Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование аналогово-цифровых преобразователей с USB-выходом

Реферат

Пояснительная записка содержит 28 страниц, 21 рисунок, 9 таблиц, 2 приложения, 7 использованных источников.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующий усилитель (СУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), конвертор, гальваническая развязка, конвертор, преобразователь DC-DC, операционный усилитель (ОУ).

Объектом исследования является аналого-цифровой преобразователь.

Цель работы - разработка функциональной и принципиальной схемы аналого-цифрового преобразователя.

В результате работы были рассчитаны входные усилители и фильтры нижних частот. Построены частотные характеристики для математической модели (расчётные характеристики) и для макета схемы (экспериментальные характеристики). Выбраны микросхема аналого-цифрового преобразователя, тип конвертора USB, преобразователи DC-DC, микросхема гальванической изоляции, было выполнено моделирование схемы, была получена схема электрическая принципиальная со спецификацией элементов.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2010. Расчёт параметров схемы и частотных характеристик производился с помощью программы MatLab 2018. Моделирование схем сделано с помощью пакета MultiSim 14.1.

Задание

Разработать функциональную и принципиальную схемы АЦП, рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот, выбрать микросхему АЦП и тип конвертера USB, выбрать преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнить моделирование схемы с помощью одного из программных пакетов схемотехнического моделирования (Multisim).

Номер варианта соответствует последним двум цифрам номера в зачетной книжке. Задание на курсовую работу приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Данные задания по курсовой работе для варианта 34

Вариант	Тип АЦП	Разрядность АЦП	Кол-во входов	мВ	мВ	D, дБ	кГц	Тип ФНЧ	Дf, кГц	б1, дБ	б2, дБ
2	Посл	8	1	70	50	20	20	Бат.	10	3	20

Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему. АЦП состоит из трех частей: аналоговой, собственно, АЦП в интегральном исполнении и цифровой.

В аналоговой части осуществляются усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведения аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП. Микросхема АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в последовательный или параллельный цифровой код.

Цифровая часть устройства выполняет преобразование цифрового кода с выхода АЦП в код, передаваемый на вход микропроцессорной системы по интерфейсу USB. Напряжение питания +5 В подается на АЦП от интерфейса USB, постоянное напряжение других значений в схеме вырабатывается с помощью преобразователей DC-DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.

1. Выбор функциональной схемы устройства

Микросхема АЦП может иметь несимметричный аналоговый вход, а датчик, сигнал с которого подается на АЦП - симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный согласующий усилитель, установленный на входе устройства (СУ). Его назначение - согласование симметричного сигнала и несимметричного входа, согласование сопротивлений источника сигнала и входного сопротивления АЦП, усиление полезного сигнала и подавление синфазной помехи.

Входной сигнал имеет паразитные высокочастотные составляющие, которые могут влиять на АЦП. Для их устранения на входе микросхемы АЦП устанавливаются фильтры нижних частот.

Микросхема АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Для гальванической развязки цифровых сигналов АЦП и интерфейса USB применяются блоки гальванической развязки, выполненные на оптронах или импульсных трансформаторах.

Преобразование цифрового кода с выхода микросхемы АЦП осуществляется с помощью конвертера, имеющего последовательный или параллельный вход, в зависимости от типа АЦП.

После разработки обобщенной функциональной схемы устройства необходимо выбрать тип микросхемы АЦП, конвертер, тип и количество преобразователей DC-DC, тип и количество микросхем гальванической развязки и построить детальную функциональную схему АЦП.

1.1 Выбор микросхемы АЦП

Определяем частоту дискретизации по условию .

(1.1)

(1.2)

Выбираем микросхему АЦП по четырем критериям: частота дискретизации, количество входов, тип входного интерфейса, разрядность. В соответствии с параметрами для выданного варианта выбрана микросхема фирмы Analog Devices AD7478, параметры представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры микросхемы AD7478

Частота преобразования	Число входов	Интерфейс	Напряжение питания (положительное)	Потребляемая мощность (мВт)	Корпус	Мин. число выводов
1МГц	1	Посл.	2,35 - 5,25	16	SOT-23	6

Выбираем конвертер, преобразующий выходной код АЦП в стандартный сигнал интерфейса USB. Для последовательного интерфейса был использован конвертер CP2102.

Выбираем микросхемы гальванической развязки. Рекомендуется взять микросхемы серии ADuM1402, имеющие 4 канала передачи цифрового сигнала.

