Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

“Электронные системы”

на тему: “Система сбора аналоговых данных”

Сумы 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Литературный обзор

2. Выбор и расчет структурной схемы канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

3. Определение технических требований к функциональным блокам системы

4. Выбор и обоснование структуры управляющего тракта

5. Выбор и расчет принципиальных схем основных блоков системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

С каждым днем системы обработки данных вне зависимости от их конечного назначения усложняются, а требования, предъявляемые к ним растут. В связи с этим стали актуальными вопросы разработки и применения узлов и устройств, выполненных на основе интегральных микросхем и микроконтроллеров, как специализированных микропроцессоров.

Если за последнее десятилетие модели объектов и регуляторов не претерпели больших изменений, то в области способов управления, аппаратуры и подхода разработки к созданию автоматов произошли существенные преобразования, связанные с цифровым представлением информации и программной реализацией алгоритмов. Автоматизация управления требует высокой степени доверия к аппаратуре и ее высокой надежности. Уверенность в том, что аппаратура исправна, обеспечивается периодическим контролем, проведением диагностических процедур.

В настоящее время большое внимания уделяется проектированию электронных систем сбора и первичной обработки информации. Для электронных цифровых систем характерны высокая скорость измерения параметров, удобная форма представления информации, гибкий интерфейс, меньшая погрешность измерений. Одна важнейших задач управления -- регулирование состояния объектов. Это требует последовательности выполнения операций, основными из которых являются:

а) получение сведений о состоянии объекта или процесса;

б) получение извне командных воздействий, определяющих требуемое состояние объекта или процесса;

в) обработка полученных сигналов с целью наиболее эффективного приведения объекта или процесса в заданное состояние;

г) формирование управляющих воздействий, которые с помощью исполнительных органов изменяют режим работы объекта.

Таким образом, развитие средств обработки информации на сегодняшний день является весьма важным и перспективным.

1. Обзор литературы

В условиях современного роста науки и техники с каждым днем системы в целом и системы сбора информации в частности все более усложняться. Все это привело к необходимости в высокой степени автоматизации процессов вычисления параметров управления, проведения процедур контроля, измерения элементов технологических процессов. Все эти различные по своей физической сущности задачи могут быть решены на основе использования автоматизированных систем сбора и обработки данных. Основным направлением проектирования современных систем сбора и обработки данных является создание децентрализованных конфигураций систем, которые базируются на применении в качестве аппаратуры обработки данных МП или мини-ЭВМ.

Технические средства для реализации автоматизированных систем СОД должны содержать комплект устройств, реализующих задачу ввода информации в МП без участия человека-оператора. Эта задача решается на основе введения датчиков первичной информации для преобразования неэлектрических величин в пропорциональные электрические.

Обычно источники сигналов и каналы связи располагают вблизи от агрегатов энергетических установок, электрических кабелей и другого электротехнического оборудования, которое является источником помех. Помехи вносят погрешности в аналоговые сигналы и искажают цифровые данные. Поэтому одной из основных задач систем сбора данных является улучшение качества сигналов, поступающих от различных датчиков. Качество сигнала в наиболее компактной форме выражается в виде отношения сигнал/шум в тракте от аналогового входа до цифрового выхода АЦП. Это отношение является универсальным показателем, позволяющим оценить характеристику системы сбора данных, основной задачей которой является получение такого соотношения сигнал/шум в каждом канале системы сбора и обработки данных, которое обеспечило бы требуемую точность преобразования и длину слова на входе микропроцессора или микроЭВМ.

Таким образом, автоматизированная система сбора и обработки данных представляет собой сложное техническое устройство, которое в наиболее общем случае осуществляет автоматическое вычисление совокупных параметров управления, контроля, измерения объектов, различных по своей физической сущности, и регистрацию результатов вычислений.

Целью проведения процедур сбора и обработки данных являются получение достоверной информации о состоянии объекта и рациональная организация процессов управления, контроля, измерения с высокими качественными характеристиками. Действительное качество процесса полностью определяется множеством параметров Р₁, Р₂, ..., Р_m объекта, числовое значение которых формирует объем первичной информации, поступающей на вход МП посредством блока ввода первичной информации ВВПИ, решающего задачу сбора данных. Множество возможных манипуляций с объектом (различные варианты контрольных процедур, управления, измерения) предполагает необходимость организации обратных связей для воздействия на объект сигналами С₁, С₂, ..., С_n манипуляции внутренним состоянием объекта, которые формируются блоком вывода результатов обработки ВывРО. Сигналы внутреннего состояния системы СОД также формируются и регистрируются блоком ВывРО.

В зависимости от целевого взаимодействия объекта и системы обработки данных возможны различные варианты формирования обобщенного математического выражения связей объекта и системы СОД.

В результате анализа математического выражения связей возможно рациональное построение структуры системы сбора данных, зависящей от конкретных условий задачи анализа. Однако в общем случае, исходя из требования ввода информации в МП, она должна содержать: группу датчиков первичной информации, размещенных в непосредственной близости от объекта управления, контроля или измерения, блок преобразователей аналоговых сигналов датчика в цифровые коды (АЦП), цифровые и аналоговые коммутаторы, аналоговые вычислительные устройства, цифровые и аналоговые каналы связи, блок преобразователей цифровых сигналов в аналоговые (ЦАП), цифровые регистрирующие устройства.

Различные требования по стоимостным и техническим характеристикам, предъявляемые к СОД, определяют возможность вариаций структуры систем сбора и обработки данных на основе выбора метода обработки аналоговых сигналов. На рисунке 1.1 показана структура, реализующая принцип параллельной обработки аналоговых сигналов, поступающих от датчиков СОД.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 - Структура схемы СОД с параллельными цифровыми выходами, где Д1, Дn - датчики, СУ - согласующее устройство, СН - схема нормализации, ФП - функциональный преобразователь, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ЦМ - цифровой мультиплексор.

Данная структура позволяет обеспечить максимальную производительность аппаратуры всех каналов систем СОД (из-за независимости обработки каждого сигнала) и высокое качество преобразования сигналов вследствие возможности системы по обеспечению требуемого уровня нормализации сигнала на входе АЦП в каждом канале. Предельное количество каналов системы СОД в данном случае ограничено допустимым значением динамической погрешности преобразования i-го параметра, т. е.

N_ц ? x_{i доп} / [(dx_i / dt)_max t_k] , (1.1)

где N_ц - предельно допустимое количество цифровых каналов преобразования системы СОД; x_{i доп} - допустимое значение динамической погрешности i-го параметра; (dx_i / dt)_max - максимальное значение производной i-го параметра в диапазоне преобразования; t_к - период коммутации.

Независимость отдельных ветвей дает возможность просто (в структурном смысле) реализовать необходимые функциональные преобразования аналоговых сигналов. Большое преимущество такой системы заключаете; в устранении ошибок, возникающих при коммутации и выборке -- хранении аналоговых сигналов, вносящих основной вклад в суммарную погрешность преобразования. Очень важно то, что эта структура позволяет значительно повысить помехозащищенность системы на основе использования цифровых каналов передачи данных на вход ЭВМ, если обеспечить преобразования сигналов непосредственно на выходе датчиков. Такой вариант построения системы сбора данных имеет большое будущее однако на современном этапе развития микросхемотехники при его реализации имеет место более высокая стоимость СОД вследствие сравнительно высокой стоимости интегральных схем АЦП.

Другие варианты построения структуры системы СОД основаны на принципе последовательной обработки аналоговых сигналов и перенесении мультиплексирования из цифровой в аналоговую область, а также применения аналоговых схем выборки -- хранения для фиксации аналоговых сигналов на входе АЦП. Это дает возможность использовать только один АЦП независимо от числа аналоговых входов, предельное количество которых можно определить из выражения

N_а?x_iдоп/[(dx_i/dt)_max(t_k+t_п)], (1.2)

где N_а -- предельно допустимое количество аналоговые каналов преобразования СОД; t_п -- период цикла преобразования (остальные обозначения соответствуют (1.1)). Высокие технические характеристики свойственны структуре, приведенной на рисунке 1.2, хорошее качество преобразования обеспечено теми же функциональными блоками, которые были включены в состав структуры, приведенной на рисунке 1.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 - Структура схемы СОД с параллельными аналоговыми выходами, где В/Х - схема выборки - хранения, АМ - аналоговый мультиплексор, УУ - устройство управления.

