Устройство для цифрового измерения амплитуды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Технологический институт

Восточноукраинского национального университета имени В. Даля

(г. Северодонецк)

Кафедра ЭА

Пояснительная записка к курсовому проекту

По дисциплине: «Схемотехника»

На тему: «Устройство для цифрового измерения амплитуды»

Выполнил

Руководитель

студент группы РЭА-27бД

Донцов Игорь

Васильевич Лория Марина Геннадиевна

Северодонецк, 2010 г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Спроектировать устройство для цифрового измерения амплитуды аналогового сигнала с параметрами:

1. Форма сигнала

2. Измеряемый параметр

Амплитуда

3. Диапазон амплитуд, мВ 100

4. Внутреннее сопротивление источника сигнала, кОм 10

5. Длительность импульса, мкс 100

6. Период следования импульсов, мкс 1000

7. Вид индикации. Десятичная, светодиодная, семисегментная

8. Число индицируемых разрядов

Реферат

Курсовой проект: 30 с., 8 рис., 3 источника, 1 чертёж.

Объектом исследования является устройство для цифрового измерения амплитуды аналогового сигнала.

Цель работы - разработка цифрового устройства для измерения амплитуды аналогового сигнала синусоидальной формы.

Измеряемый сигнал имеет следующие характеристики

Форма сигнала Прямоугольный

Диапазон амплитуд сигнала, мВ 100

Внутр. Сопротивл. Источн. сигнала,кОм 10

Длительность импульса,мкс 100

Период следования импульсов,мкс

Число индицируемых разрядов 1000

Выбор установлен на микросхеме АЦП КР1108ПП1 в сочетании с индикаторами АЛС342Б .

АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (АЦП), АНАЛОГОВЫЙ СИГНАЛ, ЦИФРОВОЙ СИГНАЛ, КОМПАРАТОР, ЦИФРОВОЙ СЧЁТЧИК, ТРИГГЕР, ВОЛЬТМЕТР, ДИОДНЫЙ МОСТ.

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания. В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектированием, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому для результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов. В действительности даже, казалось бы, самые простые элементы, необходимо включать по определенной схеме, знать назначения всех выводов. Необходимо знать, чем различаются элементы в пределах серии. Понимание внутренней логики микросхемы особенно важно именно для специалистов по автоматике и промышленной электронике, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. В условиях автоматики и радиотехники они часто выполняют функции, не запланированные в свое время их разработчиками, и грамотное использование микросхем в этих случаях прямо зависит от понимания логики их работы. Хорошее знание тонкостей функционирования схем узлов становится жизненно необходимым при поиске неисправностей, когда нужно определить, имеется ли неисправность в данном узле или же на его вход поступают комбинации сигналов, на которые схема узла не рассчитана. Составление тестов, а тем более разработка само проверяемых схем также требуют очень хороших знаний принципов работы узлов.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}.

В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм

(1)

где a_j - некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени; f_j(t) - набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам. Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в качестве коэффициентов a_j следует использовать мгновенные значения сигнала U(t_j) в дискретные моменты времени t_j=j?t, а период дискретизации выбирать из условия

???????????????????????????????t=1/2Fm , (2)

где F_m - максимальная частота спектра преобразуемого сигнала. При этом выражение (1) переходит в известное выражение теоремы отсчетов:

(3)

Для сигналов со строго ограниченным спектром это выражение является тождеством. Однако спектры реальных сигналов стремятся к нулю лишь асимптотически. Применение равномерной дискретизации к таким сигналам приводит к возникновению в системах обработки информации специфических высокочастотных искажений, обусловленных выборкой.

Для уменьшения этих искажений необходимо либо увеличивать частоту дискретизации, либо использовать перед АЦП дополнительный фильтр нижних частот, ограничивающий спектр исходного сигнала перед его аналого-цифровым преобразованием.

В общем случае выбор частоты дискретизации будет зависеть также от используемого в (1) вида функции f_j(t) и допустимого уровня погрешностей, возникающих при восстановлении исходного сигнала по его отсчетам. Все это следует принимать во внимание при выборе частоты дискретизации, которая определяет требуемое быстродействие АЦП. Часто этот параметр задают разработчику АЦП. Рассмотрим более подробно место АЦП при выполнении операции дискретизации. Для достаточно узкополосных сигналов операцию дискретизации можно выполнять с помощью самих АЦП и совмещать таким образом с операцией квантования. Основной закономерностью такой дискретизации является то, что за счет конечного времени одного преобразования и неопределенности момента его окончания, зависящего в общем случае от параметров входного сигнала, не удается получить однозначного соответствия между значениями отсчетов и моментами времени, к которым их следует отнести. В результате при работе с изменяющимися во времени сигналами возникают специфические погрешности, динамические по своей природе, для оценки которых вводят понятие апертурной неопределенности, характеризующейся обычно апертурным временем.

Апертурным временем t_a называют время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Эффект апертурной неопределенности проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении сигнала. При равномерной дискретизации следствием апертурной неопределенности является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени.

Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то ее наличие приводит к "дрожанию" истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В результате вместо равномерной дискретизации со строго постоянным периодом осуществляется дискретизация с флюктуирующим периодом повторения, что приводит к нарушению условий теоремы отсчетов и появлению уже рассмотренных апертурных погрешностей в системах цифровой обработки информации. Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. МГ.

Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП приводит к существенному расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение достигает 2...3 порядков и сильно усложняет и удорожает процесс дискретизации, так как даже для сравнительно узкополосных сигналов требует весьма быстродействующих АЦП. Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис. 2 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Триггер - это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется. Как правило, триггер имеет два выхода: прямой и инверсный. Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером. По способу записи информации триггеры делят на асинхронные и синхронизируемые (тактируемые). В асинхронных триггерах информация может записываться непрерывно и определяется информационными сигналами, действующими на входах в данный момент времени.

Если информация заносится в триггер только в момент действия так называемого синхронизирующего сигнала, то такой триггер называют синхронизируемым или тактируемым. Помимо информационных входов тактируемые триггеры имеют тактовый вход вход синхронизации. В цифровой технике приняты следующие обозначения входов триггеров:

S - раздельный вход установки в единичное состояние (напряжение высокого уровня на прямом выходе Q);

R - раздельный вход установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на прямом выходе Q);

D - информационный вход (на него подается информация, предназначенная для занесения в триггер);

C - вход синхронизации;

Т - счетный вход.

Наибольшее распространение в цифровых устройствах получили RS-триггер с двумя установочными входами, тактируемый D-триггер и счетный Т-триггер. Рассмотрим функциональные возможности каждого из них.

Асинхронный RS-триггер. В зависимости от логической структуры различают RS-триггеры с прямыми и инверсными входами.. Триггеры такого типа построены на двух логических элементах 2ИЛИ-НЕ - триггер с прямыми входами , 2И-НЕ - триггер с инверсными входами .

Счетный Т-триггер. Его называют также триггером со счетным входом. Он имеет один управляющий вход Т и два выхода Q и -Q. Информация на выходе такого триггера меняет свой знак на противоположный при каждом положительном (или при каждом отрицательном) перепаде напряжения на входе. Триггер такого типа может быть создан на базе тактируемого D-триггера, если его инверсный выход соединить с информационным входом. Частота сигнала на выходе Т-триггера в два раза ниже частоты сигнала на входе, поэтому такой триггер можно использовать как делитель частоты и двоичный счетчик. В сериях выпускаемых микросхем есть также универсальные JK-триггеры. При соответствующем подключении входной логики JK-триггер может выполнить функции триггера любого другого типа. JK-триггер работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное.

Компаратор (аналоговых сигналов) -- электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логический «0» или «1», в зависимости от того, какой из сигналов больше. Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством входного и выходного каскадов. Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трёхвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает дребезга), и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило -- +5В или 0). Трёхвходовые компараторы имеют более широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счёт чего их вольт-амперная характеристика может представлять собой прямоугольную петлю гистерезиса.

Аналоговый сигнал -- сигнал, область определения которого есть непрерывное пространство, то есть пространство, не являющееся дискретным.

Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.

Цифровой сигнал - дискретный сигнал, квантованный по амплитуде

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты. Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Выбор способа измерения амплитуды аналогового сигнала

Чтобы получить результат измерения в виде двоичного кода проще всего использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Основными характеристиками АЦП являются:

разрешающая способность;

точность;

быстродействие.

Первый способ. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного напряжения; точность определяется абсолютной погрешностью полной шкалы и нелинейностью преобразования; быстродействие АЦП определяется временем преобразования.

Второй способ измерения амплитуды эквивалентен методу последовательного счета, используемому в АЦП. При этом сигнал выборки подают на один из входов компаратора, в то время как на другой вход подают входной сигнал цифроаналогового преобразователя (ЦАП), преобразующего коды счетчика импульсов тактового генератора. При равенстве обоих сигналов счет останавливается. Выходным сигналом служит код счетчика, который можно рассматривать как непосредственный результат измерения и индицировать тем или иным способом, либо как преобразованный аналоговый сигнал. Для построения схемы требуется знание схемотехники тактовых генераторов, счетчиков, а также знание микросхемы ЦАП и способов их включения.

Еще один способ измерения амплитуды можно использовать в том случае, если исходный аналоговый сигнал представлен в виде последовательности импульсов.

В этом случае необходимо измерять частоту следования импульсов, т. е. число импульсов в секунду. Для этого необходимы счетчик и таймерная (стробирующая) схема. Входной сигнал после усиления УС. детектирования Д, формирования Ф и выборки Выб подается на один из входов компаратора К; выборка осуществляется сигналом «ПУСК» П, который обнуляет счетчик и разблокирует генератор Г тактовых импульсов; код счетчика Сч преобразуется в аналог ЦАП и подается на другой вход компаратора. после срабатывания компаратора сбрасывается выборка и останавливается счет путем блокировки генератора. Результат высвечивается на индикаторе И. Пусковую схему можно выполнить на основе КЗ-триггера и набора комбинационных вентилей.

1. Выбор и обоснование функциональной схемы

Проведя анализ технического задания, и рассмотрев существующие схемные решения, я пришел к выводу, что устройство будет построено с использованием преобразования «напряжение-частота» (U/f) и счета импульсов за определенный период времени с последующим отображением на семисегментном многоразрядном светодиодном индикаторе.

Устройство выборки хранения (УВХ) обеспечивает постоянство значения Uвх в заданном временном интервале Т. Значение Uвх усиливается операционным усилителем, затем посредством преобразователя (U/f) преобразуется в последовательность пилообразных импульсов частотой f (Uвх), подводимых через ключ (&) к счетному входу С счетчика (СЧ).

Управление работой схемы измерения осуществляется посредством таймера (Т), формирующего некую временную последовательность Т1- высокий уровень, Т2 - низкий уровень.

Дифференцирующая цепь ДЦ формирует кратковременный импульс во время начала временного интервала T1, обеспечивающий сброс счетчиков.

В промежутке времени Т1 (когда на выходе таймера Т присутствует напряжение высокого уровня) ключ (&) открыт, и импульсы последовательности f (Uвх) поступают на вход счетчика младшего разряда схемы счетчика, увеличивая его содержимое. Одновременно высокий уровень Т1, с помощью схемы гашения индикации (СхГИ) запрещает засветку индикаторов. В промежутке времени Т2 низкий уровень на выходе таймера запирает ключ & (счет прекращается) и разрешает засветку индикаторов, т. е. содержимое счетчиков выводится на индикацию.

Для измерения амплитуды аналогового сигналы решено использовать микросхему АЦП КР1108ПП2, которая позволяет измерять амплитуду напряжения до 2 вольт и легко адаптируется при помощи подключения дискретных элементов под конкретный случай её применения.

Для вывода информации решено использовать светодиодные знакосинтезирующие индикаторы АЛС342Б.

амплитуда аналоговый устройство сигнал цифровой

2.Выбор и расчет узлов принципиальной схемы

2.1 Проектирование устройства выборки хранения (УВХ) и преобразователя «напряжение-частота» (U/f)

Исходя из параметров заданного сигнала, а именно формы сигнала:

Диапазона амплитуды равного Uвх=100 мВ и длительности импульса соответствующей Т=100 мкс схема этих узлов будет следующей на рис.5 а в роли преобразователя (U/f) решено использовать ИМС КР1108ПП2.

Входной сигнал Uвх подается на вход операционного усилителя DD1. После усиления сигнал поступает на вход микросхемы КР1108ПП2 где он преобразовуется в последовательность импульсов определенной частоты в зависимости от Uвх

Для фильтрации импульсного сигнала применяется RC фильтр, который относится к пассивным фильтрам. В схемах пассивных аналоговых фильтров используют реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя такие элементы, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами.

Определим частоту следования импульсов.

Частота повторения импульсов определяется по следующей формуле:

Коэффициент пульсации сигнала на входе RC фильтра будет равняться

Необходимый коэффициент сглаживания вычисляется следующим соотношением

где 0,02 коэффициент пульсации, при котором напряжение на выходе фильтра обладает необходимыми параметрами для измерения при помощи АЦП.

Коэффициент сглаживания RC-фильтра определяется формулой:

Определим параметры элементов фильтра

Выберем: R_ф=10 Ом; C_ф=0,00159Ф=1600мкФ.

2.2 Проектирование схемы таймера и дифференцирующей цепи

Для создания таймера лучше всего использовать интегральную микросхему, т.к. она лучше всего будет обеспечивать временную стабильность Т1 и Т2. Решено использовать ИМС типа КР1006ВИ1 - это интегральный таймер с использованием минимума внешних элементов. С помощью которых задаются время импульса Т1 и время паузы Т2.

Значения:

Т1 = 0,69(R1 + R2)С3

Т2 = 0,69 R2 С3

Пускай время измерения равно 0,5 с, т.е. Т2 = 0,5 с. Тогда время отображения информации на дисплее пускай будет 1,5 с, этого будет достаточно чтобы запомнить результаты измерения. Т.е. Т1= 1,5 с. Это длительность импульсов, которые приходят на ключ рис.7, после инвертора DD3-1, а до него Т1= 0,1с и Т2= 1,0с.

В спецификации DD2- КР1006ВИ1 указано, что С4 = 0,01 мкФ.

Примем С3 =20 мкФ тогда из формулы (4.9), получаем

Примем R2 =5 кОм

Тогда из формулы 4.8 выходит:

Примем R3=100 кОм

Сигнал с таймера подается на ключ рис.7, который пропускает последовательность импульсов со схемы рис.5 на счетчик в промежутке Т1.

Найдем C5 для этого примем что R5=1000 Ом, длительность импульса 1000 мкс

Принимаем C5=1 нФ.

2.3 Проектирование схемы счетчика и индикации

Так как в техническом задании указано количество и тип индикаторов: три семисегментных светодиодных индикатора, то для них необходимо три двоично-десятичных счетчика и соответственно три дешифратора с двоично-десятичного кода в код для семисегментных индикаторов. Но от дешифраторов можно отказаться, если использовать десятичные счетчики с интегрированными в них дешифраторами на семисегментные индикаторы. Будем использовать ИМС следующих типов: счетчики - КР176ИЕ4, и к ним индикаторы - АЛС342Б. Схема счета и индикации выглядит как на рис.8

Диаграмма напряжений.

Построим диаграмму зависимости напряжений от времени t, где Uвх - входное напряжение, U1,2,3,4 - напряжение в контрольных точках.

Заключение

В данном курсовом проекте было разработано устройство для цифрового измерения амплитуды аналогового сигнала импульсной формы.

При разработке данного устройства была выбрана микросхема АЦП КР1108ПП1 благодаря чему удалось значительно упростить схему и уменьшить количество применяемых элементов.

Выполнение данного курсового проекта позволило значительно расширить круг знаний по данной тематике, а также приобрести практические навыки работы с технической литературой и компьютером. Был изучен и воспринят творческий подход к решению конкретной инженерной задачи.

Список литературы

1. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Цифровая схемотехника» на тему «Проектирование цифрового устройства».

2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник, - Москва; металлургия, 1988,-352 с.

Размещено на Allbest.ru