2. Расчет аналоговой части

2.1 Определение коэффициента передачи аналогового тракта и коэффициента ослабления синфазного сигнала

АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик - симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ).

Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда:

, (2.1)

где максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, шкала АЦП, которая определяется по паспортным данным микросхемы АЦП. Для микросхемы AD7478 при питании 2,35-5,25В примерно равна 5В. Суммарный коэффициент усиления находим по формуле:

, (2.2)

Аналоговый тракт имеет коэффициент усиления равный K_Z=15,6.

Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот:

К_Z=К_СУК_ФНЧ, (2.3)

К_СУ =10 и К_ФНЧ =.

Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха . Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

, (2.4)

Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС). При амплитуде входного сигнала е_сmax=70мВ, динамическом диапазоне D=20дБ и синфазной помехе U_синф=50мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно:

, (2.5)

.

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания

, (2.6)

. (2.7)

В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения.

2.2 Расчет согласующего усилителя

Для реализации согласующего усилителя используем схему, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема согласующего усилителя

Расчет элементов схемы каскада DA3.

Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:

< (2·10³ - 10⁶) Ом. (2.8)

Рекомендуемое значение = 2 кОм, отсюда примем:

 = 10 кОм.

Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления резисторов R1 и R2: = 5 кОм. Тогда номиналы резисторов R3 и R4 определим по формуле:

=22,5 кОм. (2.9)

Зная суммарное сопротивление резисторов R1 и R2 ( = 5 кОм), выберем значение R1 и R2 таким образом, чтобы имелась возможность изменять коэффициент усиления в пределах 20 %. Выберем из стандартного ряда Е24: Rz= 5 кОм. В этом случае при нахождении подстроечного резистора R2 в среднем положении суммарное сопротивление равно 5 кОм и есть возможность его регулировки в пределах более 20%.

2.3 Определение порядка фильтра

ФНЧ представляет собой устройство, которое пропускает сигналы низких частот и задерживает сигналы высоких частот. Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр Баттерворта, порядок фильтра рассчитывается исходя из требований к АЧХ.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

- верхняя граничная частота = 20 кГц;

- коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания

К_ФНЧ =3,57;

- минимальное затухание в полосе пропускания б₁= 1 дБ;

- максимальное затухание в полосе задерживания б₂= 20 дБ;_.

- ширина переходного участка АЧХ Дf= 10 кГц;

- порядок фильтра рассчитаем по формуле:

, (2.10)

Находя ближайшее целое число, получим n = 6.

Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания , определим коэффициенты передачи для каждого из звеньев:

(2.11)

2.4 Расчет параметров элементов звеньев фильтров

В качестве принципиальной схемы ФНЧ выбираем схему на МОС. Принципиальная схема ФНЧ второго порядка на МОС представлена на рисунке 2, чтобы получить схему шестого порядка, необходимо последовательно соединить три таких схемы.

Рисунок 2 - Принципиальная схема ФНЧ второго порядка на МОС

Исходные значения для расчета фильтра Баттерворта представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Исходные данные для расчета ФНЧ

Тип ФНЧ	Порядок фильтра	B	C
Баттерворта	6	1,913	1
		1,414	1
		0,517

Номинальное значение емкости C₂ задается близкое к величине:

(2.12)

Значение емкости C₁ выбираем из условия:

(2.13)

Номиналы резисторов рассчитываются по формулам:

(2.14)

Приведем пример расчета первого звена. Значения приводятся к ряду е24.

k = 2;

В = 1,913;

С = 1;

= ;

= ;

43 кОм;

Результаты расчета для ФНЧ приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты расчетов параметров фильтра

N звена
1	0,15	0,51	20	43	20
2	0,10		33	47	27
3	0,015		91	110	72

3. Исследование передаточных функций звеньев

Передаточная функция второго звена - типовая полиномиальная передаточная функция ФНЧ второго порядка, которая описывается соотношением (3.1):

(3.1)

где S = jщ,

Разделим передаточную функцию на действительную и мнимую часть. Сделаем подстановку: .

(3.2)

Передаточная функция всего фильтра определяется как произведение передаточных функций его звеньев:

. (3.3)

4. Исследование амплитудной и частотной характеристик звеньев фильтра (АЧХ и ФЧХ)

По известной передаточной функции звена H(S) находим его АЧХ A(щ) как модуль передаточной функции и ФЧХ ц(щ) как аргумент передаточной функции:

(4.1)

Находим АЧХ звена второго порядка:

(4.2)

(4.3)

Находим ФЧХ звена второго порядка:

(4.4)

Исходя из выведенных формул (4.1)-(4.4), мы можем построить расчётные АЧХ и ФЧХ для первого, второго и третьего звеньев, а также для всего фильтра. АЧХ и ФЧХ фильтра находятся по формулам:

(4.5)

(4.6)

На рисунке 3 изображены АЧХ ФНЧ и трех его звеньев.

Рисунок 3 - АЧХ фильтра Баттерворта и его звеньев

Ширина частотной области

Идеальная ширина переходной области шире реальной за счет округлений в процессе вычислений.

Определим по графику и Для этого переведём затухания б₁ и б₂ из логарифмической шкалы ([б] = дБ) в линейную ([б] = 1). АЧХ выражается в децибелах с помощью формулы:

	(4.7)

Из формулы (2.7) следует, что затуханию сигнала в б дБ соответствует его уменьшение в раз.



Ширина переходной области реального ФНЧ

На рисунке 4 изображены ФЧХ ФНЧ и трех его звеньев.

Рисунок 4 - ФЧХ фильтра Баттерворта и его звеньев

5. Исследование логарифмических амплитудной и частотной характеристик звеньев фильтра (ЛАЧХ и ЛФЧХ)

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) определяется по формуле (5.1):

(5.1)

ЛАЧХ всего фильтра определяется как сумма ЛАЧХ звеньев:

(5.2)

ЛФЧХ всего фильтра определяется как сумма ЛФЧХ звеньев:

(5.3)

На рисунке 5 изображены ЛАЧХ ФНЧ и трех его звеньев.

Рисунок 5 - ЛАЧХ фильтра Баттерворта и его звеньев

По графику ЛАЧХ удобнее определять частоту среза и полосу пропускания. Так как и даны нам в дБ, то нужно вычесть их из значения , дБ на частоте .

Ширина переходной области реального ФНЧ

На рисунке 6 изображены ЛФЧХ ФНЧ и трех его звеньев.

Рисунок 6 - ЛАЧХ фильтра Баттерворта и его звеньев

6. Экспериментальная часть

6.1 Моделирование ФНЧ

Моделирование ФНЧ реализовано с помощью пакета Multisim 14 с использованием практических номиналов элементов из ряда E24. Схема представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Моделирование схемы ФНЧ

Для исследования экспериментальных АЧХ и ЛАЧХ ФНЧ использовалась передаточная функция фильтра 6.1.

Экспериментальная АЧХ ФНЧ представлена на рисунке 8.

	k	f, kHz
f0	3,68	0
fc	2,21	16,3
f1	0,31	24



Рисунок 8 - Экспериментальная АЧХ ФНЧ

По б1 и б2 находим значения, которые должен принимать параметр k на частоте среза и на границе переходной области. По полученным значениям по графику определяем fс и f1.

Ширина переходной области ФНЧ:

Экспериментальная ЛАЧХ ФНЧ представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Экспериментальная ЛАЧХ ФНЧ

	k, dB	f, kHz
f0	11,3	0
fc	6,9	16.2
f1	-10	24,1

По б1 (дБ) и б2 (дБ) находим значения, которые должен принимать параметр k, дБ на частоте среза и на границе переходной области. По полученным значениям по графику определяем fс и f1.

Ширина переходной области ФНЧ:

6.2 Моделирование СУ

Моделирование СУ реализовано с помощью пакета Multisim 14 с использованием практических номиналов элементов из ряда E24. Схема представлена на рисунке 10. Входной и выходной сигналы представлены на рисунке 11.

Рисунок 10 - Моделирование схемы СУ

Рисунок 11 - Входной и выходной сигналы

7. Анализ результатов проектирования

Для анализа результатов проектирования сравним значения теоретических, расчетных и экспериментальных параметров фильтра (таблица 5).

Таблица 5 - Сравнение параметров ФНЧ на разных этапах проектирования

Параметр	Теоретические значения	Расчетные значения	Эксперимент. значения
К, раз	3,125	3,125	3,68
fc, Гц	16000	16000	16200
f1, Гц	24000	23500	24100
TW, Гц	8000	7500	7900

Как видно из таблицы 5, расчётные значения практически равны теоретическим. Такая точность объясняется тем, что все расчёты выполнялись автоматически и без округлений в единой среде MatLab 2018.

Отклонение параметров можно объяснить погрешностью приведения номиналов элементов схемы к ряду E24, дискретностью положения визира анализатора графиков и погрешностью вычислений, проводившихся вручную.

