Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. ЦЕЛЬ работы И ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
2. ТРЕБОВАНИЯ К РГР
3. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ расчетно-графическойработы
4. ВЫБОР И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА
4.1 Выбор и расчет структурной схемыаналогового тракта
4.2 Определение техническихтребований к функциональным блокам аналогового тракта
5. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМОСНОВНЫХ БЛОКОВ КАНАЛА СБОРА АНАЛОГОВЫХ ДАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
5.1 Согласующий усилитель
5.2 Фильтр низких частот
5.3 Устройство выборки-хранения
5.4 Функциональный преобразователь
СПИСОК рекомендованной ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Функционально и конструктивно законченныесредства, предназначенные для получения, обработки, использования информации сцелью управления объектами и процессами, отображения состояния объекта, связиего с другими управляющими средствами называют электронными промышленнымиустройствами. Они в свою очередь являются подсистемами электронных системуправления более высокого уровня.
В настоящее время большоевнимания уделяется проектированию электронных систем сбора и первичнойобработки информации. Для электронных цифровых систем характерны высокаяскорость измерения параметров, удобная форма представления информации, гибкийинтерфейс, меньшая погрешность измерений.
Одна важнейших задачуправления — регулирование состояния объектов. Это требует последовательностивыполнения операций, основными из которых являются:
а) получение сведений о состоянии объектаили процесса;
б) получение извне командных воздействий,определяющих требуемое состояние объекта или процесса;
в) обработка полученных сигналов с цельюнаиболее эффективного приведения объекта или процесса в заданное состояние;
г) формирование управляющих воздействий,которые с помощью исполнительных органов изменяют режим работы объекта.
Часто приходится управлять не одним, а группойобъектов, которые поочередно опрашиваются и для них формируются управляющиевоздействия по индивидуальным алгоритмам.
Использованиемикроконтроллеров в изделиях электроники не только приводит к повышениютехнико-экономических показателей, но и позволяет сократить время на разработкуизделий и делает их более гибкими, адаптивными.
1.ЦЕЛЬ работы И ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
Цельрасчетно-графической работы — овладение методикой и навыками инженерногорасчета основных функциональных узлов непрерывного и импульсного действия,применяемых в электронных системах управляющей и информационной электроники.
Указанная цель достигается припроектировании канала сбора аналоговой информации для микропроцессорнойсистемы, который представляет собой устройство, обеспечивающее преобразованиеаналогового сигнала датчика в цифровой код.
Постановказадачи
необходимо разработать структурнуюсхему системы сбора аналоговой информации для дальнейшей ее обработки всистемах более высокого уровня и определить технические требования кфункциональным блокам системы, а также выбрать и рассчитать принципиальныесхемы основных блоков системы. Варианты задания приведены в таблице 2 вприложении.
При этом в канале должноосуществляться усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавлениесинфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с цельюлинеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду,пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминанияего мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.
В состав канала сбора аналоговыхданных должны входит также ряд импульсных (аналого-импульсных) узлов, которыесинхронизируют работу его составных частей и управляют работой АЦП.
АЦП является оконечным узломпроектируемого устройства, и все другие составные функциональные единицы прямоили косвенно обеспечивают его нормальное функционирование.
К АЦП можно подходить как к«черному ящику», который выполняет при подаче управляющего импульса«Пуск» преобразование напряжения на его аналоговом входе в цифровойдвоичный код за конечный отрезок времени.
По завершении указанного процесса АЦПвырабатывает сигнал готовности «Готов», свидетельствующий осоответствии его выходного кода величине входного напряжения на аналоговомвходе.
Временные диаграммы, иллюстрирующиеработу АЦП, приведены на рис.1. Одной из особенностей работы рядабыстродействующих АЦП (например, поразрядного уравновешивания) являетсявозможность появления сбоев при изменении уровня входного напряжения на моментпреобразования.
/>
Рисунок 1 — Временные диаграммы работы АЦП
По этой причинесуществует ограничение по скорости изменения входного сигнала.
Для освоения техническихпараметров АЦП необходимо уяснить следующее.
Суть работы АЦПзаключается в том, что каждому уровню входного напряжения ставится всоответствие N -разрядный параллельный двоичный код. В самом простом случае этоможет быть параллельный прямой двоичный код, т.е. результат преобразования мыполучаем в двоичной системе исчисления.
В двоичной системесчисления так же, как и в десятичной, каждой позиции (разряду) присвоенопределенный вес.
Веса первых 10 разрядов(позиций) цифр двоичного числа имеют следующие значения, указанные в табл.1.
Таблица 1 — Значения весапервых 10 разрядов цифр двоичного числаВес 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 Разряд D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
Зная вес разряда, легко осуществитьперевод двоичного числа в десятичное, например,
101110121=/>
Число разрядов выходногодвоичного кода АЦП определяет его точность. Чем больше число разрядов, тем вышеточность.
Точность оценивается относительнойпогрешностью:
/>,
где N — число разрядов.
Важным параметром является«Шкала АЦП», которая влияет на минимально различимый уровень входногосигнала АЦП.
Шкала АЦП численно равнамаксимально допустимому значению входного напряжения, которому ставится всоответствие максимальное двоичное число на выходе АЦП. Так, при шкале, равной10 В, в десятиразрядном АЦП мы получаем при подаче /> Вдвоичное число
1111111111(2)=1023(10),
а при шкале 1 В мы при подаче уже 1 Вполучаем то же самое число 1023(10).
Минимально различимый уровень пришкале 10 В
/>
а при шкале 1 В :
/>
Вполне понятно, чтомаксимальное напряжение на аналоговом входе не должно превышать шкалу АЦП. Впротивном случае нарушится однозначное соответствие выходного кода и уровнянапряжения входного сигнала.
Источником информации(сигнала) для проектируемого канала сбора аналоговых данных является датчик ссимметричным относительно общего провода выходом. Тип датчика неконкретизируется. Это может быть датчик перемещений, датчик температуры,измерительная мостовая схема и т.п.
Но в задании оговоренафункциональная зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины, и одной из задачРГР является линеаризация характеристики измерительного тракта с цельюповышения точности измерений.
Зависимость ЭДС датчикаот измеряемой величины (для дневного отделения) для одних вариантов определенааналитическим выражением, для других — графической зависимостью />.
Одновременно с полезнымдифференциальным сигналом на вход проектируемого устройства попадает синфазнаяпомеха, уровень напряжения которой задан. Эта помеха может иметь различнуюфизическую природу — сетевые наводки, радиопомехи и т.п. Уровень синфазнойпомехи может значительно превышать уровень полезного сигнала, что требуетпринятия специальных мер ее подавления.
Исходные данные дляпроектирования канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системыприведены в табл. 2 и на рис.2а — 2г.
Поясним отдельныетехнические требования к функциональным блокам проектируемого устройства.
Динамический диапазонизменения ЭДС датчика несет информацию о том, в каких пределах изменяетсяуровень входного сигнала, и выражается в децибелах:
/>
/>
Рисунок 2
Зная максимальнуювеличину /> ЭДС датчика и значениединамического диапазона, можно определить минимальное значение входного сигналаканала:
/>,
a затем, разработатьтехнические требования по точностным параметрам аналогового тракта.
Время выборки tвыб определяет интервал времени, втечение которого происходит запоминание аналогового сигнала перед подачей егона вход АЦП.
Период Т следования(колебаний) выходного напряжения генератора в блоке управления устанавливаетпериодичность временной дискретизации аналогового сигнала ипериодичность работы АЦП.
Отсутствие в заданиикаких-либо сведений о функциональной и принципиальной схемах проектируемогоустройства вносит в РГР элементы творчества, способствует получению навыковсамостоятельного инженерного поиска. Студент вправе обоснованно выбрать ихвариант построения, а также использовать современную элементную базу.
блок схема сбор аналоговая информация
2.ТРЕБОВАНИЯ К РГР
РГР выполняетсярукописным или машинным способом на одной стороне листа формата А4 (ГОСТ9327-60) в соответствии с требованиями ГОСТу
При составлении РГРследует пользоваться методическими указаниями по оформлению текстовыхдокументов курсовых и дипломных проектов.
РГР должна содержать:
1 Титульный лист (приложение).
2 Задание РГР.
3 Оглавление.
4 Введение.
5 Выбор и расчет структурной(функциональной) схемы канала сбора аналоговых данных микропроцессорнойсистемы.
6 Выбор и расчет принципиальных схемвсех функциональных блоков проектируемой системы.
7 Заключение.
8 Список использованных источников.
9 Перечень элементов(если он не выполнен на поле схемы электрической принципиальной).
Все рисунки в текстевыполняются аккуратно. Рисунки должны иметь подрисуночные подписи.Буквенно-цифровые обозначения условных графических изображений на рисунках,содержащих схемы, допускается проставлять не по сквозной нумерации. В этомслучае необходимо указать номиналы резисторов и конденсаторов, типытранзисторов, диодов и микросхем.
Основные справочныеданные активных элементов (транзисторов, диодов, микросхем), применяемых впроектируемом устройстве, должны быть приведены в пояснительной записке, либопо ходу изложения материала, либо в приложении.
При окончательномоформлении РГР пояснительная записка сшивается. Электрические структурная(функциональная) и принципиальные схемы канала сбора аналоговых данныхэлектронной системы в записку не подшиваются, а вкладываются.
3. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ расчетно-графической работы
Защита РГР проводитсятолько после проверки окончательно оформленной пояснительной записки иэлектрических схем преподавателем. Полностью оформленная работа может бытьсдана на проверку не позднее, чем за неделю до защиты.
Допуск к защитезаверяется подписью преподавателя.
На защите студентупредоставляется 4¸5 минут для доклада, в котором он в сжатой форме должен осветить основныемоменты работы, а именно:
1. Назначение спроектированногоустройства и технические требования, предъявленные к нему в задании.
2. Пути решения поставленной задачи,выбор оптимального варианта построения.
3. Состав и принципдействия устройства по его структурной схеме и временным диаграммам,иллюстрирующим ее работу.
4. Реализациюфункциональных блоков канала сбора аналоговых данных, особенностисхемотехнического решения.
Оценка РГР выставляется сучетом полноты и содержательности ответов при защите, объема и качествапроделанной работы, степени самостоятельности, аккуратности оформления,соблюдения ГОСТов и систематичности работы над РГР.
Оценка выставляется натитульном листе, заверяется подписью и заносится в ведомость и зачетную книжку.
4. ВЫБОР ИРАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА
Цель данного раздела РГР- определение необходимого функционального состава проектируемого устройства,установление необходимых связей между функциональными узлами и определениетехнических требований к каждому из них.
Проектирование начинают санализа технических требований к входным сигналам оконечного устройства каналасбора аналоговых данных — АЦП. У АЦП имеется аналоговый и управляющий входы,поэтому выбор и обоснование структурной схемы следует разбить на два этапа.
На первом этапенеобходимо определить наиболее рациональный состав функциональных узлов,которые участвуют в преобразовании выходного сигнала датчика и стоят между еговыходом и аналоговым входом АЦП. Указанную совокупность узлов назовеманалоговым трактом.
На втором этапе следуетопределить состав и структуру управляющего тракта, т.е. совокупности устройств,включающих генератор и устройства, формирующие требуемые управляющие сигналыдля АЦП и аналогового тракта.
4.1 Выбори расчет структурной схемы аналогового тракта
Проектирование нужноначинать с сопоставления технических характеристик датчика и техническихтребований к форме и параметрам сигнала на аналоговом входе АЦП.
Ход рассуждений может быть примерноследующий:
АЦП имеет несимметричныйаналоговый вход, а датчик — симметричный выход. Отсюда ясно, что в составаналогового тракта должен входить дифференциальный (разностный) усилитель,подключенный к выходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ).
Наибольшая точностьпреобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используетсявся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда
/>,
где /> - максимальное значениесигнала на аналоговом входе АЦП. /> — шкалаАЦП.
Максимальная величина ЭДС/> датчика намного меньшешкалы />, поэтому аналоговый трактдолжен обладать коэффициентом усиления не менее чем
/>
где />=(1,1 — 1,3) — коэффициентзапаса по усилению.
Из задания на работуизвестно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха. Дляисключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослаблениясинфазного сигнала (КОСС)
/>,
где /> - напряжение синфазнойпомехи;
/> -минимальное значение ЭДС сигнала датчика;
D- динамический диапазон изменениявходного сигнала, дБ.
Устройством, ослабляющимсинфазную помеху, может быть усилитель с дифференциальными входами, введениекоторого в аналоговый тракт продиктовано необходимостью согласованиясимметричного выхода датчика с аналоговым трактом (см.п.4.1.1).
Зависимость ЭДС датчикаот измеряемой величины является нелинейной. В этой связи необходимо включение всостав аналогового тракта функционального преобразователя, обеспечивающеголинеаризацию характеристики датчика. Причем данный функциональный преобразовательдолжен иметь передаточную характеристику, обратную характеристике датчика.Например, если зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины (в заданииизмеряемая величина не конкретизируется; это может быть температура,перемещение, давление и т.п.) описывается выражением:
/>,
то функциональныйпреобразователь должен иметь характеристику вида:
/>,
где /> -постоянная преобразователя;
/>,/> - входное и выходноенапряжения функционального преобразователя. Если зависимость ЭДС датчика отизмеряемой величины описывается сложной функцией или задана графически, то видтребуемой передаточной характеристики функционального преобразователя следуетопределить графическим путем, используя кусочно-линейную аппроксимацию, т.е.аппроксимацию кривой зависимость ЭДС ломаной. Число отрезков прямых в рабочемдиапазоне достаточно взять 4÷5. Во всех вариантах для определенностирекомендуется крутизну преобразования функционального преобразователя выбратьтаким образом, чтобы
/>,
где/> и/> - величины максимальноговходного и выходного напряжений.
Из задания на работуизвестна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможностьсформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосепропускания, а именно граничная частота фильтра
ƒфнч = ƒв
где ƒв — верхняя частота спектра сигнала датчика.
В задании на работу неоговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому имеются достаточно широкиевозможности в выборе типа фильтра низких частот. Однако целесообразноиспользовать RC-фильтры. Можно применять активные RC - фильтры типа Баттерворта2-го порядка, а можно достичь фильтрующих свойств аналогового тракта, совместивдифференциальный усилитель и RC-фильтр.
Преимущества примененияактивных RC - фильтров по сравнению сLС — фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания ихорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязкавходных и выходных цепей, малые габариты и т.д.
Если фильтр выполняется ввиде отдельного функционального узла, то его необходимо включать обязательно донелинейного устройства. В противном случае высокочастотные помехи наводки (сними практически всегда приходится иметь дело) могут быть трансформированы вобласть спектра полезного сигнала.
Как уже указывалось, вмомент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входеАЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должновходить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает сосреднением мгновенное значение выходного сигнала функциональногопреобразователя и хранит его в течение времени хранения txp (рис.3).
В итоге анализа попп.4.1.2 — 4.1.6 структурная схема аналогового тракта может быть представленатак, как показано на рис.4, где СУ — согласующий усилитель;
ФНЧ — фильтр нижнихчастот;
ФП — функциональныйпреобразователь;
УВХ — устройствовыборки-хранения;
АЦП — аналого-цифровойпреобразователь.
/>
Рисунок 3 — Временные диаграммы работы УВХ
/>
Рисунок 4 — структурная схема аналогового трактапри одном датчике
4.2 Определение технических требований к функциональнымблокам аналогового тракта
Для того, чтобы грамотносформулировать технические требования к блокам проектируемого устройства,необходимо предварительно ознакомиться с их принципом действия исхемотехническими особенностями построения по литературе [2, 3] и конспектулекций по курсу «Аналоговая схемотехника». В противном случае можетоказаться, что будут заданы требования, выполнение которых встретит серьезныетрудности.
Расчет техническихтребований следует производить в обратном порядке прохождения аналоговогосигнала, т.е. мысленно перемещаясь от АЦП к датчику информации.
Известны [2, 3]устройства выборки-хранения, принцип действия которых основан на заряде емкостичерез ключ в течение интервала tв выборки и хранения накопленногозначения в течение txpпосле отключения ключа (см. рис.3). В качестве ключа используют как биполярные,так и полевые транзисторы. Однако ключи на полевых транзисторах обладаютлучшими характеристиками, поэтому их применение предпочтительней.
Основными техническимихарактеристиками УВХ являются:
1. Коэффициент передачи вмомент окончания выборки
/>
2.Максимальные значения входного /> и выходного /> напряжений.
3.Входное /> ивыходное /> сопротивления поаналоговому сигналу.
4.Относительные ошибки выборки /> и хранения />
5.Форма и параметры сигнала науправляющем входе УВХ.
6.Напряжение источников питания УВХ.
Так как существуетбольшая неопределенность выбора указанных параметров УВХ, то их нужно задать,используя практический опыт построения подобных устройств и инженернуюинтуицию. Это очень ответственный этап проектирования, однако излишнимопасениям здесь не место. Следует помнить, что в случае невозможностиреализации УВХ с заданными наперед характеристиками, возможен этап коррекциитехнического задания. Это, собственно, обычный(стандартный) путь решения инженерных и исследовательских задач .
В первую очередь можно задаться
Кувх=1
и найти максимальное значение напряжения входного аналоговогосигнала:
/>
Зная, что современные методы построения УВХ дают возможностьреализации относительных ошибок /> и /> до 10-4 и ниже,можно установить требования к допустимой погрешности:
/>
Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционныхусилителях (ОУ), задаются стандартной величиной напряжения источников питания:
ЕИ1 = +15 В;
ЕИ2 = -15 В.
Как известно, в схемах наОУ достаточно легко реализуются большое входное сопротивление (до единиц мом) и малое выходное сопротивление(менее десятков - сотен ом),поэтому устанавливаем требования:
/>
/>
Длительность импульсовуправления и период их следования оговорены в техническом задании на РГР.Подлежит определению величина времени хранения:
tхр = Т – tв
и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входеУВХ.
При реализации управляющего тракта полностью на ОУ рекомендуетсявыбрать: />/> споследующим уточнением этих данных при расчете принципиальных схем.
При реализации блоков оправляющего тракта на транзисторах либологических элементах можно брать: /> />
Основной характеристикойфункционального преобразователя является зависимость выходного напряжения /> от входного />:
/>
Если зависимость ЭДС датчика задана аналитическим выражением,например, ec = 0,4 l2, то искомая зависимостьопределяется как обратная функция
/>
где Кфп — постоянная преобразователя. Кфпопределяется следующим образом. Из п. 4.2.1- известно, что
/>
В соответствии с выводамип. 4.1.4
/>
Отсюда
/>(1)
и, соответственно,
/> (2)
Постановка выражения (2) в (1) позволяет получить аналитическоевыражение передаточной характеристики преобразователя
/>(3)
В зависимости (3) нужно построить график /> (рис.5), аппроксимироватькривую ломаной и определить графическим путем координаты точек излома />; />,
где j=1, 2, 3, 4, 5, …n и требуемые коэффициенты усиления на участках по формуле
/>
/>
Рисунок 5 — аппроксимация кривой ломаной
При аппроксимации следует учитывать, что минимальное значениевходного сигнала определяется как
/>
где D — динамический диапазон, дБ (он оговорен в задании на РГР).
Если зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины заданаграфической зависимостью, то передаточную характеристику функциональногопреобразователя находят путем построений. Для этого рекомендуется построить налисте миллиметровой бумаги в увеличенном масштабе график ес=f (l) (рис.6), выделить нанем точки Iи 5, соответствующие минимальной и максимальной ЭДС датчика и провести черезточку 5 и начало координат ось симметрии.
/>
Рисунок 6 – Определение передаточной характеристикифункционального преобразователя
Затем необходимо построитьсимметричную относительно оси кривую, которая и будет искомой передаточнойфункцией функционального преобразователя.
Выполнив указанные построения,приступают к определению масштабов по осям /> и/>, которые совмещены с осямиe и ec.
Масштабирование основывается на том,что
/>
После нахождениямасштабов по осям аппроксимируют зависимость /> отрезками,находят координаты точек излома и требуемые коэффициенты усиления, как уже указывалосьвыше.
Требования к величиневыходного сопротивления /> функциональногопреобразователя устанавливаются входным сопротивлением нагрузки, т.е. входным сопротивлением/> УВХ:
/>
Входное сопротивление функциональногопреобразователя можно задать ориентировочно в пределах:
/>,
учитывая, что в последующем большиезначения /> потребу-
ют применения ОУ с малым значениемвходных токов.
Основными характеристиками ипараметрами фильтра нижних частот являются:
1. Верхняя граничная частота />.
2. Неравномерность АЧХ в полосепропускания.
3. Скорость спада частотнойхарактеристики на переходном участке АЧХ.
4. Коэффициент передачи /> по напряжению в полосепропускания.
5. Входное /> и выходное /> сопротивления.
6. Напряжение источников питания.
В задании на проектирование неоговорены требования по неравномерности АЧХ и скорости спада, поэтому их выбордается на* усмотрение разработчика.
При использовании фильтровБаттерворта неравномерность АЧХ в полосе прозрачности задавать не требуется,так как она получается минимальной.
Скорость спада можно выбрать порядка12 дБ/октаву (40 дБ/дек).
Фильтры Баттерворта,выполненные на ОУ, имеют />= (1,35 ÷ 1,5)[2]. Отсюда можно определить требования к максимальной величине входногонапряжения:
/>
Входное и выходное сопротивлениявыбираются из условия
/> =(10-1000) кОм;
/> =(0,1-0,01) />;
Напряжение источников питанияжелательно выбрать одинаковым для всех функциональных блоков. Согласующийусилитель является одним из ответственных узлов аналогового тракта. Онвыполняет основное усиление сигнала, подавляет синфазную помеху, обеспечиваетсогласование с датчиком и регулировку выходного напряжения. Согласующийусилитель должен обладать номинальным коэффициентом усиления разностногосигнала не менее чем
/>
Этот коэффициент усиления изменяетсяв пределах ± 10 дБ:
/>
Коэффициент ослаблениясинфазной помехи у него должен быть не менее чем:
/>
Входное сопротивление /> необходимо выбрать такимобразом, чтобы оно обеспечивало возможность смены датчиков:
/>,
где /> - среднее значениевыходного сопротивления датчика, Ом; />-диапазонизменения выходного сопротивления датчика, Ом; D — динамический диапазон изменения выходного сигнала датчика,дБ. Выходное сопротивление согласующего усилителя:
/>
Требования к числуисточников питания и их выходному напряжению выбираются на общих основаниях.
Выбори обоснование структурной схемы управляющего тракта.