Очевидно, что производительность системы сбора данных, построенной по структуре, изображенной на рисунке 1.2, находится в прямой зависимости от быстродействия АЦП и ограничена его динамическими параметрами, поэтому в подобных системах необходимо применять АЦП с максимальным быстродействием. Применение дополнительных элементов для обработки аналоговых сигналов мультиплексоров, схем выборки -- хранения ухудшает точностные характеристики системы в целом. Практически идентичными техническими характеристиками по сравнению со структурой, изображенной на рисунке 1.2, обладает система сбора данных, реализованная на основе структуры, показанной на рисунке 1.3.

Аппаратурные затраты для реализации канала сбора данных на основе структуры, приведенной на рисунке 1.2, будут большими по сравнению с затратами для построения канала с одной схемой выборки - хранения. Эту конфигурацию структуры наиболее рационально использовать для преобразования однократных событий.

Наиболее простой, но обеспечивающей относительно низкое качество преобразования, является система, построенная по структуре, изображенной на рисунке 1.4. Эта конфигурация структуры рациональна при условии существования сигналов высокого уровня, поступающих с датчиков системы СОД, и идентичности всех аналоговых сигналов, в этом случае можно добиться необходимого качества преобразования, сохраняя достоинства по простоте реализации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3 - Структура схемы СОД с последовательными аналоговыми выходами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.4 - Структура схемы СОД с последовательными и параллельными аналоговыми выходами.

Как правило, систему СОД в целом и систему сбора информации в частности с целью экономии средств и сокращения времени разработки наиболее рационально компоновать из отдельных блоков, реализующих функции компонентов структуры. Из анализа возможных вариантов построения структур следует, что любой вариант реализуется на основе таких основных функциональных устройств: датчик, схема согласования, схема нормализации, функциональный преобразователь, АЦП, цифровые мультиплексоры, аналоговые мультиплексоры, устройства управления.

Постановка задачи

Спроектировать канал сбора аналоговых данных, который представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала датчика в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течении определенного промежутка времени.

Исходные данные:

1) максимальная величина ЭДС датчика Е_{с max} = 0,1 В;

2) динамический диапазон измерения ЭДС датчика D = 50 дБ;

3) выходное сопротивление датчика R_g = 50 ? 100 Ом;

4) диапазон частот сигнала датчика f = 0 ? 60 Гц;

5) напряжение синфазной помехи U_с = 2 В;

6) диапазон цифрового кода - 12 разрядов;

7) зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины рисунок 1.5;

8) число каналов - 3.

Рисунок 1.5 - Зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины

2. Выбор и расчет структурной схемы канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

электронный микропроцессорный аналоговый

Необходимо разработать структурную схему системы сбора аналоговой информации для дальнейшей ее обработки в системах более высокого уровня. При этом в канале должны осуществляться 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 АЦП путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течении определенного промежутка времени. В состав канала сбора аналоговых данных должны входить также ряд импульсных (аналогово-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.

К АЦП можно подходить как к "черному ящику", который выполняет при подаче управляющего импульса "Пуск" преобразование напряжения на его аналоговом входе в цифровой двоичный код за конечный отрезок времени.

По завершении указанного процесса АЦП вырабатывает сигнал готовности "Готов", свидетельствующий о соответствии его выходного кода величине входного напряжения на аналоговом входе.

Суть работы АЦП заключается в том, что каждому уровню входного напряжения ставится в соответствие N -разрядный параллельный двоичный код. В самом простом случае это может быть параллельный прямой двоичный код, т.е. результат преобразования мы получаем в двоичной системе исчисления.

Так как аналого-цифровой преобразователь имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик - симметричный, относительно общего провода, выход, то в состав системы сбора аналоговых данных будет входить дифференциальный усилитель СУ.

Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, которая влияет на минимально различимый уровень входного сигнала аналого-цифрового преобразователя. Выберем АЦП из следующих соображений.

Количество необходимых разрядов аналого-цифрового преобразователя . Исходя из этого выберем аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения К1108ПВ2. Функционально завершенный, сопрягаемый с МП 12-разрядный АЦП ПП К1108ПВ2 (Рисунок 2.1) предназначен для преобразования входного напряжения в диапазоне от 0 до 5 В или от -2,5 В до 2,5 В (биполярный режим) в прямой двоичный код, а время преобразования не более 2 мкс с максимальным значением сигнала на аналоговом входе U_вхmax = 5 В.

Тогда шкала аналого-цифрового преобразователя Ш_ацп = U_вхмах = 5 В.



Рисунок 2.1 - Нумерация и назначение выводов микросхемы

1, 2 - внутренний и внешний тактовые входы С; 3 - вход запуска ST; 4 - разрешение считывания ERD; 5 - выход разряда переполнения FS; 6 - цифровой выход 1 (СР); 7-16 - цифровые выходы 2-11; 17 - цифровой выход 12 (МР); 18 - выход готовности данных RAD; 19 - напряжение источника питания U_СС1 (цифровая часть); 20 - напряжение источника питания U_СС2 (цифровая часть); 21 - напряжение источника питания U_СС2 (аналоговая часть); 22, 24 - коррекция ИОН FC₂; 26 - выход внутреннего ИОН; 27 - опорное напряжение U_REF; 28 - коррекция ОУ FC₁; 29, 30 - общий (аналоговая земля), инверсный выход ЦАП; 31 - аналоговый вход (тока); 32 - аналоговый вход (напряжения) U_IRN; 33 - резистор биполярного смешения; 34 - коррекция КН FС₃; 35 - напряжение источника питания U_СС1 (аналоговая часть); 40 -общий (цифровая земля); 23, 25, 36-39 - незадействованные выводы. Минимально различимый уровень при шкале 5 В

Исходя из исходных данных величина ЭДС датчика e_с =0,1 В. А это на много меньше шкалы Ш_ацп=5 В, поэтому усилитель должен обладать коэффициентом усиления не менее чем:



где =(1,1 - 1,3) - коэффициент запаса по усилению.

. Наряду с полезным сигналом также действует синфазная помеха. Для исключения её влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

,

где - напряжение синфазной помехи;

- минимальное значение ЭДС сигнала датчика;

D- динамический диапазон изменения входного сигнала, дБ.

Устройством, ослабляющим синфазную помеху, может быть ранее введенный в схему дифференциальный усилитель, введение которого в аналоговый тракт продиктовано необходимостью согласования симметричного выхода датчика с аналоговым трактом.

Согласно данным курсового проекта, зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины является нелинейной. В этой связи необходимо включение в состав аналогового тракта функционального преобразователя, обеспечивающего линеаризацию характеристики датчика. Причем данный функциональный преобразователь должен иметь передаточную характеристику, обратную характеристике датчика.

Зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины задана графически, поэтому вид требуемой передаточной характеристики функционального преобразователя следует определить графическим путем, используя кусочно-линейную аппроксимацию, т.е. аппроксимацию кривой зависимость ЭДС ломаной. Число прямых отрезков в рабочем диапазоне достаточно взять 4?5 (Приложение 1). Для определенности крутизну преобразования функционального преобразователя выберем таким образом, чтобы

,

где и - величины максимального входного и выходного напряжений.

Сформулируем технические требования к фильтру низких частот, исходя из полосы частот спектра полезного сигнала, по полосе пропускания:

?_фнч = ?_в= 60 Гц,

где f_фнч - граничащая частота фильтра,

?_в - верхняя частота спектра сигнала датчика.

Требования к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) фильтра в задании на проект не оговорены. Это даёт широкую возможность в выборе типа фильтра низких частот. Для этой цели применим активный RC - фильтр, который по сравнению с LC - фильтром имеет хорошую равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошую скорость спада на переходном участке. Фильтр будет располагаться после дифференциального усилителя.

Для того чтобы преобразовывать аналоговые сигналы 5 датчиков, в разрабатываемом устройстве применим устройство коммутации каналов - аналоговый мультиплексор.

При преобразовании аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменным. Следовательно, в состав аналогового тракта нужно включить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низкой частоты и хранит его в течении времени хранения t_хр. При этом t_хр= t_прб = =2 мкс.

Управление аналоговым трактом осуществляется с помощью следующих управляющих сигналов: адрес номера подключаемого канала датчика; сигнал управления подключением канала ко входу преобразователя; сигнал выборка-хранение для УВХ; сигнал запуска АЦП.

Выходными сигналами тракта являются цифровой код преобразованного аналогового сигнала и сигнал окончания преобразования .

В итоге анализа выше описанных блоков структурная схема системы сбора аналоговых данных будет иметь следующий вид, рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 - Структурная схема системы сбора аналоговых данных,

где Д - датчик, СУ - согласующее устройство, ФНЧ - фильтр низких частот, АМ - аналоговый мультиплексор, УВХ - устройство выборки и хранения, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, УУ - устройство управления.

Для проверки правильного выбора АЦП найдем период обработки сигналов 5 датчиков:

.

3. Определение технических требований к функциональным блокам системы

Расчет технических требований будем производить в обратном порядке, то есть от аналого-цифрового преобразователя к датчику.

Основными техническими характеристиками устройства выборки и хранения являются:

1. Коэффициент передачи в момент окончания выборки

2. Максимальное значение входного и выходного напряжений.

3. Входное и выходное сопротивления по аналоговому сигналу.

4. Относительные ошибки выборки и хранения.

5. Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.

6. Напряжение источников питания УВХ.

Так как существует большая неопределенность выбора указанных параметров УВХ, то их нужно задать. В первую очередь зададим коэффициент передачи в момент окончания выборки и найдем максимальное значение напряжения входного аналогового сигнала:

Установим требования к допустимой погрешности:

ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададим стандартную величину напряжения источника питания:

Е_И1 = +15 В;

Е_И2 = -15 В.

В схемах на операционных усилителях можно реализовать достаточно большое входное (до единиц МОм) и малое выходное (менее десятков-сотен Ом) сопротивления. Устанавливаем следующие требования:

Ом.

Рассчитаем время хранения УВХ, сходя из ранее выбранного АЦП, для которого t_пр = 2 мкс.

,

где = 1,1 1,3.

t_хр = 21,2 = 2,4 мкс

При реализации управляющего тракта:

на операционных усилителях ,

на транзисторах или логических элементах , .

Основной характеристикой функционального преобразователя является зависимость выходного напряжения от входного :

В данном случае такая зависимость задана графически.

Рисунок 3.1 - Зависимость

Известно, что

Нужно построить график (Приложение 1), аппроксимировать кривую ломаной и определить графическим путем координаты точек излома где j = 1, 2, 3, 4, 5 (см. таблицу 3.1) и требуемые коэффициенты усиления на участках по формуле

При аппроксимации следует учитывать, что минимальное значение входного сигнала определяется как

где D -- динамический диапазон, дБ.

Таблица 3.1 - Координаты точек излома

Uвх	2,2	3,7	4,5	4,9	5
Uвых	0,03	0,053	0,075	0,092	0,1

Рассчитываем требуемые коэффициенты усиления на участках:

Требования к величине выходного сопротивления функционального преобразователя устанавливаются входным сопротивлением нагрузки, т.е. входным сопротивлением УВХ:

Входное сопротивление функционального преобразователя можно задать ориентировочно в пределах:

,

учитывая, что в последующем большие значения потребуют применения ОУ с малым значением входных токов. Задаем значение .

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

1 Верхняя граничная частота f_в.

2 Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.

3 Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.

4 Коэффициент передачи К_фнч по напряжению в полосе пропускания.

5 Входное и выходное сопротивления.

6 Напряжение источников питания.

При использовании фильтров Баттерворта, неравномерность АЧХ в полосе прозрачности задавать не требуется, так как она получается минимальной.

Скорость спада выберем 12 дБ/октаву.

Так как фильтры Баттервота выполнены на ОУ, имеют К_фнч = 1,351,5, то можно определить требования к максимальной величине входного напряжения:

Входное и выходное сопротивления выбираются из условия:

кОм

Согласующий усилитель выполняет основное усиление сигнала, подавляет синфазную помеху, обеспечивает согласование с датчиком и регулирование выходного напряжения.

Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом усиления разностного сигнала не менее чем:

Этот коэффициент усиления изменяется в пределах 10 дБ:

Коэффициент ослабления синфазной помехи:

Входное сопротивления надо выбрать такое, чтобы оно обеспечивало возможность смены датчиков:

,

где R_g - среднее значение выходного сопротивления датчика, Ом;

R_g - диапазон изменения выходного сопротивления датчика, Ом;

D - динамический диапазон изменения выходного сигнала датчика, дБ.

Ом

Выходное сопротивление согласующего усилителя:



4. Выбор и обоснование структуры управляющего тракта

Задачей управляющего тракта является создание двух синхронизированных с выходным сигналом задающего генератора последовательностей импульсов для управления УВХ и АЦП.

Рисунок 4.1 - Структурная схема управляющего тракта

Для управления устройством выборки и хранения воспользуемся генератором сигналов прямоугольной формы Г1, который реализован на логических элементах и работает на частоте 25 кГц. С его выхода импульсы поступают на управляющий вход УВХ.

В соответствии с заданием на проект и выше приведенной структурной схемы системы сбора аналоговых данных аналого-цифровой преобразователь должен обработать сигналы с выходов 5 датчиков. Исходя из того, что количество подключаемых каналов равно 5, то количество разрядов счетчика можно определить как:

Для управления мультиплексором, выполняющим переключение между датчиками, применим счетчик СТ. С выхода генератора импульсы также поступают на суммирующий счетчик К155ИЕ6 (+1), который имеет пять устойчивых состояний (000,001,010,011 и 100), следующее состояние 101 с помощью системы декодирования кода (сброс) сбрасывает счетчик в нулевое состояние. Выходной двоичный код счетчика поступает на вход микросхемы дешифратора К155ИД3 (DC). Т.к. К155ИД3 - четырехразрядий дешифратор по входу, но в силу того, что кодируется число от 0 до 4, для чего необходимо три двоичных разряда, то 4-й разряд дешифратора по входу и 6-15 по выходу не используются.

Так как запуск АЦП должен происходить спустя время t_зад после окончания импульса выборки применим устройство задержки Т на логических элементах.

Так как, в качестве АЦП выбрана микросхема К1108ПВ2 и предположено, что сигналы управления формирует устройство обработки сигналов, то сигнал запуска АЦП должен быть подан после окончания режима выборки и начала режима хранение, т.е. время задержки сигнала должно быть должно не менее длительности цикла выборки - .

Сигнал начала выборки должен соответствовать времени установки счетчика. Исходя из изложенного в состав блока управления должны входить генератор с частотой равной 25 кГц, который подается на счетчик адреса канала и в устройство обработки. От устройства обработки система сбора данных получает управляющие сигналы.

Структурные схемы аналогового и управляющих трактов, а также требования к ним, являются основой для расчетов отдельных блоков системы сбора аналоговых данных.

5. Выбор и расчет принципиальных схем основных блоков системы

Согласующий усилитель

Для реализации согласующего усилителя используем схему представленную на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 - Схема согласующего усилителя

Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:

Ом,

где - коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ;

- дрейф напряжения смещения нуля ОУ;

- рабочий диапазон температур;

- дифференциальный коэффициент усиления ОУ;

- дифференциальное входное сопротивление ОУ;

- выходное дифференциальное сопротивление датчика

Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель 140УД21:

Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступени усиления на , примем наибольшим, а коэффициент усиления разностного усилителя на примем равным единице. В этом случае резисторы получаются одного номинала, что облегчает их подбор.

Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.

Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:

,

где

По паспортным данным , отсюда примем .

Расчет каскадов и начнем с выбора номиналов резисторов и :

Как рассчитывалось выше, значение коэффициента усиления изменяется в пределах 10 дБ:

Зная требуемый минимальный коэффициент усиления согласующего усилителя, рассчитаем максимальное суммарное сопротивления резисторов и :

,

а затем, исходя из максимального коэффициента усиления , рассчитаем минимальное значение суммарного сопротивления резисторов и :

Номинал резистора R2 определим по формуле:

Подберем ближайшие номиналы из стандартного ряда и .

Допуск на относительный разброс номиналов резисторов (кроме и ), определим по формуле:

Фильтр низких частот

Схема фильтра второго порядка с характеристикой Баттерворта приведена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Фильтр низких частот

Для получения требуемой частотной характеристике коэффициент затухания принимают равным 1,414. Верхняя граничная частота фильтра определяется как:

,

поэтому, варьируя номиналами как R, так и С, можно добиться требуемого значения . Однако целесообразно задаться сначала величиной емкости конденсатора С К73-11-250В-0,1мкф±5%, а затем рассчитать величины резисторов:

Принимаем значение .

С целью уменьшения влияния разности входных токов ОУ должно выполнятся равенство:

В тоже время для получения АЧХ типа Баттерворта: .

Решая систему уравнений определяем номиналы R1 и R2: , .

Рассчитав номиналы элементов схемы, уточняют величину коэффициента усиления в полосе прозрачности.

Устройство выборки и хранения

Схемы УВХ строятся из аналоговых интеграторов с высокоомной нагрузкой и малыми токами утечки и ключевых схем. В качестве УВХ целесообразно использовать микросхему КР1100СК2 с параметрами:

tхр = 4 мкс; KуU = 1; Uип = ±12 В; ; Uвх ? 10 В; Uсм = (5…30) мВ; Iпот = (4,5…6,5) мА; tа = 100 нс, tв=1мкс, Схр=100пФ, которая содержит два операционных усилителя с высоким входным сопротивлением (более 10 мОм) и ключевую схему управления, обеспечивающую токовое управление ключами. Для завершения схемы УВХ к микросхеме необходимо подключить высококачественный конденсатор Схр с номиналом 20…1000 пФ, определяемым временем хранения выбранного напряжения. Устройство выборки и хранения изображено на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Схема устройства выборки и хранения

Определяем величину времени хранения:

где = (1.1-1.3)- коэффициент запаса;

- время преобразования АЦП.

Скорость изменения напряжения при хранении, которая зависит от времени хранения и шага квантования по уровню

,

можно задать выбором конденсатора .

Скорость изменения напряжения при хранении . Диапазон изменений для микросхемы серии КР1100СК2 . Шаг квантования по уровню равен .

,

.

Выбираем конденсатор

Расчет функционального преобразователя

Поскольку в нашем случае имеет место нелинейная зависимость, то необходимо применить функциональный преобразователь. Одна из возможных схем функционального преобразователя, у которого с ростом входного сигнала уменьшается коэффициент усиления, приведена на Рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Функциональный преобразователь

Принцип действия функционального преобразователя заключается в следующем. При диоды VD1?VD3 закрыты отрицательным смещением резистивных делителей. Коэффициент усиления по напряжению:

С ростом входного напряжения повышаются потенциалы анодов диодов, в то время как потенциалы их катодов остаются неизменными и близкими к нулю. При открывается диод VD3 коэффициент усиления уменьшается и становится



При достижении открывается и диод VD2. Коэффициент усиления еще более уменьшается:

Наконец, при открывается VD1, коэффициент усиления еще больше уменьшается:

Зависимость ЭДС датчика задана графически, поэтому необходимо выполнить построения (Приложение 1).

Известно, что

В зависимости нужно построить график , аппроксимировать кривую ломаной и определить графическим путем координаты точек излома ; ,где j=1, 2, 3, 4, 5, …n и требуемые коэффициенты усиления на участках по формуле



Таблица 5.1 - Координаты точек излома

Uвх	2,2	3,7	4,5	4,9	5
Uвых	0,03	0,053	0,075	0,092	0,1

Рассчитываем требуемые коэффициенты усиления на участках:

Зададимся R₁ = 10 Ом, тогда

Аналоговый коммутатор

В качестве аналогового коммутатора будем использовать мультиплексор К155КП7 (Рисунок 5.5), выполненный по ТТЛ-технологии, с параметрами Таблица 5.2.

Таблица 5.2 - Параметры микросхемы К155КП7

1	Номинальное напряжение питания	5 В 5 %
2	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,4 В
3	Выходное напряжение высокого уровня	не менее 2,4 В
4	Входной ток низкого уровня	не более -1,6 мА
5	Входной ток высокого уровня	не более 0,04 мА
6	Ток потребления	не более 48 мА

Микросхема представляет собой селектор-мультиплексор на восемь каналов со стробированием. В зависимости от установленного на входах A,B,C кода разрешает прохождение сигнала на выходы Y1 и Y2 только от одного из восьми информационных входов D0-D7, при этом на входе стробирования V должно быть установленно напряжение низкого уровня. При высоком уровне напряжения на входе V выход Y1 устанавливается в состояние низкого уровня напряжения, а выход Y2 соответственно в состояние высокого уровня.

Рисунок 5.5 - Назначение выводов К155КП7

1-4 - входы информационные D3-D1; 5 - выход Y1; 6 - выход Y2; 7 - вход разрешения; 8 - общий; 9 - вход C; 10 - вход B; 11 - вход A; 12-15 - входы информационные D7-D4; 16 - напряжение питания.

Схема управления

Генератор прямоугольных импульсов

Для построения схемы управления необходимо использовать генератор прямоугольных импульсов. В соответствии с заданием и проведенными расчетами частота преобразования, а, следовательно, и частота генератора, составляет 60 Гц. Для построения генератора выберем схему, приведенную на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Схема тактового генератора

В качестве елементов И-НЕ выбираем микросхему К155ЛА3. Примем одинаковыми длительности импульса и паузы, поэтому времязадающие елементы - резисторы и конденсаторы имеют одинаковые параметры:

,

где - пороговое напряжение, определяемое как средина уровня логического перепада микросхемы равное 1,2 В.

Тогда

Откуда .

Приняв из стандартного ряда С=1мкФ, получим R=1 кОм.

В качестве диодов VD выбираем маломощные импульсные диоды типа КД521.

Расчет формирователей управляющих импульсов

Для формирования импульсов управления аналоговым трактом в заданные моменты времени и заданной длительности необходима цепочка последовательно включенных формирователей импульсов определенной длительности, запуск которых производится по заднему фронту импульсов. Как следует из структурной схемы управляющего тракта и выбранной элементной базы можно принять, что начальным моментом отсчета является отрицательный срез импульса генератора импульсов. Длительность импульса каждого из формирователей Ф1-Ф2 составляет соответственно 7 мкс, 22 мкс. Для построения формирователей принимаем стандартную схему формирователя (детектора) отрицательного фронта импульса приведенного на рисунке 2.8.

Рисунок 5.7 - Схема формирователя импульсов

Длительность импульса определяется соотношением

Для элементов КР155ЛЕ1 U¹=3 B, U⁰= 0,4 B, U_пор=1,7 В, R¹_вых=9 Ом, I_вх⁰=0,1 мА. Приняв значение сопротивления R равным 22 Ом, получим

Откуда, значение ёмкости конденсатора:

С₁=7010^-9/21=3,3пФ;

С₂=0,310^-6/21=1 нФ.

Проведенные расчеты позволяют построить схему электрическую принципиальную системы сбора аналоговых данных, которая позволяет преобразовать аналоговые сигналы от пяти датчиков в эквивалентное значение цифрового кода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении курсовой работы был разработан канал сбора аналоговых данных, который представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала датчика в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течении определенного промежутка времени.

Целью проведения процедур сбора и обработки данных являются получение достоверной информации о состоянии объекта и рациональная организация процессов управления, контроля, измерения с высокими качественными характеристиками.

При разработке указанного устройства использовалось микросхема К1108ПВ2, которое является 12-разрядным АЦП, двоично-десятичный счетчик КР155ИЕ6, мультиплексор К155КП11, операционные усилители К140УД21 и другие элементы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Васильев В.И. Электронные промышленные устройства.- М.: Высш. шк.,1988.

2. Аналоговые и цифровые интегральные 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

3. Зубчук В.И. и др.. Справочник по цифровой схемотехнике: К.: Тэхника, 1990.

4. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов.радио,1979.

Размещено на Allbest.ru