Багатоканальна система збору даних

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

НТУУ «КПІ»

КУРСОВА РОБОТА

З курсу: «Електронні системи»

На тему: «Багатоканальна система збору даних»

Виконав

Студент групи ДС 71

4 курсу ФЕЛ

Грабовий Олександр

Варіант 22

Київ 2011

Введення

Технічну основу сучасних пристроїв перетворення інформації складають інтегральні мікросхеми та мікропроцесори, які відкривають великі можливості щодо покращення властивостей різноманітних пристроїв.

Ключовим елементом реалізації таких пристроїв є побудова зв'язоку між аналоговим та цифровим сигналами. Дану функцію виконують аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі.

Так як темою даної роботи є «Багатоканальна система збору даних», то в основі роботи буде лежати саме АЦП, тому розглянемо його детальніше.

АЦП, Анамлого-цифровимй перетвомрювач (англ. analog-to-digital converter (скорочено ADC)) -- пристрій, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал). Зворотне перетворення здійснюється за допомогою ЦАП (цифро-аналогового перетворювача).

Нижче перераховані основні способи побудови електронних АЦП:

· АЦП прямого перетворення або паралельний АЦП містить по одиному компаратору на кожен дискретний рівень вхідного сигналу. У будь-який момент часу тільки компаратори, відповідні рівням нижче за рівень вхідного сигналу, видадуть на своєму виході сигнал перевищення. Сигнали зі всіх компараторів поступають на логічну схему яка видає цифровий код, залежний від того, скільки компараторів показали перевищення. Паралельні АЦП дуже швидкі, але зазвичай мають розрядність не більше 8 бітів (256 компараторів), оскільки, мають велику і дорогу схему. АЦП цього типу мають дуже великий розмір кристала мікросхеми, високу вхідну ємність, і можуть видавати короткочасні помилки на виході. Часто використовуються для відео або інших високочастотних сигналів.

· АЦП послідовного наближення або АЦП з порозрядним врівноваженням містить компаратор, допоміжний ЦАП і регістр послідовного наближення. АЦП перетворить аналоговий сигнал в цифровий за N кроків, де N -- розрядність АЦП. На кожному кроці визначається по одному біту шуканого цифрового значення, починаючи від СЗР і закінчуючи МЗР. Послідовність дій за визначенням чергового біта полягає в наступному. На допоміжному ЦАП виставляється аналогове значення, утворене з бітів, вже визначених на попередніх кроках; битий, який повинен бути визначений на цьому кроці, виставляється в 1, більш молодші біти встановлені в 0. Отримане на допоміжному ЦАП значення порівнюється з вхідним аналоговим значенням. Якщо значення вхідного сигналу більше значення на допоміжному ЦАП, то визначуваний біт отримує значення 1, інакше 0. Таким чином, визначення підсумкового цифрового значення нагадує двійковий пошук. АЦП цього типу володіють одночасно високою швидкістю і хорошою розрядністю.

· АЦП диференціального кодування (англ. delta-encoded ADC) містять реверсивний лічильник, код з якого поступає на допоміжний ЦАП. Вхідний сигнал і сигнал з допоміжного ЦАП порівнюються на компараторі. Завдяки негативному зворотному зв'язку з компаратора на лічильник код на лічильнику постійно міняється так, щоб сигнал з допоміжного ЦАП якомога менше відрізнявся від вхідного сигналу. Після деякого часу різниця сигналів стає менше, ніж МЗР, при цьому код лічильника прочитується як вихідний цифровий сигнал АЦП. АЦП цього типу мають дуже великий діапазон вхідного сигналу і високу розрядність, але час перетворення залежить від вхідного сигналу, хоч і обмежено зверху. У гіршому разі час перетворення рівний T_max=(2^q) /f_с, де q -- розрядність АЦП, f_с -- частота тактового генератора лічильника. АЦП диференціального кодування зазвичай є хорошим вибором для оцифровки сигналів реального світу, оскільки більшість сигналів у фізичних системах не схильні до стрибкподібних змін. У деяких АЦП використовується комбінований підхід: диференційне кодування і послідовне наближення; це особливо добре працює у випадках, коли відомо, що високочастотні компоненти в сигналі відносно невеликі.

· АЦП порівняння з зубчастим сигналом містять генератор напруги зубчастої форми, компаратор і лічильник часу. Зубчастий сигнал лінійно наростає до деякого рівня, потім швидко спадає до нуля. У момент початку наростання запускається лічильник часу. Коли пилоподібний сигнал досягає рівня вхідного сигналу, компаратор спрацьовує і зупиняє лічильник; значення прочитується з лічильника і подається на вихід АЦП. Даний тип АЦП є найпростішим за структурою і містить мінімальне число елементів. Разом з тим прості АЦП цього типу володіють досить низькою точністю і чутливі до температури і інших зовнішніх параметрів. Для збільшення точності генератор пилоподібного сигналу може бути побудований на основі лічильника і допоміжного ЦАП, проте така структура не має жодних переваг в порівнянні з АЦП послідовного наближення і АЦП диференціального кодування.

· АЦП з урівноваженням заряду (до них відносяться АЦП з двостадійною інтеграцією, АЦП з багатостадійною інтеграцією і деякі інші) містять генератор стабільного струму, компаратор, інтегратор струму, тактовий генератор і лічильник. Перетворення відбувається в два етапи (двостадійне інтегрування). На першому етапі значення вхідного сигналу перетвориться в струм, який подається на інтегратор струму (заряд інтегратора спочатку рівний нулю); цей процес триває протягом часу TN, де T -- період тактового генератора, N -- константа (велике ціле число, визначає час накопичення заряду). Коли накопичення заряду закінчене, вхід інтегратора відключається від входу АЦП і підключається до генератора стабільного струму. Полярність генератора така, що він зменшує заряд, накопичений в інтеграторі. Процес розряду триває до тих пір, поки заряд в інтеграторі не зменшиться до нуля. Час розряду вимірюється шляхом рахунку тактових імпульсів від моменту початку розряду до досягнення нульового заряду на інтеграторі. Порахована кількість тактових імпульсів і буде вихідним кодом АЦП. Можна показати, що кількість імпульсів n, пораховане за час розряду, дорівнює: n=U_вхN(RI₀)^-1, де U_вх -- вхідна напруга АЦП, N -- число імпульсів, етапу накопичення (визначено вище), R -- опір резистора, що перетворює вхідну напругу в струм, I₀ -- струм генератора стабільного струму. Конвеєрні АЦП використовують два або більше кроків-піддіапазонів. На першому кроці проводиться грубе перетворення (з низькою розрядністю). Далі визначається різниця між вхідним сигналом і аналоговим сигналом, відповідним результату грубого перетворення (з допоміжного ЦАП, на який подається грубий код). На другому кроці знайдена різниця піддається перетворенню, і отриманий код об'єднується з грубим кодом для набуття повного вигідного цифрового значення. АЦП цього типу швидкі, мають високу розрядність і невеликий розмір корпусу.

· Сигма-Дельта АЦП (звані також Дельта-Сигма АЦП) проводить аналого-цифрове перетворення з частотою дискретизації, що у багато разів перевищує потрібну і шляхом фільтрації залишає в сигналі тільки потрібну спектральну смугу.

Неелектронні АЦП зазвичай будуються на тих же принципах.

Розробка і опис структурної схеми багатоканальної системи збору даних

АК - аналоговий комутатор

АЦП - аналого-цифровий перетворювач

ПК - перетворювач кодів

СК - система керування

ГІ - генератор імпульсів

ПЗП - постійний запам'ятовуючий пристрій

Розроблений пристрій дозволяє оцифровувати 16 вхідних напруг в автоматичному режимі з послідовністю: 1,3,5,7,9,11,13,15,2,4,6,8,10,12,14,16.

Всі вхідні напруги поступають на АК, яким керує СК. ГІ генерує послідовність імпульсів, які поступають на 4-х розрядний лічильник, який, рахуючи їх, формує на виході двійковий код, що відповідає кількості імпульсів. Вихід лічильника з'єднаний з входом ПЗП, який запрограмований таким чином, що зі зміною вхідного значення на одиницю, на виході формується двійковий код, що відповідає наступному адресу вхідної напруги. Дані з ПЗП передаються на адресні входи аналогового комутатора, який підключає відповідні напруги. Кожна з 16-ти напруг надходить на підсилювач (так як динамічний діапазон даних напруг не задовольняє можливим вхідним напругам АЦП, то використаємо підсилювач для їх масштабування) і далі на АЦП, де перетворюючись в цифрову форму потрапляє на ПК, що з отриманого коду формує код з непарною кількістю одиниць.

Розробка та опис схеми електричної принципової

Схема електрична принципова наведена на рис.1 графічної частини.

Працює вона наступним чином. 16 вхідних напруг надходять на аналоговий комутатор (DD4). Підключення потрібного каналу до АЦП залежить від адресів на його входах. Ці адреси формуються на виході ПЗП (DD3). Генератор імпульсів (DD1) формує послідовність імпульсів заданих параметрів, які поступають на лічильник (DD3) . З приходом кожного імпульсу, значення на виходах лічильника збільшуються на одиницю. Далі вони передаються на входи ПЗП (А3-А0), де перетворюються відповідним чином в інші коди, потрібні для формування адресу АК (DD3). Відповідності кодам показані в таблиці 1.

