Главная Коллекция "Otherreferats" Педагогика Разработка базового комплекта контрольно-измерительных приборов для проведения лабораторных работ

Разработка базового комплекта контрольно-измерительных приборов для проведения лабораторных работ

Анализ существующих учебных стендов для организации учебного процесса в лабораториях по направлению "Информатика и вычислительная техника". Определение базовых контрольно-измерительных приборов и их характеристика. Прикладное программное обеспечение.

Рубрика Педагогика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 17.11.2015
Размер файла 3,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

  • 1. Введение
  • 2. Цель работы
  • 3. Анализ существующих учебных стендов
  • 3.1 Стенды производства компании "Учебная техника"
  • 3.1.1 ОЦМТ1-Н-К
  • 3.1.2 ОЭ2-С-Р
  • 3.1.3 ЭЦОЭ1-Н-Р
  • 3.1.4 ОЦЭ1-Н-Р
  • 3.3 Стенды производства компании "MikroElektronika"
  • 3.4 Стоимость
  • 4. Анализ дисциплин
  • 5. Определение характеристик базового комплекта оборудования
  • 6. Разработка алгоритма совместной работы узлов комплекта оборудования
  • 6.1 Узел преобразования и стабилизации питания
  • 6.2 Узел ввода и обработки аналоговой информации
  • 6.3 Модуль связи с персональным компьютером
  • 6.4 Узел генерации сигналов
  • 6.5 Вспомогательный модуль измерения, управления и отображения
  • 7. Выбор схемотехнических решений
  • 7.1 Узел преобразования и стабилизации питания
  • 7.1.1 Импульсный блок питания и фильтр питания
  • 7.1.2 Управляемый импульсный преобразователь с измеряемыми значениями тока и напряжения
  • 7.1.3 Импульсные стабилизаторы +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В
  • 7.1.4 Преобразователь питания аналоговых и цифровых частей
  • 7.2 Узел ввода и обработки аналоговой информации
  • 7.2.1 Определение схемы аттенюатора и сумматора
  • 7.2.2 Аналого-цифровой преобразователь
  • 7.2.3 Нормализатор
  • 7.2.4 Выбор компонентов и полная схема узла
  • 7.3 Модуль связи с персональным компьютером
  • 7.3.1 Интерфейс GPIF
  • 7.4 Узел генерации сигналов
  • 7.4.1 Усиление сигнала
  • 7.5 Вспомогательный модуль
  • 7.5.1 Технические требования к вспомогательному микроконтроллеру
  • 7.5.2 Выбор компонентов и полная схема узла
  • 8. Разработка протокола обмена
  • 8.1 Принцип работы шины USB
  • 8.2 Разработка протокола обмена персонального компьютера с комплектом оборудования
  • 9. Разработка прикладного программного обеспечения узлов комплекта оборудования
  • 9.1 Логика организации работы комплекта оборудования
  • 9.2 Алгоритм работы прикладного программного обеспечения
  • 9.3 Алгоритм работы программы основного контроллера
  • 9.4 Алгоритм работы программы вспомогательного контроллера
  • 10. Анализ полученных результатов
  • Заключение
  • Список литературы

1. Введение

С 2009 года в России официально введена двухуровневая система высшего образования, а именно "Бакалавриат" и "Магистратура", пришедшие на смену специалитету. Окончив обучение, бакалавры технических специальностей столкнуться с проблемой трудоустройства, так как работодатели отдают предпочтение специалистам, которые прошли ту же программу, но учились на один год больше. В связи с этим следует уделять повышенное внимание практической подготовке бакалавров. Практическая подготовка осуществляется в учебных лабораториях на специализированных учебных стендах. Также важно научить студента пользоваться измерительным оборудованием разного типа.

Универсальных стендов для каждого предмета не существует. Типовым подходом администрации учебных заведений является закупка нескольких узкоспециализированных стендов для каждого предмета. Эти стенды во многом различны, но набор измерительного оборудования, встроенного в стенд, в большинстве случаев одинаков. Так как измерительные приборы не дешевы - стоимость стендов возрастает.

Некоторые крупные компании, например National Instruments, выпускают стенды, сделанные по модульной системе - существует основа с измерительным оборудованием, на которой меняются модули, в зависимости от текущей задачи. Такие стенды позволяют изучить продукцию только компании, выпускающей стенд. Данные требования ограничивают будущих разработчиков в выборе элементной базы.

Одним из решений вышеуказанных проблем является создание комплекса контрольно-измерительного оборудования, который мог бы использоваться для проведения необходимых измерений в рамках лабораторных работ.

2. Цель работы

Целью выпускной квалификационной работы является разработка базового комплекта контрольно-измерительных приборов для проведения лабораторных работ, которые выполняются студентами при обучении в рамках образовательной программы "Информатика и вычислительная техника". Разрабатываемый комплект приборов может быть использован как учебными лабораториями для комплектования лабораторных стендов, так и для разработки и отладки макетов электронных устройств, в рамках самостоятельной работы, междисциплинарных курсовых работ и выпускных квалификационных работ.

В рамках работы требуется решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих учебных стендов для организации учебного процесса в лабораториях по направлению "Информатика и вычислительная техника".

2. Провести анализ дисциплин, требующих применение контрольно-измерительного оборудования в рамках образовательной программы "Информатика и вычислительная техника".

3. На основании проведенных анализов определить список базовых контрольно-измерительных приборов и их характеристики.

4. Разработать алгоритм совместной работы узлов комплекта оборудования.

5. Провести выбор схемотехнических решений, определить элементную базу.

6. Разработать принципиальные схемы узлов комплекта оборудования.

7. Разработать протокол обмена между персональным компьютером и комплектом оборудования.

8. Разработать прикладное программное обеспечение для узлов комплекта оборудования

9. Провести анализ полученных технических характеристик и определить пригодность для использования в качестве базового комплекта оборудования к лабораторному стенду.

3. Анализ существующих учебных стендов

Рассмотрим стенды производства компании "Учебная техника", "National Instruments", "mikroElektronika". Все вышеуказанные компании производят стенды, которые подходят для подготовки бакалавров по специальности "Информатика и вычислительная техника".