В целом можно отметить, что моделирование фильтра проведено успешно, так как выполнены исходные требования к трём основным параметрам фильтра: k, f_c и . К положительным факторам можно отнести и то, что ширина переходной области получилась немного меньше, а коэффициент усиления немного больше требуемого, а не наоборот.

В таблице 6 приведены отклонения расчётных и экспериментальных значений от теоретических (ДРТ и ДЭТ соответственно).

Таблица 6 - Отклонения расчётных и экспериментальных значений от теоретических

Параметр	ДРТ, %	ДЭТ, %
К	0	17,75
fc	0	1,25
f1	2,13	0,42
TW	6,67	1,25

8. Разработка аналоговой части АЦП

8.1 Выбор микросхемы АЦП

Микросхема АЦП выбирается по следующим критериям: максимальная частота дискретизации, количество аналоговых каналов, разрядность АЦП, выходной код АЦП - последовательный.

Возьмем одноканальную микросхему АЦП AD7478 фирмы Analog Devices, которая подходит для заданного варианта. AD7478 является 8-разрядным, высокоскоростным, маломощным последовательным АЦП. Детали работают от одного источника питания от 2,5 В до 5,25 В и имеют пропускную способность до 1 MSPS. Функциональная схема и расположение выводов представлены на рисунках 12 и 13 соответственно.

Рисунок 12 - Функциональная схема AD7478

Рисунок 13 - Выводы AD7478

8.2 Источник опорного напряжения

АЦП в качестве опорного напряжения использует напряжение питания.

8.3 Микросхемы гальванической развязки

Analog Devices разработали и запатентовали технологию производства устройств под названием iCoupler (ADuM 140x). Главным их достоинством по сравнению с оптическими изоляторами является более высокая скорость передачи данных. Кроме того, у них при одинаковых скоростях заметно меньше потребляемая мощность. Наиболее многочисленная группа устройств, в которых используется технология iCoupler - это цифровые изоляторы (digitalisolators). Они предназначены для построения гальванически развязанных линий передачи цифровых сигналов. Как на входах, так и на выходах этих устройств не требуется дополнительных балластных или нагрузочных резисторов, или каких-либо других деталей. Как входная, так и выходная части устройства могут работать при напряжении питания от 3 до 5,5 В. При этом значения питающих напряжений по обе стороны изолирующего канала не зависят друг от друга и могут быть как одинаковыми, так и разными.

Для последовательного АЦП будем использовать микросхему ADuM 1402. Микросхема гальванической изоляции и расположение выводов представлены на рисунках 14 и 15 соответственно. Обозначения выводов представлены в таблице 7.

Рисунок 14 - Микросхема гальванической изоляции ADuM 1402



Рисунок 15 - Выводы ADuM 1402

Таблица 7 - Обозначение выводов ADuM 1402

VDD1	Напряжение питания 1
GND1	Земля 1
VIA, VIB, VIC, VID	Логические входы А-D
VOA, VOB, VOC, VOD	Логические выходы A-D
VE1	Питание 1
VE2	Питание 2
GND2	Земля 2
VDD2	Напряжение питания 2

8.4 Преобразователи постоянного напряжения DC-DC

Преобразователи постоянного напряжения DC-DC предназначены для передачи постоянного напряжения и гальванической изоляции. Преобразователи выпускаются с различными номиналами входных и выходных напряжений. Преобразователи серии ТМА имеют в номенклатуре как блоки с выходным напряжением +5В, так и с двумя напряжениями ±15В. Маркировка этих преобразователей следующая: первые две цифры - входное напряжение, третья и четвертая цифры - выходное напряжение, последняя буква - количество выходных напряжений: S - одно, D - два. Для питания цифровых цепей и микросхемы АЦП можно использовать ТМА0505S, для питания операционных усилителей - ТМА0515D.

Параметры преобразователей TMA представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Параметры преобразователей ТМА

Модель	TMA0505S	TMA0515D
Входное напряжение	+5B +/-10%	+5B +/-10%
Выходное напряжение	+5В	+/- 15В
Выходной ток	200мА	+/- 35мА

Выводы преобразователей представлены в таблице 9.

Таблица 9 - Назначение выводов преобразователей ТМА

Пин	TMA0505S	TMA0515D
1	+VIN (VCC)	+VIN (VCC)
2	+VIN (GND)	+VIN (GND)
4	-VOUT	-VOUT
5	-	Common
6	+VOUT	+VOUT

Графическое обозначение представлено на рисунках 16 и 17.