Так як напруга змінюється в діапазоні від -2 до +5 В, а АЦП приймає тільки +2,5В, то всі вхідні напруги будуть проходить через масштабний підсилювач, виконуючий роль компаратора, який буде «підтягувати» від'ємну напругу до 0, а додатну до +7В, після чого масштабувати до визначених меж.

Напруга буде зніматися зі змінного резистору R9, який шляхом підлаштування, відокремлює пропорційно потрібну напругу.

Трансформована напруга подається на АЦП (DD6), де конвертується в цифровий вигляд. На вхід RD подається сигнал з виходу генератора імпульсів через затримку у вигляді схеми DD7, для формування стробу запису. Вхід CS поданий на землю, для постійної активації АЦП.

З виходів АЦП DB0-DB7 сформований код подається на перетворювач кодів DD10. Після в регістр. Строб запису в регістр формується з виходу INT АЦП через затримку DD8 на вхід LE.

Розрахунки

АЦП

Кількість рівнів квантування:

Розрядність АЦП:

Час перетворення:

Враховуючи дані параметри, я обрав АЦП MAX150.

Його параметри:

Розрядність - 8 біт (з них будуть реально використовуватися старших 7, так як похибка АЦП ? LSB)

Час перетворення - 1,34 мкс

Живлення - +5В

Внутрішній референсний вхід - +2,5В

Пристрій вибірки та збереження (track-and-hold) - присутній

На вхід RD потрібно сформувати сигнал з довжиною імпульсу не менше 30 нс, тому використаємо такі параметри: R3=2k, C3=10pF, тоді сформований імпульс буде мати довжину tі=2,3*R*C=46 нс.

Для фільтрації шумів в рекомендація до використанні АЦП рекомендується паралельно входу живлення вмикати конденсатори C5=0,1мкФ і C6=17мкФ (електроліт).

аналоговий цифровий сигнал багатоканальний

Генератор імпульсів

В якості мікросхеми генератора оберемо таймер KP1006BИ1.

Визначимо довжину імпульсу, який буде сформовано на виході:

tі==1 мкс

Враховуючи умови формування параметрів імпульсів визначимо елементи генератора.

Задавшись значенням номіналу конденсатора С1=1нФ знайдем R2 з умови:

З іншої умови знаходимо R1:

Значення С2 оберемо з рекомендацій до установки мікросхеми С2= 0,025мкФ

Лічильник

В якості лічильника імпульсів обираємо чьотирьохрозрядний лічильник T74LS93C1.

Для використання лічильника як 4-х розрядного, використаємо вхід С1.

Враховуючи обмеження на струм живлення (І=9мА), оберемо R4=Uж/І=625 Ом.

ПЗП

В якості ПЗП в даній роботі використано ПЗП M2716, ємністю 16К на 11 входів.

Також як елемент пам'яті використано буферний регістр SN74ALS373ADW фірми Texas Instruments. Це 8-ми розрядний буферний регістр. На вхід LE подано строб з виходу INT АЦП для запису в буферний регістр.

Аналоговий комутатор

Аналоговий комутатор - мікросхема ADG406. Параметри: 16 входів, двополярне живлення +/-15В.

Підсилювач

Напруга з аналогового комутатора поступає на неінвертуючий вхід підсилювача LM358 (двополярне живлення +/-15В), ввімкненого в схемі емітерного повторювача. Послідовно ввімкнені діоди VD1-3 створюють джерело опорної напруги +2В, ля компенсації від'ємної напруги. З резистора R9, шляхом підлаштування, знімається необхідний рівень напруги 2,5В. R6=1k, R7=10k, R8=10k, R9=10k, R10=680.

Перетворювач кодів

Представлений у вигляді 3-х суматорів по модулю два (74136) та інвертора(7401) - DD5. На вхід цієї схеми поступає код з АЦП. Враховуючи значення коду, на виході ПК одержуємо біт, який додається до основного, створюючи при цьому код з непарною кількість одиниць.

Висновки

В даній курсовій роботі було спроектовано багатоканальну систему збору даних.

Дану систему можливо використовувати при узгодженні з пристроєм, який може приймати 8-ми розрядний код з непарною кількістю одиниць.

Система працює в автоматичному режимі, почергово оцифровуючи 16 напруг, із заданою послідовністю - 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16. Використовуючи такі основні елементи як аналоговий комутатор, аналогово-цифровий перетворювач та перетворювач кодів, та за допомогою системи керування всіма цими елементами було досягнуто оцифровування заданих напруг.

Для побудови такої системи можливе застосування мікроконтроллера, який значно спростив би її, але для розуміння основ такої роботи було використано інший шлях.

Література

1. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев «Электроника». Москва, 1991

2. В. М. Рябенький, В. Я. Жуйков, В. Д. Гулий «Цифрова схемотехніка»

3. Ю. І. Якименко, Т. О. Терещенко, В. Я. Жуйков «Мікропроцесорна техніка»

Размещено на Allbest.ru