Аналого-цифровой преобразователь последовательного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра БМЭ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине: «Цифровая схемотехника»

на тему: «Аналого-цифровой преобразователь последовательного действия»

Харьков 2003

РЕФЕРАТ

Объект исследования - АЦП параллельного действия.

Цель работы -построить АЦП параллельного типа.

В ходе выполнения работы была получена схема электрическая принципиальная АЦП

АЦП, ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ВВОД

аналоговый цифровой преобразователь

Оглавление

Введение

1 Принципы построения основных типов АЦП

2 Разработка структурной схемы

2.1 АЦП

2.2 Схема измерения

2.3 Тактовый генератор

3 Расчёт узлов схемы

3.1 Расчёт схемы измерения

3.2 Расчёт тактового генератора

Выводы

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Всё многообразие цифровой схемотехники в зависимости от сложности выполняемых преобразований дискретных сигналов можно условно разделить на элементы, функциональные узлы, устройства и системы.

Устройства цифровой схемотехники обычно выполняют преобразования над многоразрядными числами и состоят из комбинаций функциональных узлов и элементов. Это регистры, счётчики, сумматоры, преобразователи кодов, оперативные запоминающие устройства ЭВМ, мультиплексоры, демультиплексоры, цифровые компараторы, ЦАП и АЦП. Цифровые устройства в соответствии с некоторой архитектурой объединяются в системы (например, ЭВМ).

Технические параметры цифровых систем, устройств и узлов обусловлены параметрами используемых в них элементов. Простейшими элементами цифровой схемотехники являются электронные переключатели напряжения и тока.

Качество проектируемых цифровых устройств характеризуется системой параметров, основными из которых являются быстродействие, энергопотребление, помехозащищённость, надёжность, стоимость, масса, объём и др. Все технические параметры связаны с параметрами элементной базы.

Проектирование цифровых устройств начинается с выбора элементной базы, представляющий собой совокупность простейших, конструктивно законченных электронных компонентов, обладающих свойством функциональной и технической полноты.

Данный курсовой проект посвящен разработке АЦП параллельного действия. Основное его назначение это преобразование аналогового сигнала в цифровой в частности для ввода в ЭВМ.

1 Принципы построения основных типов АЦП

Под аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) понимаю устройства, позволяющие осуществить переход от информации в аналоговой форме к информации в цифровой форме. Эти преобразователи широко используют для ввода в ЭВМ аналоговых данных, при цифровом измерении аналоговых сигналов, для перехода к цифровым сигналам в системах автоматического регулирования и управления. Вместе с ЦАП рассматриваемые преобразователи используются в микропроцессорных устройствах.

В микроэлектронных АЦП входным сигналом является напряжение, выходным -- соответствующее ему значение цифрового кода. В преобразователях происходит квантование входного напряжения на конечное число дискретных уровней.

Основные параметры АЦП:

1. Число разрядов выходного кода -- b. Этот параметр и максимальный диапазон входного напряжения определяют разрешающую способность, представляющую собой значение напряжения, соответствующее МР.

2. Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы пш -- отклонение напряжения от номинального значения, соответствующего конечной точке характеристики преобразования. Эта погрешность зависит от шага квантования (МР) и ошибок, вносимых узлами АЦП.

3. Нелинейность л, дифференциальная нелинейность лд, которые определяются как и у ЦАП, но по отношению к входному сигналу.

4. Время преобразования tпрб интервал от момента -- заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода.

При измерении напряжение (аналоговая величина) представляется рядом дискретных значений, каждое из которых преобразуется в код. Интервал времени, через который определяется значение напряжения, является периодом дискретизации. Этот период выбирается, исходя из необходимости обеспечить время для процесса обработки сигнала (измерения) и не потерять информацию об исследуемом аналоговом сигнале.

Состав АЦП может изменяться в значительной степени в зависимости от метода преобразования и способа его реализации. Наибольшее распространение получили АЦП последовательного приближения, последовательного счёта с двойным интегрированием и преобразователи считывания (параллельного действия).

Принцип действия АЦП последовательного приближения (поразрядного иования) заключается в следующем. Имеется набор эталонов напряжения, пропорциональных по значению степеням числа 2, которые сравниваются с аналоговой величиной. Сравнение начинается с эталона старшего разряда. В зависимости от результата этого сравнения формируется значение старшего разряда выходного кода. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде ставится 0. Затем входная величина уравновешивается следующим по значению эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и в дальнейшем уравновешивается разность между входной величиной и первым эталоном и т. д.

Принцип работы ЦАП последовательного счета основан на уравновешивании входной величины суммой одинаковых и минимальных по величине эталонов. Момент уравновешивания определяется с помощью компаратора, а количество эталонов, уравновешивающих входную величину, подсчитывается счётчиком. Одной из разновидностей АЦП последовательного счета, характеризующейся повышенной точностью, является преобразователь с двойным интегрированием.

В рассмотренном АЦП в результате использования одних и тех же узлов на обоих этапах интегрирования Uвх и Uоп исключаются погрешности в формировании линейно-изменяющегося напряжения, ошибки в срабатывания компаратора, погреешности в стабильности источника тактовой частоты. К недостаткам преобразователя можно отнести невысокое быстродействие.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип работы преобразователей параллельного действия основав на одновременном сравнении входного сигнала с 2b-1 эталонами, соответствующими b-разрядному двоичному коду, и кодировании результатов этого сравнения. Пример такого преобразователя показан на рис 1.1. В этом преобразователе 2b-1 опорных напряжений формируются с помощью резистивного делителя. Каждое из опорных напряжений подается вместе с Uвх на соответствующий компаратор. Срабатывают лишь те компараторы, у которых Uвх>Uопi. Результат сравнения через фиксирующие триггеры Т1-Тb подается на кодопреобразователь, преобразующий его в код. Подобные преобразователи являются наиболее быстродействующими. Недостаток этих преобразователей в большом количестве компараторов, которое быстро возрастает с ростом числа разрядов.