3.1 Стенды производства компании "Учебная техника"

Данная компания предоставляет большое количество различных стендов, которые подходят для многих программ обучения. Конкретно, для программы "Информатика и вычислительная техника" подходят следующие стенды [1]:

1. Основы цифровой и микропроцессорной техники - ОЦМТ1-Н-К

2. Основы электроники - ОЭ2-С-Р

3. Электрические цепи и основы электротехники - ЭЦОЭ1-Н-Р

4. Основы цифровой электроники - ОЦЭ1-Н-Р

3.1.1 ОЦМТ1-Н-К

Рис. 3.1 Стенд 3.1.1 ОЦМТ1-Н-К

В состав данного стенда входят:

1. Мультиметр

2. Ноутбук

3. Блок питания

4. Набор блоков "Основы цифровой техники"

5. Набор блоков "Микроконтроллеры"

6. Дополнительные аксессуары и компоненты

Стенд выполнен в настольном исполнении. Для управления стендом требуется использовать компьютер. Мультиметр является отдельным устройством без жесткого крепления со стендом.

Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы:

1. Логические элементы, их тестирование.

2. Простейшие цифровые устройства. Сборка, тестирование.

3. Последовательные каналы связи.

4. Микроконтроллеры. Применение в прикладных задачах.

3.1.2 ОЭ2-С-Р

Рис. 3.1 Стенд 3.1.2 ОЭ2-С-Р

В состав данного стенда входят:

1. Блок питания

2. Генератор напряжений

3. Мультиметры

4. Набор блоков "Основы цифровой техники"

5. Набор блоков "Аналоговая электроника"

6. Осциллограф двухканальный ОСУ-20

7. Дополнительные аксессуары и компоненты

В комплекте поставляется стол, на котором установлен данный стенд. Управление стендом - ручное. Мультиметров три, два из них жестко закреплены на стенде.

Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы:

1. Электронные цепи

2. Источники питания

3. Логические элементы, их тестирование.

4. Простейшие цифровые устройства. Сборка, тестирование.

5. ЦАП и АЦП. Сборка, тестирование.

6. Схемотехника логических элементов.

7. ОЗУ и ПЗУ. Сборка, тестирование.

Технические характеристики двухканального осциллографа ОСУ-20:

1. Полоса пропускания 0 - 20 МГц

2. Чувствительность прибора 5 мВ - 20В/дел., погрешность +/ - 3%

3. Коэффициент развертки: 0.2 мкс - 0.2 с/дел., погрешность +/ - 3%

4. Входной импеданс 1 МОм/30пФ

5. Входное напряжение 400В макс.

6. Режим развертки внешним сигналом (Х - Y вход)

7. Модуляция яркости луча (Z - вход)

8. ТВ синхронизация

базовый комплект информатика оборудование

3.1.3 ЭЦОЭ1-Н-Р

Рис. 3.1 Стенд 3.1.3 ЭЦОЭ1-Н-Р

В состав данного стенда входят:

1. Блок питания

2. Генератор напряжений

3. Набор электронных компонентов

4. Осциллограф ОСУ-10В

5. Мультиметры

6. Дополнительные аксессуары и компоненты

Стенд выполнен в настольном исполнении. Управление стендом - ручное. Два мультиметра жестко закреплены на стенде.

Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы:

1. Основы электроники

2. Электрические цепи

3. Технические характеристики одноканального осциллографа ОСУ-10В:

4. Полоса пропускания 0 - 10 МГц

5. Чувствительность прибора 5 мВ - 5В/дел., погрешность +/ - 3%

6. Коэффициент развертки: 0.1 мкс - 0.1 с/дел., погрешность +/ - 3%

7. Входной импеданс 1 МОм/30пФ

8. Входное напряжение 400В макс.

9. Режим развертки внешним сигналом (Х - Y вход)

10. ТВ синхронизация

3.1.4 ОЦЭ1-Н-Р

Рис. 3.1 Стенд 3.1.4 ОЦЭ1-Н-Р

В состав данного стенда входят:

1. Блок питания

2. Мультиметр

3. Набор блоков "Основы цифровой техники"

4. Блок испытания цифровых устройств

5. Дополнительные аксессуары и компоненты

Стенд выполнен в настольном исполнении. Управление стендом - ручное. Мультиметр является отдельным устройством без жесткого крепления со стендом.

Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы:

1. Логические элементы, их тестирование.

2. Простейшие цифровые устройства. Сборка, тестирование.

3. ЦАП и АЦП. Сборка, тестирование.

4. Схемотехника логических элементов.

5. ОЗУ и ПЗУ. Сборка, тестирование.

Рассмотренные выше стенды выполнены в настольном форм-факторе. В качестве модулей используются такие законченные устройства, как ноутбук, осциллограф, мультиметр.

3.2 Стенды производства компании "National Instruments"

Компания National Instruments производит стенды на основе модульной системы. Основой является рабочая станция NI ELVIS II, включающей в себя систему сбора данных. На стенд можно подключить модули расширения.

Рис. 3.2 Стенд NI ELVIS II

На рабочей станции находятся аппаратно реализованные функциональный генератор, цифровой мультиметр и регулируемые блоки питания. Все остальные контрольно-измерительные устройства реализованы в среде LabVIEW с помощью системы сбора данных (DAQ). [2] Реализованы следующие виртуальные приборы:

1. Осциллограф

2. Функциональный генератор

3. Переменные источники напряжения

4. Анализатор амплитудно-частотной характеристики

5. Анализатор спектра

6. Измеритель импеданса

7. Измеритель ВАХ

Модули расширения:

1. Модуль аналоговой схемотехники

2. Модуль цифровой схемотехники

3. Модуль силовой схемотехники

4. Модуль работы с ПЛИС

5. Модуль изучения датчиков

6. Модули изучения мехатроники, динамики и термодинамики

7. Модуль аналого-цифровой коммуникации

8. Модуль оптико-электронной коммуникации

Характеристики контрольно-измерительного оборудования:

Таблица 1

Наименование прибора

Технические параметры

Осциллограф

Количество каналов

2

Полоса пропускания

1.7 МГц

Максимальная частота дискретизации

1.25 MS/s (один канал); 500 kS/s (два канала)

Функциональный генератор

Количество каналов

1

Форма сигнала

синус, меандр, треугольник

Частотный диапазон

0.186 Гц to 5 МГц (синус); от 0.186 Гц до 1 МГц (меандр и треугольник)

Максимальная амплитуда

10Vp-p

Смещение

±5В

+15В источник питания

Выходное напряжение (без нагрузки)

+15В ±5%

Максимальный выходной ток

500мА

-15В источник питания

Выходное напряжение (без нагрузки)

-15В ±5%

Максимальный выходной ток

500мА

+5В источник питания

Выходное напряжение

+5В ±5%

Максимальный выходной ток

2А

Положительный переменный источник питания

Выходное напряжение

От 0В до +12В

Шаг установки напряжения

100мВ

Максимальный выходной ток

500мА

Разрешение источника

10бит

АЧХ/ФЧХ анализатор

Разрешение по амплитуде

12 или 16 бит, зависит от

модуля ввода-вывода

Разрешение по фазе

1 градус

Диапазон частот

5 Гц ч 35 кГц

Анализатор спектра

Входной диапазон

±10В

Разрешение по входу

12 или 16 бит

Анализатор импеданса

Диапазон частот измерения

5 Гц - 35 кГц

Анализатор вольтамперных характеристик двухполюсников

Диапазон значений силы тока

±10 мА

Диапазон изменения напряжения развёртки

±10В

Анализатор вольтамперных характеристик

четырехполюсников

Минимальный шаг изменения тока базы

15 мкА

Максимальный ток коллектора

10 мА

Максимальное напряжение на коллекторе

10В

3.3 Стенды производства компании "MikroElektronika"

Компания MikroElektronika производит большое количество стендов для разработки различных устройств на микроконтроллерах таких фирм как Atmel, Microchip, NXP, ST microelectronics и других фирм. Существует универсальная линейка стендов UNI-DS, позволяющая разработчикам использовать любую элементную базу. Последний стенд в этой линейке - UNI-DS6. [3]

Рис. 3.1 Стенд UNI-DS6

Вся линейка стендов содержит необходимый набор компонентов для полноценного изучения таких курсов как микропроцессорные системы и интерфейсы периферийных устройств. Стенд ориентирован не только на использование в учебном процессе, но и для разработок в производственных условиях. В составе стенда отсутствует измерительное оборудование. При использовании стенда в учебном процессе стенд должен комплектоваться измерительными приборами, к которым не предъявляется высоких технических требований, так как основная цель учебного процесса - научить базовым принципам разработки устройств и познакомить студентов с базовым набором контрольно-измерительного оборудования.

3.4 Стоимость

Сравним стоимость рассмотренных выше стендов:

Таблица 2

Наименование стенда

Наличие контрольно-измерительных приборов

Стоимость стенда

Дополнительные расходы

ОЦМТ1-Н-К

И

ЭЦОЭ1-Н-Р

Да, мультиметры, осциллограф, блок питания

251500 Р.

Нет

NI ELVIS II

Да, Осциллограф

Функциональный генератор

Переменные источники напряжения

Анализатор амплитудно-частотной характеристики

Анализатор спектра

Измеритель импеданса

Измеритель ВАХ

4 340 $.

или 270052 Р. по курсу на 16 марта 2015 года.

Да, обучающий курс для работы со стендом.

UNI-DS6

Нет

150 $.

или 9333,6 Р. по курсу на 16 марта 2015 года.

Да, необходима макетная плата, либо печатная плата с исследуемыми компонентами.

Для того чтобы полностью охватить все проводимые лабораторные работы по обучающей программе "Информатика и вычислительная техника" придется использовать как минимум два стенда компании "Учебная техника".

Поскольку компания "National Instruments" - монополист в данном сегменте модульных стендов - стоимость их стенда достаточно высока. Компания ограничивает студентов конкретной элементной базой и средой разработки, программирования. Это сужает возможности обучения, особенно на последних циклах лабораторного практикума и при выполнении междисциплинарных лабораторных работ и выпускных квалификационных работ.

На этом фоне идеология стендов от компании "MikroElektronika" выгодно отличаются. Данные стенды подходят, как и для учебного, так и для производственного процесса. Различие только в применяемом комплекте контрольно-измерительного оборудования.

4. Анализ дисциплин

В рамках образовательной программы "Информатика и вычислительная техника" изучаются следующие предметы технической направленности [4]:

1. Электротехника и электроника

2. Аналоговая схемотехника

3. Микропроцессорные системы

4. Интерфейсы периферийных устройств

5. RISC-микроконтроллеры

Дисциплина "Электротехника и электроника" включает в себя следующие лабораторные работы:

1. Переходные процессы в цепях с конденсаторами, резисторами, катушками индуктивности и источником напряжения.

2. Резонанс напряжения

3. Постоянный ток

4. Изучение статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и определение параметров его модели для схемотехнических расчетов.

5. Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных схем на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП) и транзисторно-транзисторных схем

6. Изучение статических характеристик ключа на БИП

Дисциплина "Аналоговая схемотехника" включает в себя следующие лабораторные работы:

1. Измерение основных параметров операционных усилителей и исследование работы инвертирующей и не инвертирующей схем включения ОУ

2. Исследование характеристик интегратора и дифференциатора

Дисциплины "Микропроцессорные системы", "Интерфейсы периферийных устройств" и "RISC-микроконтроллеры" предлагают изучить на лабораторных работах различные интерфейсы и архитектуры процессоров. Так как микропроцессоры питаются малым напряжением в диапазоне от 1.2 до 5 вольт, следует использовать блок постоянных источников напряжения с типовыми значениями напряжения.

Список необходимого оборудования для проведения вышеуказанных лабораторных работ приведен в таблице 3:

Таблица 3

Дисциплина

Оборудование

Электротехника и электроника

Осциллограф

Генератор сигналов специальной формы

Мультиметр

Регулируемый источник питания

Набор простейших электронных цепей и компонентов

Аналоговая схемотехника

Осциллограф

Генератор сигналов специальной формы

Мультиметр

Источник питания

Плата с ОУ

Микропроцессорные системы

Осциллограф

Мультиметр

Источник питания

Блок постоянных источников напряжения

Стенд линейки UNI-DS

Персональный компьютер

RISC-микроконтроллеры

Осциллограф

Мультиметр

Источник питания

Блок постоянных источников напряжения

Стенд линейки UNI-DS

Персональный компьютер

Интерфейсы периферийных устройств

Осциллограф

Генератор сигналов специальной формы

Мультиметр

Источник питания

Стенд линейки UNI-DS

Персональный компьютер

На основании вышеприведенного анализа в базовый комплект контрольно-измерительного оборудования необходимо включить:

1. Осциллограф

2. Генератор сигналов

3. Регулируемый источник питания

4. Блок постоянных источников напряжения

5. Мультиметр

5. Определение характеристик базового комплекта оборудования

Для проведения вышеуказанных работ осциллограф должен обладать следующими характеристиками:

Таблица 4

Технические характеристики

Значение

Количество каналов

2

Частота дискретизации

10 МГц

Максимальная чувствительность

Не менее 100мВ/дел.

Генератор сигналов должен обладать следующими характеристиками:

Таблица 5

Технические характеристики

Значение

Количество каналов

1

Форма сигнала

синус, меандр, треугольник

Амплитуда выходного сигнала

5В, 3.3В, 1.8В

Источник питания должен обладать следующими характеристиками:

Таблица 6

Технические характеристики

Значение

Количество каналов

1

Диапазон напряжений

от +1.5В до +12В

Максимальный выходной ток

Не менее 1.5А

Блок постоянных источников напряжения должен обладать следующими характеристиками:

Таблица 7

Технические характеристики

Значение

Требуемые напряжения

+5В, +3.3В, +2.8В,+1.8В

Максимальный выходной ток

Не менее 300мА

Напряжение +5В используется большинством микроконтроллеров разных производителей, таких как Atmel, Microchip, ST Microelectronics, Intel и другие. Также от этого напряжения питается подавляющее большинство микросхем стандартной логики.

Для уменьшения энергопотребления, некоторые линейки микроконтроллеров позволяют применять питание +3.3 вольт. Так как это напряжение соответствует напряжению типичного аккумулятора, наличие данного напряжения на стенде позволит разрабатывать портативные устройства.

Напряжение +2.8 вольт необходимо для специфичных микросхем, таких как контроллер LCD дисплеев, контроллер сенсорного экрана и ряда других узкоспециализированных микросхем.

Напряжение 1.8 вольт используются быстродействующими микроконтроллерами на базе ядер ARM и Cortex-M.

Для сокращения занимаемого места на лабораторном столе целесообразнее объединить вышеуказанное оборудование в едином корпусе, за исключением мультиметра, так как данное устройство имеет широкий спектр применений и не теряет полезности в отсутствии вышеуказанных приборов.

Для удешевления проектируемого комплекта в качестве средства отображения и обработки информации целесообразно использовать персональный компьютер, так как им комплектуется каждое рабочее место в технической лаборатории.

В качестве мультиметра предполагается использовать любое из существующих решений, обладающих следующими возможностями:

1. Измерение напряжения

2. Измерение тока

3. Измерение сопротивления

4. Проверка транзисторов и диодов

6. Разработка алгоритма совместной работы узлов комплекта оборудования

Разрабатываемый комплект контрольно-измерительного оборудования логически можно поделить на пять функциональных узлов:

1. Преобразование и стабилизация питания.

2. Узел ввода и обработки аналоговой информации.

3. Модуль связи с персональным компьютером.

4. Узел генерации сигналов.

5. Вспомогательный модуль измерения, управления и отображения.

Полная структурная схема комплекта представлена на рисунке 6.1:

Рис. 6.1 Структурная схема комплекта оборудования

Так как, согласно техническому заданию, необходимо использовать персональный компьютер, как устройство обработки и отображения информации, необходимо реализовать данный функционал. Этим занимается узел №3, основная задача которого - сопряжение компьютера и остальных узлов комплекта оборудования. Также данный узел принимает данные с АЦП из узла №2.

Так, как обмен данными между узлом №3 и персональным компьютером будет отнимать большое количество процессорного времени контроллера, следует применить вспомогательный контроллер (узел №5), который будет контролировать работу остальных узлов. Информацию от контролируемых узлов вспомогательный микроконтроллер будет передавать основному контроллеру через один из стандартных интерфейсов микроконтроллеров.

6.1 Узел преобразования и стабилизации питания

Целью данного узла является преобразование сетевого переменного напряжения в постоянное однополярное напряжение. Далее данное напряжение необходимо подать на три модуля, реализующих следующие функции:

1. Преобразование в четыре заданных напряжения +5В,+3.3В,+2.8В,+1.8В.

2. Переменный преобразователь с программно задаваемым выходным напряжением

3. Модуль питания аналоговых и цифровых частей прибора.

Существует два основных пути решения проблемы питания - использование либо трансформаторного, либо импульсного блока питания. Для уменьшения габаритов разрабатываемого устройства целесообразнее применить импульсный блок питания. Стоит отметить, что импульсный блок питания в силу своей особенности работы добавляет в выходное напряжение шум, который, обычно находится в диапазоне от 50 до 150 милливольт. Для уменьшения шума следует применить фильтр.

Преобразование в заданные напряжения можно осуществить либо импульсным, либо линейным стабилизатором. Так как к прибору не предъявлено высоких требований к содержанию шума в выходных параметрах для заданных напряжений, целесообразно использовать четыре импульсных стабилизатора. Данный подход позволит повысить плотность монтажа на печатной плате и уменьшить количество тепла, выделяемого стабилизаторами при таком же выходном токе, как и у аналогичного по параметрам линейного стабилизатора.

Реализацию программно-управляемого преобразователя также целесообразнее осуществлять на импульсном стабилизаторе. Под требования, предъявляемые к данному преобразователю, подходит внушительное количество мощных импульсных стабилизаторов. Измерение выходного напряжения и тока, а также управление преобразователем целесообразнее реализовать с помощью вспомогательного модуля (узел 5).

Для питания аналоговых частей прибора потребуется двуполярное стабильное питание, с малым шумом питания. Для реализации положительного стабилизированного питания целесообразнее воспользоваться линейным стабилизатором. Реализацию отрицательного питания целесообразнее выполнить на инвертирующем импульсном преобразователе, после которого также следует установить линейный стабилизатор отрицательного питания. Для уменьшения выделяемой мощности на стабилизаторах необходимо подобрать напряжение стабилизации максимально приближенным к выходному напряжению импульсного блока питания.

Для стабильного напряжения питания цифровой части также следует применить линейный стабилизатор. Полная схема узла питания показана на рисунке 6.2:

Рис. 6.1 Схема узла питания

6.2 Узел ввода и обработки аналоговой информации

Основная задача данного узла - захват аналогового сигнала и его преобразование в дискретные значения для дальнейшей обработки.

Согласно заданным характеристикам, частота дискретизации должна быть не менее 10 мегагерц. Такой частотой дискретизации обладают лишь быстродействующие восьмиразрядные АЦП. Полный размах входного сигнала данных АЦП обычно не превышает одного-двух вольт.

Для приведения входного значения к приемлемому для АЦП диапазону необходим аттенюатор, для ослабления сигнала и сумматор, для сдвига ослабленного сигнала к приемлемому входному диапазону. Также целесообразно применить нормализатор непосредственно перед АЦП, для защиты входа АЦП от перенапряжения.

Полная схема данного узла показана на рисунке 6.3:

Рис. 6.1 Схема узла ввода и обработки аналоговой информации

Аттенюатор целесообразнее реализовать на резистивных делителях, а переключение между резисторными сборками осуществлять с помощью твердотельных оптореле. Непосредственно перед аттенюатором необходимо применить операционный усилитель в режиме повторителя, для того чтобы при переключении аттенюатора не менялись входные параметры узла.

Сумматор также следует реализовывать на операционном усилителе. Дополнительный сигнал, необходимый для произведения его суммирования с основным можно получить либо с помощью цифро-аналогового преобразователя, либо с помощью широтно-импульсной модуляции с последующей фильтрацией.

