РАЗРАБОТКА АЦП.
ВВЕДЕНИЕ
В данном курсовом проекте разработан аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
поразрядного кодирования, преобразующий входное напряжение (0-5 в) в 12 –
разрядный цифровой код.
Пояснительная записка содержит 2 раздела:
В первом разделе производится анализ метода преобразования и разрабатывается
структура устройства;
Второй раздел включает разработку устройства (функциональная и принципиальная
схемы). Объем пояснительной записки составляет листов, в том числе 3 из них
приложения.
АНАЛИЗ МЕТОДА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ВЫБОР СТРУКТУРЫ АЦП.
Анализ метода преобразования.
Метод поразрядного кодирования, при котором входная величина (Uвх)
последовательно сравнивается с суммой эталонов, имеющих значение квантов, где i
= n-1,n-2,….2,1,0 (n=12 – число разрядов выходного кода). Таким образом два
соседних эталона отличаются в два раза по значению. Уравновешивание входной
величины начинается с эталона имеющего максимальное значение. В зависимости от
результата сравнения получается цифра в старшем разряде выходного кода,
снимаемого с АЦП. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде кода
ставится 0 и дальше происходит уравновешивание входной величины следующим
эталоном в два раза меньшего значения. Если же первый эталон меньше (или равен)
входной величине, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и дальше
производится уравновешивание разности входной величины и первого эталона.
Аналогичные действия производятся для всех используемых эталонов. Следовательно,
после окончания преобразования входная величина будет уравновешена суммой тех
эталонов, у которых в соответствующих им разрядах кода стоят 1. Сравнение
входной величины и суммы эталонов производится с помощью одного сравнивающего
устройства [8].
Из описанного выше алгоритма классического метода поразрядного кодирования
видно, что при реализации этого метода преобразования необходим набор из 12
эталонных величин от минимальной Uэ1 = q равной кванту до максимальной Un = 2 ,
минимальную можно рассчитать по формуле:
(1.1)
где Uэ1 – величина напряжения младшего значащего разряда; Uвмах максимальное
входное напряжение АЦП; n – число разрядов в выходном коде.
Исходя из заданных значений по формуле 1.1 рассчитаем Uэ1:
Таким образом величина младшего значащего разряда приблизительно равна 1mv, что
с заданной точностью соответствует рассчитанному значению.
Таким образом, величина старшего разряда будет вычисляться по формуле:
Т.е. величина старшего разряда будет равна 0,001220*2048=2.4985 в.
Преобразователи напряжения в код выполненные в виде замкнутых систем со
сравнением аналоговых величин имеют цепь обратной связи, в которую включен
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразующий параллельный код в
постоянное напряжение, которое сравнивается с входным напряжением АЦП.
Выбор структуры АЦП.
Проанализировав алгоритм преобразования можно выбрать следующую структуру
устройства рис.1.2.
Данная структура содержит:
устройство управления (УУ), предназначенное для формирования выходного кода АЦП;
ЦАП, необходимого для преобразования кодов в напряжение;
Схему сравнения (СС), необходимую для сравнения входного напряжения АЦП и
напряжения с выхода ЦАП.
Данный АЦП работает в двух режимах:
Режим сравнения входного напряжения АЦП с эталонным.
Режим хранения результата преобразования.
В первом режиме работы на схему приходит сигнал запуска и начинается процесс
сравнения входного напряжения АЦП и суммы эталонных напряжений формируемых при
помощи УУ на выходе ЦАП.
Во втором режиме внутри УУ формируется сигнал“конец преобразования”, после чего
АЦП хранит результат преобразования в виде цифрового кода на выходе АЦП.
РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АЦП.
2.1 Разработка функционально схемы АЦП.
Функциональная схема АЦП (Приложение 2) реализующая метод поразрядного
кодирования и построенная по структуре рис.1.2, состоит из генератора тактовых
импульсов (ГТИ), регистра последовательного преобразования (РПП), компаратора,
ЦАП и ОУ.
Функцию каждого блока можно описать следующим образом:
УУ АЦП реализовано на (РПП), который обеспечивает выдачу эталонных кодов и
сохранение результатов сравнения их со входной величиной.
12 разрядный ЦАП, предназначенный для формирования эталонных напряжений с ОУ на
выходе т.к. ЦАПы такого типа имеют токовый выход.
Компаратор – сравнивающее устройство, которое обеспечивает сравнение входного
напряжения АЦП и напряжения с выхода ЦАП. В случае если входное напряжение
больше напряжения с выхода ЦАП на выходе компаратора появится 1.