Задачей управляющеготракта является создание двух синхронизированных с выходным сигналом задающегогенератора последовательностей импульсов для управления УВХ и АЦП, Одна частьпараметров этих периодических сигналов оговорена в задании на проектирование(длительности импульсов выборки tв и пуска АЦП />, их период следования T), а другая получена в результатепроектирования аналогового тракта (амплитуды импульсов).
В качестве задающегогенератора в соответствии с заданием должен использоваться либо генераторсинусоидальных колебаний, либо генератор прямоугольных импульсов.
Проанализируем случай сгенератором синусоидальных колебаний.
Использоватьнепосредственно для управления, например УВХ, выходное напряжение генераторанельзя из-за его синусоидальной формы и несоответствия длительности полуволны идлительности импульса управления УВХ,
Импульсы управления УВХдолжны иметь прямоугольную форму и требуемую длительность tв, причем tв
Следовательно, необходимовключить в состав управляющего тракта формирователь импульсов выборки (ФИВ),параметры выходного сигнала которого обеспечивали бы работу по управляющемувходу УВХ, например заторможенный мультивибратор.
Непосредственный запускФИВ осуществить напряжением формы трудно. В этой связи требуется сформироватькороткие пусковые импульсы из сигнала задающего генератора. Реализовать этоможно при помощи ограничителя (или усилителя-ограничителя) и дифференцирующей RC -цепочки.
В соответствии стехническими требованиями на РГР пуск на АЦП должен происходить спустя время tзад после окончания импульса выборки.Осуществить задержку можно различными способами. Один из них — при помощизаторможенного мультивибратора, генерирующего импульс длительностью, равнойтребуемой задержке tзад в момент окончания импульса выборки.
И, наконец, в составуправляющего тракта необходимо ввести формирователь импульсов пуска (ФИП) АЦП,запуск которого осуществляется по срезу импульса заторможенного мультивибраторазадержки (ЗМЗ).
Структурная схемауправляющего тракта приведена на рис.7. Здесь же даны временные диаграммы,поясняющие ее работу.
Расчет техническихтребований к функциональным узлам управляющего тракта рекомендуется производитьпо методике, изложенной в разд.4 настоящих методических указаний. При этомследует предварительно проработать вопросы схемной реализации блоков и оценитьвозможность осуществления предъявляемых требований к формам и параметрамсигналов при исполнении на транзисторах, операционных усилителях либо логическихэлементах.
/>
/>
Рисунок 7 – Структурная схема управляющего тракта
5. ВЫБОР ИРАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ КАНАЛА СБОРА АНАЛОГОВЫХ ДАННЫХМИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
Преждечем приступить к составлению принципиальных схем проектируемых узлов,необходимо ознакомиться по литературе [2;3] и конспекту лекций по курсу«Аналоговая схемотехника» с принципом действия схем аналогичногоназначения, понять особенности их работы, выявить достоинства и недостатки техлибо иных схемотехнических решений.
Затем уже можно вплотнуюприступить к решению поставленной задачи, учитывая следующие критерии выбора:
1. Возможностьдостижения технических характеристик, предъявляемых к проектируемым узлам.
2. Простота внастройке и эксплуатации.
3. Минимальное числоисточников питания.
4. Минимальныегабариты, вес.
5. Высокаянадежность.
Все принятые техническиерешения должны быть логически обоснованы.
5.1Согласующий усилитель
Одна из возможных схемсогласующего усилителя приведена на рис.8.
Здесь цепи коррекциисмещения нуля и цепи частной коррекции условно не показаны.
Расчет следует начать свыбора типа ОУ в зависимости от минимального уровня сигналов датчика и еговыходного сопротивления, величины напряжения синфазной помехи. В большинствевариантов для согласующего усилителя подходят ОУ общего применения (140УД7,140УД8, 153УД2 и др.).
Критерием выбора являетсявозможность удовлетворения следующей системы неравенств:
/>
Рисунок 8 – Схема согласующего усилителя
1) />
2) />
3) />
4) />
где /> - коэффициент ослаблениясинфазного сигнала ОУ;
/> - дрейф напряжениясмещения нуля ОУ;
/> - рабочий диапазонтемператур;
/> - дифференциальныйкоэффициент усиления ОУ;
/> - дифференциальное входноесопротивление ОУ;
/> - выходноедифференциальное сопротивление датчика
Для достижениянаибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступениусиления на ДА1, ДА2 желательно брать наибольшим (т.е. реализовать на нейосновное усиление сигнала), а коэффициент усиления разностного усилителя на ОУДА3 принять равным единице. В этом случае резисторы R5÷ R8получаются одного номинала, а следовательно, облегчается их подбор потребуемому допуску и температурному коэффициенту.
