Аналогово-цифровые преобразователи с использованием преобразования "напряжение - временной интервал - двоичный код"

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Функциональная схема с временными диаграммами

2 Задание по курсовой работе

2.1 Генератор тактовых импульсов (ГТИ)

2.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

2.3 Компаратор

2.4 Коньюктор (элемент «И») и триггер

2.5 Счётчик

Заключение

Список литературы

Список элементов

ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе рассмотрена схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с использованием «напряжение - временной интервал - двоичный код» с помощью генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

В этом курсовом используется АЦП с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал. Функционально такой АЦП состоит из преобразователя напряжения во временной интервал и преобразователя временного интервала в код.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления и др.) в цифровой код. Наиболее часто входной величиной является напряжение. Все другие величины перед подачей на АЦП предварительно преобразовываются в напряжение. Однако на практике находят применение также преобразователи, например, сопротивления или емкости в цифровой код без промежуточного преобразования в напряжение. Обычно это уменьшает погрешность преобразования, но усложняет проектирование преобразователя и его изготовление. Это связано с тем, что серийные промышленные микросхемы АЦП предназначены только для работы с напряжением.

Все типы АЦП можно разделить на две группы: АЦП мгновенных значений напряжений и АЦП средних значений напряжений. Так как операция усреднения предполагает интегрирование мгновенного значения напряжения, то АЦП средних значений часто называют интегрирующими.

Любой АЦП является сложным электронным устройством, которое может быть выполнено в роли одной интегральной микросхемы или содержать большое количество различных электронных компонентов. Большинство АЦП оценивают по их основным показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим характеристикам АЦП относят: абсолютные значения и полярности входных сигналов, входные сопротивления, значения и полярности выходных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжения и токов источников питания, количество двоичных и десятичных разрядов выходного кода, погрешность преобразования постоянного напряжения и др. К динамическим параметрам АЦП относят: время преобразования, максимальную частоту дискретизации, динамическую погрешность и др.

Выходной величиной АЦП является цифровой код, т.е. последовательность цифр, с помощью которой представляют дискретные квантованные величины. В АЦП используют четыре основных типа кодов: натуральный двоичный, десятичный, двоично-десятичный и код Грея. Большинство АЦП работают с выходом в натуральном двоичном коде.

1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Принцип работы данного АЦП состоит в следующем:

В ждущем режиме триггер стоит в нуле, с неинверсного выхода на коньюктор подаётся 0, запрещающий пропуск на втором от ГТИ к счётчику подсчёта сигналов, в то же самое время с инверсного выхода триггера 1 идёт на ГЛИН, выключив его. На компараторе установлено входное напряжение для сравнения с напряжением ГЛИНа. Мы производим запуск импульса, тот в свою очередь ставит счётчик в ноль, устанавливает RS-триггер в единицу. На неинверсном выходе триггера будет 1, которая «открывает» коньюктор, на инверсном-0, позволяющий ГЛИН работать. Через малый интервал времени напряжение ГЛИНа с нуля повысится и станет равным Uвх, в этот момент времени на компараторе устанавливается 1,которая обнуляет триггер, «закрывающий» коньюктор и выключающий ГЛИН.

По принципу действия АЦП видно, что двоичное число на выходе счетчика прямопропорционально зависит от временного интервала изменения Uвх.

Ниже приведены временные диаграммы, позволяющие нам представить работу АЦП.

цифровой преобразователь напряжение генератор

2 ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОЙ РАБОТЕ

2.1 Генератор тактовых импульсов

Так как по заданию в основе генератора должны находиться транзисторы, значит решением поиска становится простой мультивибратор, элементная база которого состоит из двух идентичных транзисторов. При этом транзистор будем считать безынерционным элементом, а схему мультивибратора симметричной (Rk1 = Rk2 = Rk; C1 = C2 = C; Rб1 = Rб2 = Rб).

Принцип функционирования. Предположим, что в момент t0 происходит очередное переключение мультивибратора, и транзистор VT1 попадает в режим насыщения, a VT2-в режим отсечки. С этого момента в схеме начинают протекать два самостоятельных процесса, связанные с перезарядом емкостей С1 и С2.

К моменту t = t0, конденсатор С2 полностью разряжен и после насыщения транзистора VT1 начинается заряд этого конденсатора через резистор Rk2.

(1.1)

Так как конденсатор С2 через эмиттерный переход насыщенного транзистора VT1 шунтирует коллектор - эмиттерные выводы транзистора VT2, то процесс его заряда определяет скорость изменения коллекторного напряжения транзистора VT2. Полагая, что процесс заряда заканчивается в момент Uc2 = 0,9Eп, для длительности фронта коллекторного напряжения транзистора справедливо выражение

(1.2)

В момент t0 ток базы транзистора VT1 складывается из постоянного тока резистора Rб1 и импульсного тока заряда конденсатора С2. Поэтому сразу после насыщения ток базы VT1 существенно больше необходимого для его насыщения, и напряжение эмиттерного перехода транзистора VT1 имеет максимальное значение - UБЭ1 и. По мере заряда конденсатора С2, напряжение UБЭ1, падает до величины UБЭ1 н, определяемой только током резистора Rб1.

А)

Б)

Рисунок 1.1 - Схема симметричного мультивибратора (а) и временные диаграммы поясняющие его работу (б)

Второй процесс в схеме связан с разрядом ранее заряженного почти до напряжения питания Eп конденсатора С1. Этот разряд происходит через насыщенный транзистор VT1, источник питания Eп, и резистор Rб1. Так как VT1 насыщен, то UБЭ2 ? UС1 и VT2 надежно заперт.

Процесс разряда конденсатора С1 описывается выражением

(1.3)

Этот процесс заканчивается в момент, когда UС1 = 0. Решая (1.3) относительно времени, для длительности разряда конденсатора С1 получаем,

(1.4)

В момент t2 произойдет очередное переключение транзисторов. Транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 насыщается. Далее процесс пойдёт аналогично описанному. Поэтому длительности интервалов t3-t2 и t4-t2 можно определить соответственно из выражений (1.2) и (1.4) при замене Rб1С1 на Rб2С2 и Rк1С1 на Rк2С2.

Таким образом, длительность нахождения схемы в квазиустойчивом состоянии определяется процессами разряда, а длительность фронта коллекторного напряжения - процессами заряда конденсатора связи. Сравнивая (1.2) и (1.4), можно сказать, что поскольку Rб/Rк = h21Э /S, где S-степень насыщения транзистора (обычно S = 1,5...2), то длительность фронта коллекторного напряжения, равная длительности интервала подготовки схемы к следующему переключению, всегда меньше длительности импульса выходного напряжения.

В рассматриваемом случае выходное напряжение автоколебательного мультивибратора близко к прямоугольному, причем длительности импульса tИ и паузы tП выходного напряжения равны между собой (t2-t0 и t4-t2).

Если симметрия схемы нарушена, то на выходах формируется напряжение, для которого tИ ? tП. При проектировании таких схем необходимо заботиться о том, чтобы во всех режимах работы время подготовки схемы к следующему переключению было меньше или равно времени нахождения схемы в квазиустойчивом состоянии.

Частота выходного напряжения симметричного автоколебательного мультивибратора не зависит от напряжения питания и полностью определяется параметрами его элементов

(1.5)

Расчёт. Расчет проведём в следующим порядке.

1. Выбираем тип транзисторов из следующих условий U_{К ДОП} = 2EП, f_ГР 100 МГц, I_{К ДОП} 20 мА. Так как мой источник питания имеет положительную полярность следует выбирать транзисторы n-p-n-типа.

Перечисляемым условиям удовлетворяет n-p-n-транзистор КТ206А, для которого:

U_{К ДОП} = 20 В; h21 = 30…90;

fГР = 10 МГц; I_{К ДОП} = 20 мА.

2. Определяем RК1 = RК2 = RК = E/I_K, принимаем I_К = (0,60,8)I_{К MAX}.



3. Рассчитываем Rб1 = Rб2 = Rб = h21•RК/S, S - степень насыщения, обычно S = (1,22).

4. Емкость конденсаторов С1 и С2 можно определить по формулам:

Период автоколебаний определяется как: T = 1/f = t_И + t_П, а скважность Q = T/t_И, Q = 2.