Если нужно повысить разрядность, сохраняя высокое быстродействие при приемлемой сложности, применяют параллельно-последовательные (комбинированные) АЦП. В них несколько малоразрядных АЦП параллельного действия соединяют последовательно.

2 Разработка структурной схемы

2.1 АЦП

Передо мной стоит задача построения АЦП параллельного действия для работы с тензодатчиком весов. Для решения этой задачи из номенклатуры мною была найдена выпускаемая отечественной промышленностью микросхема К1107ПВ2. Она представляет собой восьмиразрядный быстродействующий АЦП параллельного действия. Входное напряжение преобразуется в двоичный код и код с дополнением до двух (прямой и обратный). В состав микросхемы входят 64 компаратора, усилитель опорного напряжения, дешифратор, выходной буферный регистр и устройство управления выходным кодом. Работа преобразователя стробируется тактовыми импульсами. Минимальная длительность этих импульсов определяется быстродействием компараторов и составляет 15нс, минимальный период следования импульсов зависит от быстродействия преобразователя кодов и равняется 30нс. Частота преобразования не превышает 20 МГц. Диапазон входного напряжения 0…2В.

Могу сказать, что по всем параметрам данная микросхема удовлетворяет моим условиям.

2.2 Схема измерения

В качестве тензодатчика используем стандартный, выпускаемый промышленностью полупроводниковый тензодатчик, имеющий сопротивление 120 Ом. Под действием давления датчик меняет своё сопротивление в пределах 120…180 Ом. Для измерения этого сопротивления используем преобразователь сопротивление-напряжение рис. 2.1. В приведенной схеме резистор R2 является моим тензодатчиком. В этот преобразователь входят 3 ОУ, которые обеспечивают наряду с исключением влияния погрешности от сопротивления проводов соединительной линии ещё и усиление выходного напряжения полумоста. Выходное напряжение ПСН, снимаемое с ОУ DD2:

(2.1)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если выполнить равенство R3=R4R5/(R4+R5), то выходное напряжение определится соотношением:

(2.2)

2.3 Тактовый генератор

Генератор тактовых импульсов представляет собой автоколебательный мультивибратор, собранный на ОУ. Схема генератора приведена на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Тактовый генератор

Время заряда конденсатора равно:

, (2.3)

где - коэффициент обратной связи.

Время разряда конденсатора:

. (2.4)

Тогда, при условии, что , что справедливо для большинства типов ОУ, частота колебаний:

. (2.5)

2.4 Схема индикации

Для индикации применяется схема, состоящая из дешифратора и семисегментного индикатора (рис 2.3).

Рис. 2.3 - Схема индикации

3 Расчёт узлов схемы.

3.1 Расчёт схемы измерения

Номиналы резисторов выбираем из условия что диапазон Uвых=0..2 В, а U0=5В. Значит из 2.2 получим что

должно быть равно 1/5. Также из 2.2 можно сказать что при значении R2=120 Ом, т.е. отсутствии нагрузки R2-R1 должно быть равно 0. Следовательно R1=120 Ом. Рассмотрим теперь противоположный случай - максимальная нагрузка. При этом сопротивление R2 может достигать 180 Ом, а выходной сигнал при этом должен быть порядка 2 В. Т.к. R1 и R2 нам уже известны из сказанного выше и из 2.2 получим что R3=R5/2. Теперь из 2.1 получаем что R4=R5.

После всего вышесказанного получим:

R1=120 Om; R2=120+60 Om; R3=100Om; R4=200Om; R5=200Om.

3.2 Расчёт тактового генератора

Мультивибратор рассчитываем на частоту f=1 МГц и выходное напряжение Uвых=3В. При этом UПОС=3В. Тогда коэффициент обратной связи . Из (2.5) получим: . Резистор R1 выберем из условия IR1~1mA. Поскольку максимальное напряжение на этом резисторе UR1max=UвыхОУ=6В, то выбираем R1=6,2кОм. Тогда С1~30пФ. Ток через R2 равен IR2=IвыхОУ-IR1=1,5мА. Поскольку падение напряжения на R2 равно 3 В, его номинал . Падение напряжения на R3 равно UПОС, поэтому .

Выводы

В результате выполнения курсового проекта разработана схема электрическая принципиальная АЦП параллельного действия, предназначенного для работы с тензодатчиком весов с последующей индикацией. На основе исходных данных и параметров выбранных элементов рассчитаны параметры пассивных элементов схемы. Недостатком схемы является необходимость в двух источниках питания. Достоинства схемы: высокая скорость преобразования, простота построения и доступность элементов.

Список использованной литературы

1. Богданович М.И. и др. Цифровые интегральные микросхемы: Справ. - Мн.: Беларусь, 1991. - 493 с.: ил.

2. Боровский В.П. и др. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя - К.: Техника, 1987. - 432с.: ил.

3. Вениаминов В.Н. и др. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989. - 240 с.: ил.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов - М.: Высш. шк., 1991. - 622с.:ил.

5. Зубчук В.И. и др. Справочник по цифровой схемотехнике - К.: Техника, 1990. - 448 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru