПпоследовательного приближения К1108ПВ1А предназначенную для преобразованияаналогового сигнала в двоичный параллельный цифровой код.
Микросхемарасчитана на преобразование однополярного входного напряжения в диапазоне от 0до 3 В, при максимальной частоте преобразования 1,33 МГц для восьмиразрядногорежима.
Дляработы АЦП К1108ПВ1А требуется несколько внешних керамических конденсаторов иисточники напряжения Ucc1= 5 В ± 5% и Ucc2 = -5,2 В±5%. Мощность потребляемая от источников питания, не превышает0,85 Вт. Конденсатор С5 необходим для частотной коррекции ОУ и фильтрациипомех.
Дляработы в восьмиразрядном режиме вход SE10/8 соединяется с шиной отрицательного источника питания Ucc2 .
Циклпреобразования в режиме восьмиразрядного АЦП состоит из 10 тактов (восемьрабочих в процессе кодирования и по одному служебному в начале и конце циклапреобразования).
Циклначинается с первым отрицательным фронтом тактового импульса после поступлениякоманды ST. Во время первого служебного тактаосуществляется сброс регистров и установление напряжения на входе селектораопорных уровней.
Втечение следующих восьми тактов происходит кодирование аналогового сигнала приусловии, что он зафиксирован на входе АЦП.
Надесятом такте код из регистра хранения переписывается в выходной регистр, послечего формируется сигнал готовности данных. Появление на выходе RAD сигнала логический 0 свидетельствуето смене информации в выходном регистре и ее хранении весь следующий циклпреобразования.
Длясчитывания информации необходимо подать на вход ERD сигнал логический 0.
ЗапускАЦП считается устойчивым, если сигнал ST подается в течение одного периода тактовой частоты с момента началаочередного цикла (t = 1мкс).
КТТЛ ЦИС микросхема К1108ПВ1А подключается без дополнительных устройствсопряжения.
/>
Рис.3.ИС К1108ПВ1А
Назначениевыводов ИС
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
МикросхемаК1108ПВ1А имеет следующие характеристики
( Ucc1 = 5,25 В; Ucc1= -5,25 В; U1вых ³ 2,4 В; U0вых £ 0,4 В; Iпотр сс1 £ 50 мА;
Iпотрсс2 £ 130 мА; I0вх £ 2,5 мА; I1вх £ 0,4 мА; I0вых ³ 3,2 мА; I1вых ³ 0,1 мА; tздр £ 60 нс )
Потребляемаямощность микросхемы К1108ПВ1А равна:
Pпотр £ 850 мВт
2.4 Буфер FIFO
Преобразовательпараллельного цифрового кода в последовательный код построен на базе микросхемыHitachi MBF1250. Микросхема Hitachi MBF1250 – это буфер типа FIFO(First Input First Output) с размером матрицы 128Кx8 и, по сути делапредставляет собой последовательно соединённые параллельные восьмиразрядные регистрысдвига. Микросхема работает в двух режимах: когда на входе управленияпоявляется сигнал высокого уровня, он запускает первый генератор, системууправления АЦП, при этом происходит запись восьмиразрядных кодов из АЦП вбуфер; во втором режиме, когда сигнал управления сообщает об отсутствииинформации на входе АЦП, происходит остановка работы первого генератора исамого АЦП, при этом запускается второй генератор, синхронизирующий работубуфера, производящего выгрузку данных. Назначение выводов:
/>
Рис.4.Буфер Hitachi MBF1250
1.Питание Ucc
2.Общий GND
3.Запись ®WR Вход D4
4.Тактовый вход C Вход D5
5.Вход D6
6.Вход D7
7.Разрешение на чтение
8.Прямой выход Q7
9.Вход D0
10.Вход D1
11.Вход D2
12.Вход D3
13.Вход D4
14.Вход D5
15.Вход D6
16.Вход D7
19.Задержка такта DE
20.Последовательный вход D®
2.5 Генераторы тактовых импульсов
/>
Рис.5.ГТИ
ГТИмы построили на базе ИС КР531ГГ1, которая представляет собой два независимыхгенератора. Если на вход Uподать высокий уровень, а на DUнизкий, то для фиксации частоты потребуется подсоединить между входами Свнвнешний элемент-конденсатор. На выходах мультивибраторов получается меандрс частотой:
F0=0,0005/Cвн
Еслина вход EI подать напряжение высокого уровня,то это запретит работу генератора. Один генератор мы будем использовать дляработы АЦП и загрузке буфера, а другой при разгрузке буфера. Причём G1 работает с частотой 1МГц→Свн1=0,0005/1МГц=500пФ, а G2 работает с частотой 200кГц→Свн2=0,0005/200кГц=2500пФ.