Работу АЦП можно разбить на два этапа:
В первом этапе на РПП приходит сигнал запуска со схемы инициализации (СИ) и
тактовая частота с ГТИ, после чего в старшем разряде выходного кода РПП
устанавливается 1, код с РПП подается на ЦАП, который преобразует его в
напряжение равное 2,5 в, это напряжение поступает на сравнивающее устройство
(СУ) и сравнивается с входным напряжением ЦАП. В случае если входное напряжение
больше напряжения с выхода ЦАП на выходе компаратора появится 1, которая
поступает на информационный вход D РПП, в следствии чего произойдет сохранение
1в старшем разряде кода. В обратном случае в старший разряд РПП запишется 0.
Дальше происходит уравновешивание входной величины следующим эталоном в два раза
меньшего значения. Аналогичные действия производятся для всех используемых
эталонов.
На втором этапе на выходе Qcc (conversion complete) получаем информацию о
завершении преобразования, когда на этом выходе появляется низкий логический
уровень. С этого момента на выходе РПП будет хранится результат преобразования в
виде цифрового кода.
2.2. Разработка принципиальной схемы АЦП.
Все цифровые элементы принципиальной схемы (Приложение 3) выполнены на ТТЛ
логике 155 серии микросхем, так как она имеет наибольшее быстродействие и
сравнительно малое энергопотребление. Перечень элементов представлен в
спецификации (Приложение 1).
Работа устройства начинается с подачи сигнала запуска на вход S регистра РПП (DD
2), когда на него поступает низкий уровень регистр в первый момент тактового
импульса сбрасывается. Для инициализации схемы применена RC цепь с двумя
триггерами Шмидта на выходе, параметры цепи рассчитываются по следующей
формуле[9]:
где t - один такт работы АЦП и равен сумме времен установки всех элементов
схемы, т.е. tзRG+tзЦАП+tзкомп=28нс+3,5мкс+200нс=3,728мкс;
R1 = 5,1 Ком.
Отсюда С1= t/0,7*R1 = 3,728мкс/07*5,1Ком=1.004мкФ.
Для работы схемы необходим тактовый генератор, он реализован на логических
элементах DD1.1, DD1.2, DD1.3, резисторах R2, R3, R4, емкости C2 и кварцевом
резонаторе BQ.
После инициализации и подачи сигналов с тактового генератора регистр РПП
реализованный на микросхеме К155ИР17 (DD 2) начинает выдавать параллельный код
на входы ЦАП (DD 3), выбор которого осуществлялся из следующих условий:
необходимо преобразовывать12 разрядный код;
выходное напряжение ЦАП изменяется от 0 до 5 вольт.
Из выше перечисленных требований выбран 12 разрядный ЦАП К1108ПА1Б[3,6]. Для
обеспечения выдачи эталонного напряжения к выходу ЦАП подключен ОУ К140УД7 [3]
(DA 1)т.к. ЦАП имеет токовый выход. Для того чтобы выходное напряжение
изменялось в заданном диапазоне 0 – 5 в на ЦАП подано опорное напряжение.
Опорное напряжение ЦАП можно рассчитать по следующей формуле [7]:
,
где - максимальное напряжение с выхода ЦАП; - число двоичных разрядов входного
кода.
Максимальное напряжение с выхода ЦАП не должно превышать 5 В, а разрядность
выходного кода равна 12.
;
.
Также для обеспечения работы в заданном режиме к ОУ подключены резисторы R5,R6 и
конденсатор С3. Электрические параметры ЦАП [6] приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Электрические параметры ЦАП
Напряжение смещение нуля на выходе(0.3…0.6) мВ
Время установления выходного напряжения3,5 мкс
Входное напряжение низкого уровня0…0.8 В
Входное напряжение высокого уровня2.4 В
Сопротивление нагрузки2 кОм
Выходное напряжение(0…10) В
Напряжение опорного питания(0…15) В
Также в схеме необходимо сравнивающее устройство, для выполнения этой функции
выбран прецезионный компаратор К554СА3 [3] т.к. необходимо обеспечить сравнения
величины младшего значащего разряда (1мв).
После окончания преобразования на выходе “не С0” регистра РПП (DD 2) появляется
низкий логический уровень, что говорит о том что на выходе АЦП сохраняется код
поданного на АЦП напряжения определенного с заданной точностью.
2.3. Параметры АЦП.
К параметрам АЦП относится энергопотребление и частотные характеристики.
Энергопотребление АЦП складывается из потребляемых мощностей ИМС [3,6]:
=3.5 Вт.
Частотные характеристики будут определяться элементом время задержки, которого
максимально DA2 (К1108ПА1Б). Максимальная частота при которой устройство
работоспособно: f = 1/3,5 мкс=285 714 Гц 285 кГц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При выполнении курсового проекта было разработано АЦП поразрядного кодирования.
Устройство может работать в синхронном режиме с максимальной тактовой частотой
285 КГц, от источников питания +15-15в,+5в. Устройство имеет относительно
небольшое энергопотребление и осуществляет процесс преобразования за 4,471 мкс.