Конструкция нормализатора зависит от параметров АЦП.

6.3 Модуль связи с персональным компьютером

Задача данного модуля - организовать связь с персональным компьютером. Также данный узел организовывает работу АЦП. Так как АЦП быстродействующий, необходим контроллер, способный эффективно управлять данным АЦП.

Заданная частота дискретизации АЦП - 10 мегагерц. Разрядность АЦП - 8 бит. Необходимая расчетная скорость передачи данных должна равняться 76 мегабитам в секунду. Для такой скорости передачи данных подходит интерфейс USB, расчетная максимальная скорость которого составляет 480 мегабит в секунду. Но так как интерфейс USB имеет топологию шины и в большинстве персональных компьютеров к этой шине уже подключены некоторые периферийные устройства, следует рассчитывать на скорость не выше 300 мегабит в секунду.

Также данный модуль должен сообщаться с вспомогательным модулем по одному из стандартных интерфейсов.

Полная схема данного узла представлена на рисунке 6.4:

Рис. 6.1 Схема модуля связи с персональным компьютером

6.4 Узел генерации сигналов

Основная задача данного узла - генерация сигналов заданной формы. Один из способов реализовать генерацию сигналов - использовать прямой цифровой синтезатор частоты (DDS). Прямой цифровой синтезатор частоты синтезирует выходной сигнал цифровыми методами. За последние десятилетия стоимость микросхем цифрового синтеза сократилась на несколько порядков, что, соответственно, позволяет использовать повсеместно, в том числе и в разрабатываемом устройстве.

В зависимости от выходных параметров цифрового синтезатора, меняется реализация схемы приведения выходного сигнала к необходимым значениям. Общий принцип реализации заключается в следующем: усиление выходного сигнала операционным усилителем и операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления для стабильных выходных параметров схемы. Для получения различных значений диапазонов выходных сигналов требуется управлять усилением операционного усилителя.

Полная схема данного узла представлена на рисунке 6.5:

Рис. 6.1 Схема узла генерации сигналов

6.5 Вспомогательный модуль измерения, управления и отображения

Данный узел реализует возможность управления остальными узлами. Также узел производит необходимые измерения с выхода программно-управляемого импульсного блока питания и выводит на устройство отображения информацию о состоянии остальных узлов, кроме узла ввода и обработки аналоговой информации, так как управление вышеуказанным узлом осуществляет модуль №3.

В качестве устройства отображения целесообразнее применить графический монохромный дисплей. Данное решение позволяет достаточно наглядно организовать отображение необходимой информации.

Для проведения необходимых измерений целесообразнее применить внешний модуль АЦП, для уменьшения помех со стороны микроконтроллера и повышения скорости обработки. Для связи АЦП и микроконтроллера целесообразнее использовать один из стандартных интерфейсов вспомогательного микроконтроллера.

Для управления остальными узлами целесообразнее пользоваться возможностями вспомогательного микроконтроллера, такими, как широтно-импульсная модуляция, с последующей фильтрацией с помощью RC-цепочки, а также возможностью управления твердотельными оптореле с помощью портов ввода-вывода.

Для предоставления пользователю возможности управления узлами непосредственно на приборе, целесообразнее применить некоторую комбинацию кнопок и датчиков угла поворота, что позволит создать интуитивно понятную модель управления.

Так как данный узел не является единственным устройством отображения в разрабатываемом комплекте, необходимо предусмотреть возможность сообщения вспомогательного микроконтроллера с основным из узла №3. Для реализации данной возможности целесообразнее воспользоваться одним из стандартных интерфейсов передачи данных, предоставляемым микроконтроллером.

Полная схема узла представлена на рисунке 6.6:

Рис. 6.1 Схема вспомогательного модуля

7. Выбор схемотехнических решений

7.1 Узел преобразования и стабилизации питания

Функционально, данный узел можно поделить на следующие блоки:

1. Импульсный блок питания и фильтр питания

2. Управляемый импульсный преобразователь с измеряемыми значениями тока и напряжения

3. Импульсные стабилизаторы +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В

4. Преобразователь питания аналоговых и цифровых частей

7.1.1 Импульсный блок питания и фильтр питания

Для данной разработки целесообразнее применить готовый импульсный блок питания, нежели заниматься его разработкой. На данный момент существует большое количество компаний, предоставляющее готовые решения импульсных блоков питания. Одна из самых известных - компания MeanWell.

Блоки питания данной компании известны высоким соотношением цена/качество и предоставляют на выбор огромное количество различных по параметрам блоков питания.

Технические требования к импульсному блоку питания

Для управляемого импульсного преобразователя импульсный блок питания обязан обеспечить выходное напряжение, превышающее 12В, а ток должен быть более 1.5 ампер. Поскольку управляемый импульсный преобразователь не является единственным потребителем, необходимо также предусмотреть запас по току для остальных потребителей. Таким образом, выходной ток должен быть не менее 3А. Выходной шум блока питания должен быть как можно более низким.

Импульсные преобразователи компании MeanWell производят импульсные блоки питания с фиксированным выходным напряжением. Следующее выходное напряжение после двенадцати вольт: +15В.

Выбор блока питания

Рассмотрим импульсные блоки питания данной компании, имеющие фиксированное выходное напряжение + 15 вольт и выходной ток не менее 3А:

Таблица 8

Название

Выходной ток, А.

Мощность, Вт.

Шум, мВ.

Габаритные размеры, ДхШхВ, мм.

Цена, руб.

RS-75-15

5

75

120

129x97x38

1270

NES-75-15

5

75

150

159x97x38

1390

NES-100-15

7

100

150

159x97x38

1330

NES-150-15

10

150

150

199x98x38

2520

Цены на данные блоки питания взяты с сайта "Чип и Дип" [5]. Как видно из таблицы 8, лучшим выбором будет являться блок питания RS-75-15, так как он обладает меньшими шумами и меньшими габаритами по сравнению с аналогичным блоком питания из линейки NES. Выходной ток данного блока питания - 5А, что, соответственно, подходит под наши технические требования.

Фильтр питания

Для уменьшения шума выходного напряжения компания MeanWell рекомендует фильтровать выходной сигнал с данных блоков питания. Для фильтрации предлагается использовать LC-фильтр. В качестве фильтра целесообразнее применить уже готовый модуль производства компании Murata.

Компания Murata производит блочные LC-фильтры, которые эффективно подавляют электромагнитные помехи в широком диапазоне частот. В качестве примера рассмотрим блочный фильтр BNX016-01.