Расчет элементов схемыначинают с каскада на ДА3.
Задаются номиналамирезисторов в пределах
/>,
где />
Здесь /> является максимальнойвеличиной напряжения на выходе ОУ, а /> -максимальным выходным током ОУ (паспортные данные ОУ).
При задании резисторовследует помнить о том, что резисторы /> и />÷/> определяют величинувходного сопротивления каскада по инвертирующему к неинвертирующему входам иявляются фактическими нагрузками ОУ ДА1, ДА2.Кроме того, применение высокоомныхрезисторов />÷/> приводит к повышенномудрейфу выходного напряжения из-за нескомпенсируемой разности входных токов /> (паспортный параметр ОУ).
Расчет каскадов наДА1, ДА2 начинают с выбора номиналов резисторов /> и/>:
/>
К выбору подходят с техже позиций, что и при выборе резисторов />÷/>.
Зная требуемыйминимальный коэффициент /> усилениясогласующего усилителя, рассчитывают максимальное суммарное сопротивлениерезисторов R1 и R2:
/>
а затем, исходя измаксимального коэффициента усилителя />,-минимальноезначение суммарного сопротивления резисторов R1 и R2
/>
Величину резистора R2 определяют как />.Если получается номинал, отсутствующий в стандартном ряде, то выбираютближайший. Допуск на относительный разброс номиналов резисторов (кроме R1 и R2) определяют по формуле
/>
где /> - требуемый коэффициентослабления синфазной помехи.
После выбора и расчетаноминалов резисторов необходимо оценить напряжение ошибки на выходе каскада,обусловленной дрейфом напряжений смещений нуля и разностных входных токов постандартной методике [3]. Если напряжение ошибки получается более />, то следует уменьшитьноминалы резисторов R3÷ R8 и повторить расчет.
5.2 Фильтрнизких частот
Схема фильтра 2-гопорядка с характеристикой Баттерворта приведена на рис.9. Здесь не показанытолько цепи коррекции смещения нуля и частотной коррекции (наличие этих цепей вРГР обязательно).
Для получения требуемойчастотной характеристики (максимально плоская в полосе прозрачности АЧХ и спадна переходном участке — 40 дБ/дек.) коэффициент затухания /> принимают равным 1,414.
Верхняя граничная частотафильтра определяется как:
/>
поэтому, варьируяноминалами как R, так и С, можнодобиться требуемого значения />.
/>
Рисунок 9 – Схема фильтра низких частот
Однако целесообразнозадаться сначала величинами емкостей С из ряда стандартных значений, а затемрассчитать величины резисторов:
/>
Величины емкостей Сследует выбирать таким образом, чтобы получить значения резисторов R в пределах (10÷100) кОм.
С целью уменьшениявлияния разности входных токов ОУ должно выполняться равенство:
/>(4)
В то же время дляполучения АЧХ типа Баттерворта
/>(5)
Решая систему уравнений(4) и (5), определяют номиналы R1и R2.
Рассчитав номиналыэлементов схемы, уточняют величину коэффициента усиления в полосе прозрачности:
/>
и находят ошибку усиленияпостоянной составляющей, обусловленную дрейфом напряжения смещения нуля ОУ иего входного тока.
5.3Устройство выборки-хранения
Одна из схем УВХпредставлена на рис.10. Здесь в роли ключа применен полевой транзистор VT1 с р-n переходом. Он включен по схеме с плавающим затвором,благодаря чему независимо от величины входного аналогового сигнала достигаетсяполное открытие ключа в моменты выборки. Режим плавающего затвораобеспечивается за счет применения переключающего диода VD1. При подаче положительного импульса Uу диод VD1закрыт и транзистор VТ1 открыт, таккак потенциал затвора равен потенциалу истока (если пренебречь падением напряженияна резисторе R1 за счет тока затвора и обратноготока диода VD1). При поступлении отрицательногоимпульса управления диод VD1открывается, напряжение на затворе становится равным управляющему и транзистор VТ1 закрывается.
/>
Рисунок 10 — Вариант схемы УВХ.
Конденсатор C1 выполняет роль накопительнойемкости. В момент выборки, когда транзистор VТ1 открыт, происходит заряд емкости до мгновенного значениявходного сигнала. После закрытия ключа на VТ1 наступает режим хранения, в течение которого конденсатор C1 разряжается незначительным токомутечки закрытого транзистора VТ1 ивходным током операционного усилителя DA1. Последний включен по схеме неинвертирующего повторителя и обладает,как известно, большим входным сопротивлением (десятки мегом и более).