2.6 Счетчик импульсов
Используеммикросхему К555ИЕ9 (DD7) четырехразрядныйдвоично-десятичный счетчик с асинхронным сбросом, дешифрующим счетным выходом,с возможностью асинхронной установки в произвольное состояние от нуля додевяти.
Данныйсчетчик является составной частью системы управления АЦП и преобразователя параллельногокода в последовательный. Его задача состоит в счете от 0 до 9, преобразованиепоследовательности тактовых импульсов в параллельный четырехразрядный код, дляпоследующего преобразования его ТТЛ логикой в сигналы управления.
Тактовыеимпульсы подаются с генератора на вход С. Он работает по переднему фронтувходного импульса (0®1).Так как счетчик работает постоянно, то нас не интересует какое значениеустановится при его запуске, т.е. предварительный сброс счетчика в ноль нетребуется, поэтому на вход Rподадим потенциал высокого уровня.
Предварительнаязапись значения в счетчик по входам D1, D2, D3, D4 насне интересует поэтому необходимо эти выводы микросхемы заземлить. Так как нетпредварительной записи, то не требуется и вход разрешающий предварительнуюзапись V2. На этот вывод подадим потенциалвысокого уровня.
ВыводP2 выдает высокий уровень напряжениячерез каждые десять тактов, когда значение в счетчике равно девяти (Q1 = Q4 = 1; Q2 = Q3 = 0). В нашей схеме мы его неиспользуем.
ВыводP1 используется для разрешенияпереноса импульса в следующий каскад (если соединяются несколько счетчиковпоследовательно). У нас только один счетчик поэтому на вывод P1 должно постоянно подаватьсянапряжение высокого уровня. На вход разрешения счета V1, в зависимости от режима работы АЦП, подаётся напряжение ссигнала управления. Высокий уровень разрешает работу счетчика, низкий блокирует.Выход R также подсоединяем к СУ. Низкийуровень обнулирует счетчик.
ВыводыP1, V2 – подаем высокий уровень напряжения
ВыводыD1, D2, D3, D4 – заземляем
Назначениевыводов 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.6.ИС К555ИЕ9
МикросхемаК555ИЕ9 имеет следующие характеристики
( 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 )
Потребляемаямощность микросхемы К555ИЕ9 равна:
Pпотр = 162,75 мВт
2.7 Устройство управления на логических элементах
Четырехразрядныйкод с двоично-десятичного счетчика подается на логические элементы. Если кодравен нулю, то срабатывает первый элемент “И” (DD3.1) и импульс подается на АЦП, на вход запуска ST. Так как с элемента “И” (DD3.1) импульс идет не инвертированный,то перед ST необходимо поставить инвертор –логический элемент “НЕ” (DD2.5).
Еслина выходе счетчика появляется код равный девяти, то срабатывает второй элемент“И” (DD3.2). Подаем импульс с выхода “И” (DD3.2) сразу на пять входов элемента“И-НЕ” (DD4). Это совпадает с выходом на выводеRAD АЦП логического нуля. Инвертируемэтот импульс элементом “НЕ” (DD2.6)и подаем на три оставшихся входа элемента “И-НЕ” (DD4). Инвертированный импульс подается сразу на два вывода, навывод ERD считывания данных с АЦП и выводзаписи ®WR регистра.