Фильтр спроектирован для подавления электромагнитных помех в силовых цепях постоянного тока. Номинальное постоянное напряжение - 25 вольт. Номинальный ток - 15 ампер. Фильтр осуществляет эффективное подавление шума в диапазоне частот от 100 килогерц до 1 гигагерца. На рисунке 7.1 показана зависимость подавления помех от частоты сигнала:

Рис. 7.1 График зависимости подавления помех от частоты сигнала для фильтра BNX016-01

Стоимость данного фильтра в магазине "Чип и Дип" равняется 150 рублям [6]. Использование данного фильтра позволит значительно сократить помехи импульсного блока питания RS-75-15.

7.1.2 Управляемый импульсный преобразователь с измеряемыми значениями тока и напряжения

Каждый регулируемый импульсный преобразователь имеет вход обратной связи (Feedback), на который подается часть выходного напряжения с преобразователя. Логика работы данного принципа стабилизации выходного напряжения такова: импульсный преобразователь поддерживает на выходе обратной связи некое постоянное опорное напряжение. Если данное напряжение изменить внешним сигналом, преобразователь начнет изменять выходное значение напряжения до тех пор, пока напряжение на входе обратной связи не примет значение опорного. Чаще всего, подаваемое на вход обратной связи напряжение является частью входного, пропущенного через резистивный делитель.

Если вместо резистивного делителя установить операционный усилитель, и на его неинвертирующий вход подать выходное напряжение преобразователя, а на инвертирующий вход подать требуемое выходное напряжение, то на выходе операционного усилителя получится разница этих напряжений. Подключая выход операционного усилителя к входу обратной связи преобразователя, мы получим регулируемый импульсный преобразователь напряжения.

Значение требуемого выходного напряжения легче всего получить с помощью широтно-импульсной модуляции, с последующей фильтрацией на двух RC-цепочках и усилением до требуемого значения на операционном усилителе.

Измерение выходного напряжения логичнее всего производить с помощью резистивного делителя. Для упрощения расчета в качестве резистивного делителя логичнее всего применить подстроечный резистор и опытным путем настроить его на требуемое значение деления.

Для измерения тока следует применить токовый шунт. В качестве шунта можно применить мощный резистор с сопротивлением в диапазоне от 0.01 ома до 1 ома. Так как падение напряжения при таких значениях сопротивления очень мало, после шунта следует применить операционный усилитель, который усилит данное значение для его последующей обработки.

Технические требования

К управляемому импульсному преобразователю предъявлены следующие требования:

· Диапазон выходных напряжений: от +1.5В до +12В

· Максимальный выходной ток: не менее 1.5А

Выбор необходимых компонентов

Существует два основных семейства импульсных стабилизаторов, подходящие нам по параметрам. Это стабилизаторы LM257X и LM259X. Конкретно нам подходят стабилизаторы LM2576 и LM2596. Данные стабилизаторы на первый взгляд абсолютно идентичны, но стабилизатор LM2596T обладает меньшими требованиями к внешним компонентам, таким как индуктивность и конденсаторы, за счет чего уменьшается размер разрабатываемого модуля.

В таблице 9 указаны основные параметры данных преобразователей:

Таблица 9

Название

Диапазон выходных напряжений, В.

Выходной ток, А

Цена, руб.

LM2596T

1.23 - 37

3

170

LM2576T

1.23 - 37

3

120

Целесообразнее выбрать преобразователь LM2596T, так как нам важен не только ценовой параметр, но и объем занимаемого места. Для более эффективного пассивного охлаждения производитель данного преобразователя рекомендует использовать радиатор.

Схема блока импульсного преобразователя

Рис. 7.1 Схема блока импульсного преобразователя

На рисунке 7.2 представлена схема электрическая принципиальная блока импульсного преобразователя. Разъем J1 служит для предварительной настройки данного блока. В дальнейшем средний вывод данного разъема будет подключен к вспомогательному микроконтроллеру для управления LM2596T.

Резистор R2 служит для разряда выходной емкости при отключенной нагрузке. Стабилитрон D2 служит для защиты входа АЦП при скачках тока. Разъемы J2 и J3, соответственно, вход и выход данного блока. Разъем J4 подключается к вспомогательному узлу.

Первый контакт - выход ШИМ после фильтрации. Второй - усиленное на операционном усилителе падение напряжения после шунта. Третий контакт - напряжения с резистивного делителя.

Номиналы конденсаторов, индуктивности, диода Шоттки выбраны согласно справочному руководству по микросхеме LM2596T [7].

Номиналы компонентов

Таблица 10

Обозначение

Тип

Номинал

Количество

Примечание

U1

Микросхема

LM2596T

1

U2, U3

Операционный усилитель

LM358DT

2

С1, С2

Электролитический конденсатор

470 мкФ

2

С3, С4

Керамический конденсатор

0.1 мкФ

2

D1

Диод Шоттки

SR540

1

D2

Стабилитрон

1N4731A

1

R1, R4, R10

Подстроечный резистор

10 кОм

2

R2

Мощный резистор

1 кОм

1

5 Вт

R3

Мощный резистор

0.1 Ом

1

5 Вт

R9, R11, R12

Резистор

470 Ом

3

R5, R6, R7, R8

Резистор

100 кОм

4

L1

Индуктивность

20 мкГ

1

J1

Разъем

PLS - 3

1

J2, J3

Разъем

MPW - 3

2

J3

Разъем

PLS - 4

1

7.1.3 Импульсные стабилизаторы +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В

К данному блоку предъявлены следующие технические требования:

1. Выходные напряжения: +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В

2. Максимальный ток: не менее 300мА.

Выбор импульсных стабилизаторов

Проведем анализ доступных импульсных стабилизаторов и преобразователей, подходящих под описанные выше технические характеристики:

Таблица 11

Название

Выходное напряжение, В.

Выходной ток, мА

Цена, руб.

MC34063A

От +1 до + 40

500

23

LM3670MF-ADJ

0.7В, 1.2В, 1.5В, 1.6В, 1.8В, 1.875, 2.5В, 3.3В

350

50

NJM2360D

1.25…40

1500

84

L5973D013TR

1.24…36

2000

110

Как видно из таблицы 11, лучшим выбором будет микросхема MC34063A. Она обеспечивает выходной ток до 500 мА в заданном диапазоне выходных напряжений. Также данная микросхема является более дешевой, нежели остальные рассмотренные преобразователи.

Расчет параметров

Микросхема MC34063A является повышающим / понижающим / инвертирующим преобразователем напряжения.

Нам потребуется включить данную микросхему в понижающем режиме. Типичное включение данной микросхемы в понижающем режиме показано на рисунке 7.3 Нам потребуется четыре таких преобразователя. Для расчета необходимых значений электронных компонентов стоит воспользоваться специальным калькулятором для данной микросхемы [8].

