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.