Рисунок 16 - Условное графическое обозначение ТМА0505S

Рисунок 17 - Условное графическое обозначение ТМА0515D

8.5 Конвертеры USB - последовательный интерфейс

В качестве конвертера используется микросхема CP2102. Высокопроизводительный недорогой CP2102 USB для моста UART предлагает полное решение для подключения plug and play, которое включает в себя бесплатные комплекты драйверов и комплексную экосистему проектирования, которая позволяет клиентам ускорять время выхода на рынок. Бесшумная работа, встроенная память программирования и небольшие размеры корпуса уменьшают затраты, упрощают дизайн и сокращают время разработки.

Характеристики:

- чип CP2102 от Silicon Labs;

-скорость обмена данными по UART 300Бит/сек -- 1Мбит/сек;

-буфер чтения 576 байт, записи 640 байт;

-поддержка USB 2.0 12Мбит/сек;

-поддержка режима SUSPENDED USB;

-встроенный стабилизатор питания 3.3В 100мА;

-EEPROM с конфигурационными параметрами 1024 байт;

-поддерживаемые ОС Windows 8/7/Vista/Server 2003/XP/2000, Windows CE, Mac OS-X/OS-9, Linux, Android;

-возможность настройки параметров платы и драйверов под свои проекты.

Функциональная схема и расположение выводов представлены на рисунках 18 и 19 соответственно.



Рисунок 18 - Функциональная схема CP2102

Рисунок 19 - Расположение выводов CP2102

8.6 Микроконтроллер

В качестве микроконтроллера использована микросхема ATmega328. Высокопроизводительные, 8-битные микроконтроллеры на базе Atmel picoPower AVR RISC объединяют 32КБ ISP flash памяти с возможностями считывания во время записи, 1024Б EEPROM, 2КБ SRAM, 23 универсальными I/O, 32 универсальными регистрами, тремя гибкими счетчиками/таймерами с режимом сравнивания, внутренними и внешними прерываниями, программируемым USART, 2-проводным последовательным интерфейсом, SPI портом, 6-канальным 10-битным АЦП (8-канальным в корпусах TQFP и QFN/MLF), программируемым сторожевым таймером с внутренним генератором и пятью режимами энергосбережения. Устройство работает в диапазоне напряжения от 1.8 до 5.5В.

Функциональная схема и расположение выводов представлены на рисунках 20 и 21 соответственно.

Рисунок 20 - Функциональная схема ATmega328

Рисунок 21 - Расположение выводов ATmega328

9. Проектирование схемы

Проектирование схемы АЦП произведено в среде EasyEDA для дальнейшей реализации на печатной плате. Данная схема представлена в приложении А. Перечень элементов их обозначение и количество представлено в приложении Б.

Заключение

В ходе курсовой работы была разработана функциональная и принципиальная схема 8 разрядного аналого-цифрового параллельного преобразователя. Рассчитаны параметры согласующих усилителей и фильтров нижних частот. Выбрана микросхема АЦП, выбран тип конвертора USB, выбраны преобразователи DC-DC и микросхема гальванической изоляции, выполнено моделирование схемы с помощью пакета Multisim 14.

В результате выбора и расчета всех элементов была спроектирована принципиальная схема АЦП. На ее вход был подан аналоговый сигнал, на выходе этой схемы был получен цифровой сигнал. Это означает, что данная схема выполняет свою задачу и преобразует один тип сигнала в другой.

Небольшие отличия результатов моделирования от исходных и рассчитанных данных объясняются погрешностью в вычислениях.

Библиографический список

преобразователь аналоговый цифровой схема

1 Чижма, С.Н. Проектирование активных фильтров на операционных усилителях: Методические указания к курсовому проекту / С. Н. Чижма. Омский институт инженеров железнодорожного транспорта, 1992. 46 с.

2 Чижма С.Н. Проектирование аналогово-цифровых преобразователей с USB выходом / С. Н. Чижма. Омский государственный университет путей сообщения, 2008. 35 с.

3 СТП ОмГУПС-1.2-2005

4 Техническая документация АЦП AD7478 [Электронный ресурс]: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7476_7477_7478.pdf.

5 Техническая документация преобразователя USB FT232 [Электронный ресурс]: http://www.ftdichip.com /DataSheets/DS_FT232R.pdf.

6 Техническая документация гальванической изоляции ADuM 1402 [Электронный ресурс]: http://www.analog.com/data-sheets/ADuM1402.pdf.

7 Техническая документация преобразователя постоянного напряжения [Электронный ресурс]: http://www.tracopower.com/tma.pdf.

Размещено на Allbest.ru