Рис. 7.1 Типовое включение MC34063A в понижающем режиме

Параметры, одинаковые для всех четырех преобразователей:

Таблица 12

Наименование

Значение

Входное напряжение

+15В

Выходной ток

450мА

Уровень пульсаций на выходе

35мВ

Расчет параметров необходимых компонентов:

Таблица 13

Параметр

Напряжение + 5В

Напряжение + 3.3В

Напряжение + 2.8В

Напряжение + 1.8В

Ct

390пФ

300 пФ

270 пФ

180 пФ

Ipeak

900мА

900мА

900мА

900мА

Rsc

0.33 Ом

0.33 Ом

0.33 Ом

0.33 Ом

Lmin

97 мкГ

90 мкГ

84 мкГ

61 мкГ

Co

83 мкФ

95 мкФ

98 мкФ

95 мкФ

R1

1 кОм

11 кОм

1.3 кОм

7.5 кОм

R2

3 кОм

18 кОм

1.6 кОм

3.3 кОм

Fosc

38.5 кГц

34 кГц

33 кГц

34 кГц

Сt - емкость, которая задает частоту для преобразователя. Ipeak - максимальный пиковый ток, проходящий через индуктивность L. Rsc - резистор, использующийся в роли токового шунта, защищает микросхему от короткого замыкания, и при любом другом превышении тока. Lmin - минимальное значение индуктивности. Со - фильтрующий конденсатор. Fosc - частота преобразования, зависит от емкости Сt. R1 и R2 - плечи резистивного делителя.

Схема блока импульсных стабилизаторов

Схема электрическая принципиальная для одного стабилизатора данного блока представлена на рисунке 7.4:

Рис. 7.2 Схема импульсного стабилизатора

Номиналы компонентов

Таблица 14

Обозначение

Тип

Номинал

Кол-во

Прим.

U1, U2, U3, U4

Импульсный преобразователь

MC34063A

4

D1, D2, D3, D4

Диод Шоттки

VS-11DQ10

4

C3, C4, C5, C6, C8, C9, C11, C12

Электролитический конденсатор

100 мкФ

8

C1

Керамический конденсатор

390 пФ

1

C2

Керамический конденсатор

300 пФ

1

C7

Керамический конденсатор

270 пФ

1

C10

Керамический конденсатор

180 пФ

1

R1, R2, R6, R10

Резистор

0.33 Ом

4

1 Вт

L1, L2, L3, L4

Индуктивность

100 мкГ

4

Ток не менее 900мА

R3

Резистор

11 кОм

1

R4

Резистор

18 кОм

1

R5

Резистор

1 кОм

1

R7

Резистор

1.3 кОм

1

R8

Резистор

1.6 кОм

1

R9

Резистор

3 кОм

1

R11

Резистор

7.5 кОм

1

R12

Резистор

3.3 кОм

1

J1, J2, J3, J4, J5

Разъем

MPW - 3

5

7.1.4 Преобразователь питания аналоговых и цифровых частей

Для получения двуполярного источника питания для аналоговых цепей необходимо применить инвертор напряжения. В качестве инвертора применим импульсный преобразователь, рассмотренный выше - MC34063A.

Рис. 7.1 Типовая схема включения MC34063A в инвертирующем режиме

Типовая схема включения данной микросхемы в качестве инвертора представлена на рисунке 7.5 Расчет параметров произведем при помощи калькулятора [8]:

Таблица 15

Наименование

Значение

Входное напряжение

+15В

Выходное напряжение

-15В

Выходной ток

214.5 мА

Напряжение пульсаций

23 мВ

Частота преобразования

94.5 кГц

Ct

220пФ

Ipeak

901 мА

Rsc

0.33 Ом

Lmin

85 мкГ

Co

470 мкФ

R1

1 кОм

R2

11 кОм

Для дальнейшей стабилизации целесообразнее применить линейные стабилизаторы L7805 и L7905.

Схема преобразователя питания аналоговых и цифровых частей

На рисунке 7.6 представлена схема электрическая принципиальная преобразователя однополярного напряжения в двуполярное с последующей стабилизацией. Выходное напряжение узла: ±5 вольт.

Рис. 7.2 Схема преобразователя напряжений

Номиналы компонентов преобразователя питания

Номиналы компонентов для линейных стабилизаторов выбраны согласно справочному руководству [9]. Номиналы для импульсного преобразователя выбраны в таблице 15.

Таблица 16

Обозначение

Тип

Номинал

Количество

Примечание

U1

Импульсный преобразователь

MC34063A

1

U2

Линейный стабилизатор

MС7805

1

U3

Линейный стабилизатор

MС7905

1

L1

Индуктивность

100 мкГ

1

D1

Диод Шоттки

VS-11DQ10

1

D2

Диод

1N4001

1

C1

Конденсатор керамический

220 пФ

1

C5

Конденсатор электролитический

100 мкФ

1

C6

Конденсатор электролитический

470 мкФ

1

C2

Конденсатор керамический

0.33 мкФ

1

C3, C4, C7, C8

Конденсатор танталовый

1 мкФ

4

R1

Резистор

0.33 Ом

1

1 Вт

R5

Резистор

1 кОм

1

R9

Резистор

11 кОм

1

J1, J2

Разъем

MPW - 3

2

Полная схема узла преобразования и стабилизации питания в приложении 1.

7.2 Узел ввода и обработки аналоговой информации

Как было указано в разделе 6.2, данный узел состоит из повторителя, аттенюатора, сумматора и АЦП. Для приборов подобного рода входной импеданс должен составлять: 1 МОм, 30 пФ. Для обеспечения данных параметров следует применить следующую схему:

Рис. 7.1 Схема обеспечения неизменного входного импеданса

Данная схема обеспечивает неизменный входной импеданс, в независимости от последующих преобразований сигнала. Для того, чтобы отсеивать постоянную составляющую сигнала - применена емкость С1. Если требуется наблюдать постоянный сигнал, замыкается ключ U1. В качестве ключа планируется использовать твердотельное оптореле.

С2 - подстроечный конденсатор в диапазоне 10-30 пФ. Резисторы R3 и R4 имеют сопротивление 510 и 481 кОм соответственно, точность резисторов - 1%. Конденсатор С3 имеет емкость 2.2 нФ. Сопротивление резистора R5 - 10 кОм. Номиналы компонентов подобраны так, чтобы входной импеданс схемы равнялся выбранным значениям: 1 МОм, 30 пФ.

Компонент U2 - операционный усилитель, который включен в режиме повторителя. Данный операционный усилитель должен иметь очень высокое входное сопротивление и малую емкость по входу. Коэффициент передачи данного усилителя равняется единице.