/>
Рис.7.Устройство управления на логических элементах
Устройствоуправления на логических элементах содержит следующие микросхемы
К555ЛН1,К555ЛИ6, К555ЛА1
Назначениевыводов 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
/>
Рис.8.ИС К555ЛН1
МикросхемаК555ЛН1 (инвертор) имеет следующие характеристики
( 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 )
Потребляемаямощность для одного логического элемента “НЕ” равна:
Pпотр = 12,6 мВт
Суммарнаяпотребляемая мощность микросхемы К555ЛН1 равна:
Pпотрсум = 75,6 мВт
/>
Рис.9.ИС К555ЛИ6
Назначениевыводов 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
МикросхемаК555ЛИ6 имеет следующие характеристики
( 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 )
Потребляемаямощность для одного логического элемента “И” равна:
Pпотр = 12,6 мВт
Суммарнаяпотребляемая мощность микросхемы К555ЛИ6 равна:
Pпотрсум = 25,2 мВт
/>
Рис.10.ИС К555ЛА1
Назначениевыводов ИС К555ЛА1
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
МикросхемаК555ЛА1 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 )
Потребляемаямощность микросхемы К555ЛА1 равна:
Pпотр = 2,625 мВт
Общаяпотребляемая мощность устройства управления на логических элементах равна:
Pпотррез = 103,425 мВт
2.8 Буферный усилитель
Буферный усилитель построен на базеИС К155ЛП4 и предназначен для усиления выходного последовательного кода сбуфера.
/>
Рис.11. ИС К155ЛП4.
3. Конструктивное исполнение системы
Все микросхемы и элементы системы преобразованияи управления монтируются на стандартной печатной плате. В качестве материаладля печатной платы используется фольгированный текстолит либо гетинакс.
Питание в виде +5,25 В, -5,25 В, +15В, -15 В подаётся по разъёму XS1 ковсем микросхемам через конденсаторные фильтры для предохранения элементов отсгорания вследствие перепадов напряжения.
Микросхемы располагаются покоординатной сетке с шагом, соответствующим шагу между выводами микросхем.
Для предотвращения окисленияконтактов, печатная плата покрывается нитролаком либо канифольным лаком.
4. Заключение
Врезультате проделанной работы мы получили высокоскоростной преобразовательаналогового сигнала в цифровой код. Были разработаны структурная ипринципиальная схемы преобразователя, а так же системы управленияпреобразователя. Принципиальная схема содержит 10 микросхем, 1 операционныйусилитель, 5 диодов, 9 резисторов, 7 конденсаторов. Все элементы являютсяхорошо распространенными и доступными для использования.
5. Библиографический список литературы
1. Федорков Б.Г., ТелецВ.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение.-М.;Энергоатомиздат, 1990.
2. Ерофеев Ю.Н.Импульсные устройства.-М.; Высшая школа, 1989.
3. Шило В.Л. Популярныецифровые микросхемы.-М.; Радио и связь, 1987.
4. Мальцев П.П., ДолидзеН.С., Критенко М.И. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник.-М.; Радио исвязь, 1994.
5. Аванесян Г.Р., ЛевшинВ.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник.-М.; Машиностроение, 1993.
6. Гусев В.Г., ГусевЮ.М. Электроника.-М.; Высшая школа, 1991.
7. Интегральныемикросхемы: Справочник / Б.В.Тарабрин, Л.Ф.Лунин, Ю.Н. Смирнов и др.; Под ред.Б.В.Тарабрина.-М. Радио и связь, 1984.
8. Справочник пополупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Под ред. Н.Н.Горюнова.-М.;Энергия, 1977.