Проектирование УВХначинают с выбора активных элементов схемы — диода, транзистора и ОУ.Транзистор следует подбирать с наименьшим сопротивлением канала в насыщенномсостоянии, наименьшим током утечки и наименьшим напряжением отсечки />. Чем меньше />, тем легче удовлетворяютсятребования к управляющим сигналам.
Допустимое напряжениемежду стоком и истоком у транзистора
/>
Диод выбирают импульсный,маломощный, с величиной обратного тока менее единиц микроампер.
В качестве ОУрекомендуется использовать усилители с полевыми транзисторами на входах. Этитипы ОУ обладают большим входным сопротивлением и малым (десятки наноампер)входным током.
Расчет начинают с анализарежима выборки сигнала, когда конденсатор С1 заряжается через открытый ключ натранзисторе VT1. Ошибка /> -выборки зависит от соотношения постоянной времени цепи заряда и времени выборкиtв. Это позволяет установить максимально допустимоезначение емкости С1:
/>
где /> - выходное сопротивлениеисточнике сигнала (фильтра низких частот или функционального преобразователя),Ом;
/> - сопротивление открытогоключа, Ом;
/> - относительная ошибка врежиме выборки.
В режиме храненияпроисходит разряд емкости током Iут утечки транзистора VТ1, входным током Iвх ОУ. Разряжается емкость также ичерез входное сопротивление ОУ ДА1.
Ошибка, возникшая врежиме хранения, зависит от величины емкости. Это позволяет определитьминимально допустимое значение емкости накапливающего конденсатора С1:
/>
где /> - время хранения;
/> - относительная ошибкахранения ;
/> - суммарный ток утечки(равен суме тока утечки транзистора VТ1 и входного тока ОУ); /> - входное сопротивлениеповторителя напряжения.
Требуемое значениеемкости конденсатора С1 выбирают как
/> Величину сопротивлениярезистора R1 находят по формуле:
/>
где/> - обратный ток диода D1; /> -ток утечки затвора транзистора VT1. C целью ограничения выходного токапредыдущего каскада (ФНЧ или ФП) может возникнуть необходимость постановки навходе УВХ ограничительного сопротивления, величину которого находя из условия:
/>
где /> - максимально допустимоезначение выходного" тока ФНЧ или ФП. Предпочтение следует отдавать УВХ,выполненным в виде интегральных микросхем.
5.4Функциональный преобразователь
Одна из возможных схем функциональногопреобразователя, у которого с ростом входного сигнала возрастает коэффициентусиления, приведена на рис.11.
/>
Рисунок 11 — Одна извозможных схем функционального преобразователя
Принцип действияфункционального преобразователя заключается в следующем.
При /> диоды VD1÷VD3 закрыты отрицательным смещением резистивных делителей.Коэффициент усиления по напряжению:
/>
С ростом входногонапряжения повышаются потенциалы анодов диодов, в то время как потенциалы ихкатодов остаются неизменными и близкими к нулю. При /> открываетсядиод VD3 коэффициент усиления возрастает истановится
/>
При достижении /> открывается и диод VD2. Коэффициент усиления еще болеевозрастает:
/>
Наконец, при /> открывается VD1, коэффициент усиления еще большевозрастает:
/>
СПИСОК рекомендованной ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электронные промышленныеустройства: Учеб. для студ. вузов спец. «Промэлектроника» / И.В. Васильев,Ю.М. Гусев, В.Н. Миронов и др.– М.: Высш. шк., 1988. – 303 с.
2. Микропроцессоры. Кн.2.Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб.для вузов/ В.Д. Вернер, Н.В. Воробьев, А.В. Горячев и др.; Подред. Л.Н. Преснухина. — М.: Высш. шк., 1986. – 383 с.
3. Гальперин М.В. Практическаясхемотехника в промышленной автоматике. -М.: Энергоатомиздат, 1987.
4. Фолкенберри Л. Примененияоперационных усилителей и линейных интегральных схем: Пер.с англ. — М.: Мир,1985.
5. Зубчук В.И. и др.Справочник по цифровой схемотехнике: К.: Техника, 1990.
6. Шило В.Л. Линейныеинтегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Сов.радио,1979.
7. Справочник по расчету электронныхсхем / Б.С.Гершунский.- К.: Выща шк. Головное изд-во, 1983.
8. Аналоговые и цифровыеинтегральные микросхемы: 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.
9 Справочник по микроэлектроннойимпульсной технике / В.Н. Яковлев, В.В. Воскресенский, С.И. Мирошниченкои др. — Киев; Техника, 1983.
10 В помощь радиолюбителю:Сборник. Вып. 109 / Сост. И.Н. Алексеева. – М.: Патриот, 1991. – 80с.
11. Нефедоров А.В.Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т10.-М.: ИПРадиоСофт, 2000.