Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИНаціональний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”Кафедра обчислювальної техніки та програмування
УДК 681.3Інв №
АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ
Альбомдокументів курсового проекту по дисципліні
“Комп’ьютерна електроніка ”АПЗ.38.098424.003 ДКП
Харків  2001
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИНаціональний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”Кафедра обчислювальної техніки та програмування 
УДК 681.3Інв №
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідуючий кафедрою ОТП
__________(Домнін Ф.А.)
“_____”_________2001 р.
АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ
ВідомістьпроектуАПЗ.38.098424.003 ВП
Розробники
Керівник проекту
______(Скородєлов В.В.)
“_____”_________2001 р.
Виконавець
______(Борщ С.)
“_____”_________2001 р.
Харків  2001




Формат
Зона
Поз.
Обозначение Наименование
Кол. листов Примечание
Документация
общая
А4
ОАП.58Б.098424.003 ТЗ
Техническое
задание
2
А4
АПЗ.38.098424.003 ПЗ
Пояснительная
записка
24
А4
АПЗ.38.098424.003 Э1
Схема
электрическая
структурная
1
А4
АПЗ.38.098424.003 Э3
Схема
электрическая
функциональная
1 АПЗ.38.098424.003 ВП
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ Ведомость проекта
Лит
Лист
Листов
Разраб
Борщ С.
К
2
2
Провер
Скороделов В НТУ “ХПИ” Кафедра ВТП
Утв.
Домнин Ф. А.
Аннотация
Вданном курсовом проекте разработан многоканальный быстродействующийаналого-цифровой преобразователь, построенный по принципу прогрессирующегопоразрядного сравнения суммы опорных напряжений с входным сигналом, с использованиемрезисторного моста Уина как источника «взвешенного» опорногонапряжения.
          Разработка построена набыстродействующих компараторах и быстродействующих аналоговых ключах для “взвешенного”сигнала с управлением от однокристального микроконтроллера.
          В связис развитием технологии изготовления интегральных микросхем данный проектпредполагает изготовление АЦП в интегральном исполнении.
          Альбом документов курсового проектакроме пояснительной записки вмещает также чертеж структурной и функциональной схемыустройства.
 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИНаціональний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”Кафедра обчислювальної техніки та програмування 
УДК 681.3Інв №
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідуючий кафедрою ОТП
__________(Домнін Ф.А.)
“_____”_________2001 р.
АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ
ТехнічнезавданняАПЗ.38.098424.003 ТЗ
Розробники
Керівник проекту
______(Скородєлов В.В.)
“_____”_________2001 р.
Виконавець
_______(Борщ С.)
“_____”_________2001 р.
Харків  2001
Техническое  задание
Разработать быстродействующтий многоканальный АЦП с управлением от микроконтроллера.
  АПЗ.38.098424.003 ТЗ
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата Аналого цифровой преобразователь Техническое задание
Лит
Лист
Листов
Разраб
Борщ С..
К
2
2
Провер
Скороделов В. НТУ “ХПИ” Кафедра ВТП
Утв.
Домнин Ф. А,
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИНаціональний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”Кафедра обчислювальної техніки та програмування 
УДК 681.3Інв №
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідуючий кафедрою ОТП
__________(Домнін Ф.А.)
“_____”_________2001 р.
АНАЛОГО ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ
ПояснювальназапискаАПЗ.38.098424.003 ПЗ
Розробники
Керівник проекту
______(Скородєлов В.В.)
“_____”_________2001 р.
Виконавець
_______(Борщ С.)
“_____”_________2001 р.
Харків  2001
Реферат.
Данный документ представляет собой пояснительную записку объемом 24 листа. В пояснительной записке представлено 2 таблицы, 11 рисунков, использовано 8 источников литературы и сеть Internet.
В данном курсовом проекте разработан многоканальный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, построенный по принципу поразрядного сравнения суммы опорных напряжений с входным сигналом, с использованием резисторного моста Уина как источника «взвешенного» опорного напряжения.
Разработка построена на быстродействующих компараторах и быстродействующих аналоговых ключах для “взвешенного” сигнала с управлением от однокристального микроконтроллера.
В связи с развитием технологии изготовления интегральных микросхем данный проект предполагает изготовление АЦП в интегральном исполнении.
Альбом документов курсового проекта кроме пояснительной записки содержит также чертежи структурной и принципиальной схем устройства.
  АПЗ.38.098424.003 ПЗ
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата Аналого цифровой преобразователь Пояснительная записка
Лит
Лист
Листов
Разраб
Борщ С.
К
2
24
Провер
Скороделов В. НТУ “ХПИ” Кафедра ВТП
Утв.
Домнин Ф. А.
Содержание
                                                                                                                                   
