Проектирование и расчет аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В данной курсовой работе разработан аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения. Рассчитаны его основные узлы и характеристики.

Преобразователь этого типа является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП с двоично-взвешенными приближениями.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4,1/8 и т.д. от возможного максимального её значения. Это позволяет для m-разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за m последовательных шагов приближения (итераций) вместо 2m -1 при использовании единичных приближений и получить существенный выигрыш в быстродействии. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 16 двоичных разрядов.

В данной курсовой работе также будут разработаны структурная и принципиальная схемы АЦП с характеристиками, определёнными в техническом задании, будет проведён расчёт основных узлов, анализ погрешностей разработанного АЦП.

1. Определение требуемой разрядности АЦП

Требуемую разрядность АЦП определим исходя из обеспечения необходимого класса точности. Класс точности задан в виде c/d (0.05 / 0.02), то есть, заданы максимально допустимые значения аддитивной и мультипликативной составляющих основной погрешности, то основная относительная погрешность устройства, выраженная в процентах от значения измеряемого напряжения не должна превышать:

,

где xmax - напряжение, соответствующее концу шкалы на основном диапазоне измерения;

x -значение измеряемой величины.

Значит, требуется обеспечить минимальную погрешность (в конце шкалы преобразования) не более 0.05 %. Погрешность АЦП грубо можно оценить по его разрешающей способности, равной шагу квантования. Требуемую точность можно обеспечить, используя 11-ти разрядный АЦП:

дискретизация конденсатор преобразователь аналоговый

Тогда шаг квантования можно найти как:

h=3/211=1,5 мВ.

2. Расчет частоты дискретизации

Найдем значение частоты дискретизации по теореме Котельникова.

Кз=2 - коэффициент запаса.

Частота дискретизации по теореме Котельникова находится по формуле:

Так как после выпрямления входного сигнала его частота удваивается, следовательно, удваивается и верхняя частота, поэтому при fв=125 кГц частота дискретизации будет равна:

Тогда время цикла дискретизации будет равно:

3. Расчёт функциональных узлов АЦП

Входной повторитель.

Входной повторитель необходим для обеспечения заданного входного сопротивления схемы (не менее 1 Мом).

Выбираем схему включения входного повторителя с единичным коэффициентом усиления. Применяем ОУ К140УД26А (DA10).

По данной схеме включения входное сопротивление jопределяется резистором R1.

R1 выбираем из ряда Е192: С2-29В-0,25Вт-1М±0,5%.

Расчет фильтра низких частот.

В измерительной технике обычно используются фильтры четных порядков, именно они наиболее удобным образом реализуются на основе ОУ.

Для построения фильтра следует определить его порядок, который определяется по наклону АЧХ фильтра. В данном случае этот наклон составляет -80дб/дек. Следовательно, следует брать фильтр 4-го порядка.

Выбираем фильтр Баттерворта (структура Салена-Ки). Он построен на основе двух инвертирующих усилителей DA1 и DA2 выполненных на основе ОУ К140УД26

Исходными данными для расчёта являются частота среза фильтра fc и коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания А=1.

Для первого звена с=1, b=0,7654.

Аналогично рассчитываем C3, C4, R3, R4 для второго звена при с=1 и b=1,8478.

Получим С3=87пФ, С4=74пФ, R3=17,1кОм, R4=17,1 кОм.

Резисторы выберем из ряда Е24.

R2, R3: C2-29B-0,25Bт-22к±0,5%.

R3, R4: С2-29В-0,25Вт-18к±0,5%.

С1, С3: К73-16-63В-90п±5%.

С2: К10-17а-25В-М75-44п±5%.

С4: К73-16-63В-88п±5%.

Расчёт масштабного усилителя.

Устройство автоматического выбора предела измерения служит для приведения значения входного сигнала к основному пределу измерения 3В. Принцип действия устройства основан на изменении коэффициента передачи схемы в зависимости от величины входного напряжения, которое может изменяться от 0 до ±10,24В. В данной схеме используется компаратор DA3 (КР597СА2), опорное напряжение 3В.

Масштабный усилитель DA13 выполнен на основе ОУ К140УД26. В зависимости от того, сработал компаратор или нет, ключ DA4 коммутирует цепи с разными коэффициентами усиления. Если сигнал на входе компаратора меньше 3В, то Ку=1, если больше, то Ку=0,5859375 (3В/5,12В).

Выбрав сопротивление R19=82кОм, можно вычислить сопротивления R5 и R6:

Ключ DA4 выполнен на основе микросхемы КР590КН4.

Номиналы элементов:

R5, R19: С2-29В-0,25Вт-82к±0,05%.

R20: С2-29В-0,25Вт-100к±0,5%.

R21: СП3-16В-0,125Вт-10к±10%.

R6: С2-29В-0,25Вт-47к±0,05%.

Резисторы R5 и R19 выбраны из ряда Е24, а резисторы R6, R20 и R21 из ряда У192.

Расчёт преобразователя средневыпрямленных значений.

ЦАП работает с однополярным сигналом, поэтому необходима установка выпрямителя. Для этого используем схему двухполупериодного преобразователя средневыпрямленных значений, который при любом знаке входного сигнала имеет близкое к нулю выходное сопротивление.

ПСЗ построен на двух операционных усилителях DA5 и DA6 (микросхемы К140УД26).

Напряжение на выходе DA6 равно:

При Uвх<0:

При Uвх>0:

При выполнении условия:

,

коэффициенты преобразования полуволн напряжений равны, но имеют разные знаки, поэтому напряжение Uвых будет однополярным и пропорциональным средневыпрямленному значению напряжения.

Возьмём R8=8,2 кОм, а R9=1,8 кОм.

R14=(R8+R9)=R14=10 кОм.

Найдём R16:

Сопротивление R11 должно быть не менее чем в 100 раз больше прямого сопротивления диодов VD1 И VD2, поэтому возьмём R11=10кОм.

Если коэффициент усиления ОУ DA5 для положительной полуволны входного сигнала взять равным 1, то R7=R10=10кОм.

Сопротивление R11 найдём из уравнения:

Таким образом:

R8: C2-29В-0,25Вт-8,2к±0,5%.

R7, R10: C2-29В-0,25Вт-10к±0,05%.

R11: СП3-16В-0,125Вт-1,8к±10%.

R9: СП3-16В-0,125Вт-1,8к±10%.

R13: С2-29В-0,25Вт-3,3к±0,5%.

R12, R14: С2-29В-0,25Вт-10к±0,05%.

R15: СП3-16В-0,125Вт-10к±10%.

VD1, VD2: КД522А.

Номиналы резисторов R8 и R13 взяты из ряда Е24, номиналы R7, R9, R11, R12, R14, R15 выбраны из ряда Е192.

Устройство выборки хранения.

При обработке аналоговых сигналов, изменяющихся с частотой, соизмеримой или большей, чем скорость работы АЦП, из аналогового сигнала приходится делать выборки. Для этого некоторое значение сигнала в определенный моменты запоминается на время, необходимое для того, чтоб АЦП преобразовал его в двоичный код. Эту функцию выполняет устройство выборки и хранения аналогового сигнала. Установка устройства выборки хранения на вход АЦП будет сохранять отсчет постоянным в течении всего времени преобразования и поможет избежать апертурной погрешности.

Для того чтобы в каждый момент времени на выходе УВХ было запомненное напряжение используем два УВХ, включенных параллельно.

Используем микросхемы фирмы Analog Devices (USA) AD783, на принципиальной схеме DA7 и DA8. Микросхемы устройства выборки-хранения стробируем с частотой, равной половине частоты дискретизации.

Для исключения влияния выходного напряжения одного УВХ на выходное напряжение другого они коммутируются микросхемой DA9 КР590КН4. В её состав входят два аналоговых ключа, причём один из них в исходном состоянии замкнут, а другой разомкнут.

Выбор источника опорного напряжения.

Источник опорного напряжения выполнен на базе микросхемы AD586 (Analog Devices, USA) и резистивного делителя.

ИОН выдаёт +5В, делитель на резисторах R17 и R18 понижает его до +3В.

Если R17 взять равным 1кОм, то R18, будет равен:

.

5R18=3R17+3R18.

R18=1,5R17.

R18=1,5*1 кОм=1,5 кОм.

R17: С2-29В-0,25Вт-1к±0,5%.

R18: С2-29В-0,25Вт-1,5к±0,5%.

С7: КМ-6-25В-М75-0,1 мкФ.

4. Расчет погрешностей

Погрешности в зависимости от возникновения разделяются на:

Методическая - происходят от несовершенства метода измерений.

Инструментальные - происходят от несовершенства средств измерений.

Погрешности средства измерения зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительную.

Основной погрешностью средства измерения называют погрешность в условиях , принятых за нормальные для данного средства.

Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений.

По зависимости от измеряемой величины погрешности средства измерений разделяют на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) погрешности измеряются пропорционально измеряемой величине.

Относительная основная погрешность:

Погрешность входного повторителя.

Коэффициент усиления:

:

Абсолютная погрешность коэффициента усиления:

?К= 1-0,999999=0,000001.

Относительная погрешность коэффициента усиления:

дк=ДК/К*100% = (0,000001/0,999999)*100%=0,0001%.

Погрешность обусловленная наличием напряжения смещения:

Погрешность ФНЧ.

ФНЧ 4-го порядка построен на основе 2-х инвертирующих усилителей. Погрешности ФНЧ:

Погрешность обусловленная наличием напряжения смещения:



Погрешность обусловленная нестабильностью коэффициента усиления:

ДК = 1-0,999999=0,000001

дк=ДК/К*100% = (0,000001/0,999999)*100%=0,0001%

Аддитивная погрешность фильтра находим путём суммирования рассмотренных составляющих:

Погрешность масштабирующего усилителя.

Погрешность обусловленная неточностью используемых резисторов. Коэффициент усиления МУ меняется в зависимости от входного сигнала. При Ку=0,586 погрешность больше чем при Ку=1. При разбросе номиналов в разные стороны:

Абсолютная погрешность коэффициента усиления:

?К=0,586-0,5859=0,0001

Относительная погрешность (мультипликативная):



Погрешность вызванная напряжением смещения:

Погрешность ПСЗ.

Обусловленная неточностью используемых резисторов:

Для ОУ DA5:

Для ОУ DA6:

Мультипликативная погрешность преобразователя:

Погрешность напряжения смещения ОУ:

uDA8 = *100% =,

Погрешность устройства выборки хранения.

Погрешность разряда накопительного конденсатора:

разр = Vразр*tхр/Uвх.мах *100% = (0,02*500нс/3В)*100%= 0,3333*10-6%.

Погрешность недозаряда накопительного конденсатора:

,

где:

-ток заряда.

Время стробирования в нашем случае равно времени дискретизации, т.е. .

Таким образом, основная погрешность УВХ (мультипликативная):

Погрешность источника опорных напряжений.

Отклонение Uоп приводит к изменению hкв.

Для микросхемы AD586 Uоп=5В2мВ. Аддитивная погрешность ИОН равна:

.

Погрешность ЦАП.

Погрешность квантования .

кв = *100% =.

Дифф. Нелинейность: .

Нелинейность: .

Аддитивная погрешность ЦАП:

Мультипликативная погрешность ЦАП - погрешность его шкалы:

Погрешность компаратора.

Порог нечувствительности компаратора 1 мВ. Погрешность нечувствительности:

uнечувств = *100% =

Основная погрешность АЦП.

В результате анализа погрешностей выясняется, что достаточно ограничиться учётом погрешностей ЦАП, масштабирующего усилителя, УВХ, так как остальные погрешности либо устраняются регулировкой, либо пренебрежимо малы.

Для нахождения основной суммарной погрешности АЦП принимаем нормальный закон распределения погрешностей для независимых составляющих.

.

Таким образом класс точности разработанного устройства с/в=0,1/0,005. По результатам оценки погрешностей можно сделать вывод, что при использовании 11-ти разрядного АЦП не удалось обеспечить необходимый по техническому заданию класс точности c/d (0,05/0,02).

5. Описание схемы разработанного АЦП

Разработанная схема включает в себя устройство выборки-хранения, регистр последовательных приближений, источник опорного напряжения, генератор тактовых импульсов и цифро-аналоговый преобразователь. На входе устройства, для обеспечения требуемого входного сопротивления установлен повторитель напряжения (DA10).

На микросхемах DA1 и DA2 Реализован фильтр низких частот второго порядка выполненный по структуре Салена-Ки. Масштабный усилитель (DA3, DA4, DA13) обеспечивает автоматический выбор предела измерения.

Компаратор DA12 служит для определения знака входного сигнала.

На операционных усилителях DA5, DA6 выполнен преобразователь средневыпрямленных значений, для получения однополярного напряжения.

Устройство выборки-хранения реализовано на микросхемах фирмы Analog Devices (DA7, DA8).

В качестве ЦАП используется микросхема HI562A-2 (DA14).

Опорное напряжение на ЦАП подаётся от источника напряжений AD586 (DA11).

Для реализации регистра последовательных приближений взята микросхема AM2504. Частота работы 26МГц, , полный цикл преобразования составляет 13 тактов . Генератор тактовой частоты выполнен на кварце ZQ1, частота 104МГц. На микросхеме К555ИЕ2 (DD3)выполнен делитель на 2 для устранения фазовой нестабильности.

Реализована возможность ручного запуска.

Автоматический запуск РПП осуществляется сигналом QCC низкого уровня.

В схеме используются регистры с Z-состоянием на выходе К555ИР22 (DD7, DD8).

Заключение

В данной курсовой работе разработан АЦП последовательного приближения, со следующими техническими характеристиками:

- входное сопротивление 1 МОм;

- частота дискретизации 1 МГц;

- класс точности 0,05/0,02;

- число каналов 2;

- разрядность 11.

Разработанный АЦП имеет возможность работать как от внутреннего генератора, так и от внешнего.

Режим преобразования может быть однократным или циклическим.

Список литературы

Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1988. - 304с.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. -- М.: Радио и связь, 1989. - 496с.

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд., испр. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989. - 352с.

Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. - 120с.

Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 256с.

Размещено на Allbest.ru