Для гарманиевых транзисторов, а также для случае, когда E>>U_{БЭ НАС} формулы упрощаются: t_И 0,7С1Rб1, t_П 0,7С2Rб2. отсюда, так как t_и = t_п и Rб1 = Rб2 = Rб

С1 = С2 = С = t_И/0,7• Rб



5. Расчетная длительность фронта t_Ф = 2.3•С1R_К1. Если t_Ф > 0,1t_И, то необходимо использовать схему коррекции.

Эта величина меньше чем 0,1tИ значит схему коррекции использовать не нужно.

2.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Рисунок - Схема ГЛИНа

ГЛИН состоит генератора стабильного тока выполненного на транзисторах VT1 и VT2 (токовое зеркало), конденсатора и ключа, собранного на полевом транзисторе VT3.

Работа ГЛИН заключается в следующем: В ждущем режиме на Uупр подается плюс это может быть логическая единица с логического элемента, в этом случаи транзистор VT3 открыт, конденсатор закорочен через транзистор VT3, Uвых = 0.

Как только напряжение на Uупр тр. станет равное нулю транзистор VT3 закроется и начнется зарядка конденсатора через генератор стабильного тока, на выходе будет наблюдаться линейное изменение напряжения, как показано на графике временных диаграмм рис 6.

Расчет элементов ГЛИН:

Известно что: время преобразования 1,5 мс

Максимальное напряжение на входе 8 В

Если принять С2 = 10 мкФ, то для того чтобы зарядилось емкость до напряжения Uвх = 8В за время 1,5 мс нужно заряжать емкость током Iо, которое находится из уравнения:

Возьмем VT1 и VT2 одинаковыми, а сопротивления R6 = R7 = 10 Ом, то токи I6 = I7

(I7 = Io), R8 = 300 Ом;

Для нормальной работы ГЛИНа, которая соответствует заданию ток Io должен быть равным 53 mA, для его получения на Uупр нужно подать напряжение со знаком минус равное:

Любые изменения Uупр приведут к полному изменению работы всего устройства.

Если превысить максимально положенное напряжение Uупр то до максимального напряжения Uвх = 8В, на выходе ГЛИНА напряжение достигнет этого значения за меньшее время чем время преобразование это приведет к тому что данному максимальному значению напряжения не будет соответствовать максимальное число счетчика, чем больше мы будим превышать напряжение Uупр тем больше будет не соответствие между ними.(Через мерное увеличение Uупр приведет к тому что ток Io превысит допустимого значения, что приведет к неисправности транзисторов);

При занижении Uупр произойдет обратное максимальному значению Uвх счетчик будет переполнен.

Точные временные диаграммы при Uупр = 1,43 В (нор.) приведены на рис 7.

Рисунок 7

Так как в коллекторной цепи транзисторов не превышает 53 mA, то VT1 и VT2 можно использовать транзисторы типа КТ361А.

Полевой транзистор типа КП902А.

2.3 Компаратор (КН)

Для определения момента равенства двух сигналов используются схемы операционного усилителя (ОУ) в компараторном режиме. Компаратор осуществляет переключение уровня выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся во времени входной сигнал становится выше или ниже определенного уровня. Схема и диаграмма работы приведены на рис.8.

Рисунок 8

Сопротивление R3 и диоды VD5 и VD6 предназначены для ограничения выходного сигнала, так как он в дальнейшем будет использоваться как входной логического элемента (Триггера). Операционный усилитель типа K140УД2Б.

2.4 Коньюктор (элемент «И») и триггер

& - Логическая схема «И». Схема состоит из двух последовательно включённых транзисторных ключей и является базисным элементом во всех цифровых устройствах. Логический элемент «И» может иметь два, три и более входов (в нашем случае - два), и всего один выход. При отсутствии хотя бы на одном входе сигнала элемент находится в нулевом состоянии, так как даже если один транзистор будет закрыт, ток через нагрузку не потечёт. Только когда все транзисторы будут открыты, элемент перейдёт в состояние высокого уровня.

Коньюктором мы можем взять микросхему К155ЛИ1 которая содержит 4 элемента «И».

Как триггер возьмём микросхему К555ТР2,которая содержит 4 RS-триггера, но у данного триггера нет инверсного выхода, мы получим его с помощью инвертора, элемента «ИЛИ-НЕ» в нашем случае микросхемы К155ЛН1.

2.5 Счетчик

Счетчиком называют устройство, сигналы на выходе которого в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. Счетчик, образованный цепочкой из п-триггеров Т-типа сможет подсчитать в двоичном коде 2ⁿ импульсов. Каждый из триггеров такой цепочки называют разрядом счетчика. Число л определяет количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счетчик.

По заданию разрядность кода 8, в качестве счетчика с разрядом 7 можно использовать два счетчика К155ИЕ7 включенные по схеме:

Входы +1 и -1 счетные. Последовательность входных импульсов подается на один из этих входов в зависимости от того, в каком направлении (прямом или обратном) требуется вести счет. Нерабочий вход подключается к логической единице (*Unm)- Счетчик срабатывает при переходе счетных импульсов из нуля в единицу. Входы D1-D4 предназначены для предварительной установки в счетчик исходного числа, если в этом есть необходимость. Ввод данных происходит в момент появления импульса записи низкого уровня (логический ноль) на входе С. Если предварительная установка не требуется, то на входе С действует логическая единица. Вход R - «сброс» служит для установки нуля на всех выходах 01-04. Сброс осуществляется подачей импульса высокого уровня (логическая единица).

На вход «Счет» подается счетные импульсы. Входы D1-D8 служат для выставления начального счета в этом случаи на вход С подается логический ноль, в нашем случаи в этом нет необходимости поэтому входы D1-D8 свободны, а на входе С логическая единица. Входы R обоих счетчиков соединены в месте и служат для сброса счетчиков. Счет происходит при переходе счетных импульсов из нуля в единицу.

Выходы Q1-Q8 прямые выводы разряда счета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полная схема АЦП изображена на рис 10., и ее точные временные диаграммы.

Рисунок 10

Вид элементов, используемых для сборки ГЛИНа представлен на рисунках.

Проанализируем работу полной схемы АЦП.

Запускающий импульс, приходящий от других схем, амплитудой порядка логической единицы, так как он подается на логические элементы (триггер, счетчик).



Рисунок - Биполярный транзистор КТ361А

Рисунок - Полевого транзистор КП902 А

Рисунок - Операционный усилитель K140УД2Б, используемый для компаратора

Здесь приведены характеристики счётчика K155ИЕ7.



Что касается входного напряжения то он заключен в интервале от Umin до Umax, Umax известна из условия задания и равна 8 В, Umin это такое напряжение которому будет соответствовать 1 на счетчике: для того чтобы на счетчик прошел один импульс нужно чтобы время возрастания напряжения на ГЛИН была не меньше периода ГТИ, чтобы пока не сработал компаратор на счетчик успел пройти 1 импульс. Найдем Umin:

T = 1,18*10^-5 С

Напряжение на конденсаторе начальное напряжение на конденсаторе Uo = 0;

Счетчик работает по переднему фронту сигнала поступавшего от элемента «И», элемент и срабатывает тоже по переднему фронту что свидетельствует о правильном счете.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1990. 496 с.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1983.

4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич Л.А. Расчет элементов цифровых устройств: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1982.

5. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. М.: Высшая школа, 1989.

6. Вениаминов В.Н. и др. Микросхемы и их применение. М.: Радио и связь, 1989.

7. Алексеев А.Г. Операционные усилители и их применение. М.: Радио и связь, 1989.

8. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. М.: Высш. шк.,1989.

9. Джонс М.Х. Электроника - практический курс. М.: Постмаркет, 1999.

10. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

СПИСОК ЭЛЕМЕНТОВ

R1, R3 10 кОм

R2 20 кОм

R4 40 кОм

R5, R9 510

R6, R7 10

R8 300

C1 148 пФ

C2 10 мкФ

VD1-VD6 КД903

VT1, VT2 КТ361

VT3 КП903

DA1, DA2 К140УД2

DA3 К555ТР2

DA4 К155ЛН1

DA5 К155ЛИ1

DA6-DA7 К155ИЕ7

Размещено на Allbest.ru