Введение
1. Разработка структурной схемы устройства и обоснования принятых решений
1.1.          Выбор и обоснование структурной схемы
1.2.          Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства
1.3.          Краткое описание работы  схемы
1.4.          Техническое обоснование выбора компонентов схемы
2.          Описания принципа действия отдельных блоков
2.1.          Коммутатор и усилитель входных сигналов
2.2.          Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения
2.3.          Источник опорного напряжения
2.4.          Блок делителей опорного напряжения
2.5.          Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами для «взвешенного сигнала»
2.6.          Схема управления на микроконтроллере
3.          Алгоритм управления АЦП
4.          Схема электрическая принципиальная
5.          Расчет временных характеристик
Список использованной литературы
Заключение
      АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
3
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата Введение
Кроме чисто «цифрового» сопряжения (ключи, лампы и т. п.), часто тре­буется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала и наоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или про­цессор регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса, или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционно аналоговой работы. Аналого-цифровое преобразование следует использовать в областях, где для обеспе­чения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифро­вую форму (например, «цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая модуля­ция). Это требуется в самых разнообраз­ных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типа циф­ровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы, такие, как усреднители переходных про­цессов, «ловушки для выбросов» и осцил­лографы с 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 способов формирования аналоговых изоб­ражений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных при­боров или двух координатных изображе­ний, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппа­ратуре существует масса возможностей для применения аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
4
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата 1           РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ
1.1            Выбор  и  обоснование  структурной  схемы
В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки предусматривающие интегральное исполнение.
Исходя из этого, предлагается схема аналого- цифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнениии (т.е. выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены.
По той же причине технологической сложности изготовления источника опорного напряжения предлагается схема с использованием моста Уина (Вина).
Само ядро АЦП — схема на компараторах с суммированием опорного напряжения, выбрана из-за отсутствия сложных схем тактирования и переключения, а изготовление полупроводниковых резисторов и аналоговых ключей с заданными параметрами технологически легко решаема. Использование микроконтроллера оправданно возможностью программно компенсировать постоянную и систематическую погрешности, что в конечном счете повышает точность преобразования.
В данной разработке не рассматриваются:
а) принцип действия микроконтроллера;
б) программирование и способы обмена данными с внешними устройствами;
г) тестирование, методы настройки и проверки,
 поскольку вышеперечисленное выходит за рамки темы.  АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
5
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата 1.2 Разработка  функциональных  схем  отдельных  блоков устройства Структурная схема АЦП (Рис 2) состоит из следующих блоков:           1. Аналоговый коммутатор;           2. Входной усилитель;           3. Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения;           4. Источник опорного напряжения;           5. Блок делителей опорного напряжения с аналоговыми ключами для «взвешенного сигнала»;           6. Блок компараторов;           7. Схема управления на микроконтроллере. АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
6
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
7
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата
1.3 Краткое описание работы схемы.
Входные аналоговые сигналы         подаются на входы аналогового мультиплексора AnS, управляемого микроконтроллером МС. С выхода мультиплексора, через широкополосный усилитель сигнал подаётся на вход блока компараторов CPM, также усиленный сигнал подаётся на вход схемы автоматического переключения полярности опорного напряжения AuS.
Со схемы источника опорного напряжения Uc опорное напряжение подаётся на блок резисторных делителей с аналоговыми ключами RLin и далее на другой вход блока компараторов. С выхода блока компараторов цифровой код, эквивалентный входному измеряемому сигналу, по команде микроконтроллера MC записывается в регистр RG, из которого считывается микроконтроллером для обработки и передачи внешним устройствам.
1.4 Техническое обоснование выбора компонентов схемы.
 
В этом разделе рассматривается выбор компонентов для исполнения АЦП на дискретных элементах.
Фирмы занимающиеся производством полупроводниковых компонентов предоставляют широкий выбор быстродействующих полупроводниковых элементов: аналоговые ключи, широкополосные операционные усилители, компараторы и т.д. К сожалению, отечественная промышленность не производит компоненты с необходимыми параметрами, поэтому в разработке использована продукция зарубежных производителей. Так в качестве входного мультиплексора можно предложить микросхему 74AC4051 позволяющую коммутировать сигналы с частотой до 100МГц. Для аналоговых ключей в блоке делителей можно, к примеру, использовать микросхемы IH5341 или более быстродействующие, так фирмой «Philips» производятся аналоговые ключи с временем задержки до 2 наносекунд. АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
8
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата
Имеется также широкий выбор широкополосных операционных усилителей (см.таблицу 1).

  АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
9
Изм
Лит
№ докум
Подпись
Дата
Для схемы входного усилителяи высокоскоростных компараторов (см. таблицу 2).

          АПЗ.38.098424.003 ПЗ Лист
10
Изм
Лит
№ докум