7.2.1 Определение схемы аттенюатора и сумматора

Для ослабления сигнала необходимо применить аттенюатор. В качестве аттенюатора было решено применить сборку из резистивных делителей. Выбраны следующие коэффициенты деления:

1. 1/1x

2. 1/2x

3. 1/5x

4. 1/10x

5. 1/20x

6. 1/50x

Схема резистивного делителя показана на рисунке 7.8:

Рис. 7.1 Схема аттенюатора на резистивных делителяю

Номиналы резисторов указаны в таблице 17:

Таблица 17

R1

R2

R3

R4

R5

R6

510 Ом 1%

300 Ом 1%

100 Ом 1%

51 Ом 1%

30 Ом 1%

20 Ом 1%

Для коммутации аттенюатора с сумматором можно применить либо мультиплексор, либо твердотельные оптореле. Так как стоимость одного мультиплексора примерно равняется стоимости одного оптореле (стоимость компонентов взята на сайте компании "Чип и Дип" [10]), целесообразнее применить мультиплексор 74НС4051.

Схема включения мультиплексора в цепь аттенюатора показана на рисунке 7.9:

Рис. 7.2 Схема аттенюатора

Управление мультиплексором осуществляется с помощью всего трех выводов вспомогательного микроконтроллера. В зависимости от поданной комбинации на входы А, В, С, мультиплексор подключает один из входов, чей номер равен поданной комбинации к выходу Х.

Сумматор логичнее всего реализовать с помощью дифференциального операционного усилителя. Данное решение позволит отфильтровать помехи входного сигнала, а также упростит схему смещения сигнала.

Типичный представитель дифференциального операционного усилителя - усилитель AD8129. Типичная схема включения данного операционного усилителя показана на рисунке 7.10:

Рис. 7.3 Типовая схема включения ОУ AD8129

Выходное напряжение данной схемы рассчитывается следующим уравнением:

Vout = Vin * (1+Rf/Rg) + Voffset

Voffset - напряжение смещения. Коэффициент усиления входного сигнала зависит от резисторов Rf и Rg. Напряжение Voffset проще всего получить с помощью широтно-импульсной модуляции с последующей фильтрацией на двух RC-цепочках, причем земля первой цепочки будет цифровой, а земля второй - аналоговой. Данное решение позволит максимально стабилизировать сигнал Voffset.

Напряжение питания аналоговой части ±5 вольт, соответственно диапазон входных напряжений составляет чуть менее 10, так как выходной сигнал операционного усилителя не может равняться напряжению питания. Для использования всего диапазона аттенюатора и повышения максимальной чувствительности, следует принять коэффициент усиления на сумматоре равным 8.

В таблице 18 показана зависимость амплитуды входных напряжений от коэффициента ослабления аттенюатора. Коэффициент усиления сумматора равен 8, а максимальная выходная амплитуда сигнала равняется 1 вольту.

Таблица 18

1/1

1/2

1/5

1/10

1/20

1/50

Амплитуда входного сигнала, Делитель щупа 1/1х

0.125

0.25

0.625

1.25

2.5

6.25

Амплитуда входного сигнала, Делитель щупа 1/10х

1.25

2.5

6.25

12.5

25

62.5

Как видно из таблицы, при применении щупа с делителем, диапазон измеряемых значений достаточно велик. А максимальная чувствительность составляет 500 микровольт на каждый отсчет АЦП при делителе 1/1 на аттенюаторе и внешнем щупе.

Значение амплитуды входного сигнала при коэффициенте деления на щупе - 1/1, не превышает амплитуду питания, соответственно, является приемлемым значением.

7.2.2 Аналого-цифровой преобразователь

Как было определено в разделе 6.2, необходим восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь, способный обеспечить частоту дискретизации не менее 10 мегагерц. Рассмотрим преобразователи, подходящие по описанным выше параметрам:

Таблица 19

Наименование

Частота выборок, Мвыб/сек.

Амплитуда входного сигнала, В

Количество каналов

Цена, руб.

AD9057

80

1

1

220

AD9288

100

0 … 3.1

2

2080

ADS830

60

1.5 … 3.5

1

540

MAX19507

130

0.4 … 1.4

2

1982

TLV5535

35

0.8 … 3.6

1

629

Цены на данные микросхемы взяты на сайте компании "EInfo" [11]. Как видно из таблицы 19, все представленные АЦП подходят нам по параметрам, соответственно логичнее выбрать самый дешевый вариант - AD9057.

АЦП AD9057 является простым восьмиразрядным аналого-цифровым преобразователем с полосой пропускания 120 мегагерц, низким потреблением и малогабаритным размером. Внутри данный преобразователь содержит источник опорного напряжения, выдающий 2.5 вольт и цепь удержания входного сигнала, что упрощает разработку схем с данным АЦП.

Управление данным АЦП осуществляется с помощью выхода Encode. При подаче на вход тактового сигнала прямоугольной формы, при возрастании сигнала начинается преобразование АЦП. При спаде тактового сигнала АЦП гарантирует, что на параллельной шине находится измеренное значение.

7.2.3 Нормализатор

Для защиты входа АЦП от перенапряжения целесообразнее применить некий нормализатор, который ограничит напряжение, когда оно выйдет за разрешенный диапазон. В качестве опорного напряжения будем использовать внутренний источник опорного напряжения на 2.5В. Амплитуда входного сигнала для данного АЦП - 1 вольт. Соответственно, диапазон входных напряжений равняется: от 2 до 3 вольт.

В качестве нормализатора предлагается применить следующую схему:

Рис. 7.1 Схема нормализатора

Логика работы данной схемы использует свойства диода. Типичное падение напряжение на диоде 0.6 вольт. При напряжении в диапазоне от 2 до 3 вольт, весь сигнал подается на вход АЦП. Как только разница входного напряжения от опорного превысит падение напряжения на диоде, все "лишнее" напряжение потечет сквозь один из диодов, что защитит вход АЦП от перенапряжения.

Усилитель U1 следует выбирать исходя из максимального выходного тока. Выходной ток усилителя должен быть больше, чем максимальный пропускаемый ток диода. Падение напряжения на диоде должно быть не менее 0.5 вольт. Так как диоды обладают паразитной емкостью, необходимо компенсировать её резистором. При применении резистора получается RC фильтр. Номинал резистора выбирается исходя из необходимой частоты среза RC-цепочки, где C - емкость диода.

Формула расчета: 1/ (RC) = ф, где ф постоянная времени. Для уменьшения влияния данной цепи на исследуемый сигнал период сигнала должен быть больше ф не менее чем в 3 раза.

7.2.4 Выбор компонентов и полная схема узла

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены