Построение аналогово-цифрового устройства

Оглавление

 

Техническое задание 3

Введение 4

1. Расчет общих параметров АЦП 6

1.1. Расчет частоты дискретизации 6

1.2. Определение разрядности и шага квантования 9

2. Расчет входного повторителя 10

3. Входной мультиплексор 11

4. Расчет ФНЧ 12

5. Активный двухполупериодный выпрямитель 14

6. Цифро-аналоговый преобразователь 15

7. Устройство выборки-хранения  18

8. Выбор схемы управления 19

9. Расчет погрешностей 21

Заключение 25

Список использованной литературы 26

Приложение 27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Разработать аналого-цифровой преобразователь с входным мультиплексором, устройством выборки хранения, автоматическим выбором пределов измерения, автоматической начальной предустановкой в исходное состояние, автоматическим циклическим выбором номера датчика, различными видами запуска (ручной, от внешнего генератора, от внутреннего генератора) со следующими основными характеристиками:

Класс точности (c/d)		0,5/0,1
Входное сопротивление, не менее МОм		6,5
Число каналов измерения		7
Время измерения по одному каналу, не более, с		10-4
Диапазон рабочих температур, °С		-10÷ +65
Параметры входного спектра	fc1, кГц	25
	fc2, кГц	100
	fc3, кГц	400
Интерфейс связи		UART
Напряжение пробоя изоляции, кВ		0,25

 

Непрерывный спектр входного сигнала имеет следующий вид:

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.    

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. Одним из наиболее распространенных является метод поразрядного уравновешивания, называемый также методом последовательных приближений.  Преобразователь, построенный на основе этого метода, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.    

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 ее возможного максимального значения. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии.

Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

АЦП по способу преобразования входного сигнала подразделяются на параллельные, последовательно-параллельные, последовательные, интегрирующие, сигма-дельта и т.д. Также аналого-цифровые преобразователи различаются по быстродействию, точности, разрядности. Используются разные типы интерфейсов (PPI, SPI, USB и т.д.) с гальванической и без гальванической развязки для передачи в другое цифровое устройство.

Одним из наиболее распространенных является АЦП последовательных приближений. Разработка такого АЦП является целью данной курсовой работы.

 

 

 

1. Расчет параметров АЦП.

1. Расчет частоты дискретизации.

 

Непрерывный спектр сигнала имеет вид, показанный на рис.2, где

fc1 = 25 кГц, fc2 = 0,1 МГц, fc3 = 400 кГц:

 

 

Рис.2 Спектр входного сигнала

 

 

Расчёт верхней частоты эффективного спектра сигнала проводится с учётом того, что для исключения потери информации о сигнале необходимо, чтобы проектируемое устройство обеспечивало передачу не менее 95% спектральной мощности входного сигнала. Оценить эту мощность можно по площади, ограниченной графиком и осями координат.

Площадь, ограниченная спектром сигнала может быть рассчитана интегрированием составляющих, площадь получится в относительных единицах.

Энергетическим значимым считается 95% мощности спектра сигнала, а остальную часть можно не учитывать.

Зная площадь энергетически значимой части спектра можно найти верхнюю частоту спектра сигнала.

Зная площадь энергетически значимой части спектра можно найти верхнюю частоту спектра сигнала.

поэтому, верхняя частота лежит в диапазоне частот от 100кГц до 400кГц.

Рассмотрим треугольник, где основание равно 400000 – 100000, а высота 0,3. Из точки, где определяется верхняя частота, проведем перпендикуляр до пересечения с гипотенузой. Высота этого отрезка пусть равно x. Тогда, можно записать

Откуда находим, что

Частота дискретизации по теореме Котельникова:

Академик В.А.Котельников в 1933г. в работе «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи» впервые опубликовал один из вариантов своей теоремы, обосновав впервые теоретически, как должен назначаться интервал дискретизации Dt:

Любая непрерывная функция x(t) с ограниченным спектром частот от нуля до fв может быть полностью определена своими дискретными значениями (отсчетами), взятыми через интервалы времени

,

т.е. при частоте отсчетов (дискретизации по времени)

Следовательно, частота дискретизации определяет требуемое быстродействие АЦП.

Исходя из теоремы Котельникова, минимально необходимая частота дискретизации входного сигнала

    (2.1.1)

Теорема отсчетов распространяется лишь на функции, удовлетворяющие условиям Дирихле. Спектр входного сигнала некомпактный, следовательно, не удовлетворяет условию теоремы Котельникова.

Если сигнал не удовлетворяет теореме отсчетов, то для определения значения шага дискретизации Dt вводится коэффициент запаса Кз.

      (2.1.2)

Выберем значение коэффициента запаса Кз = 4, тогда в соответствии с (2.1.2) получим новое значение частоты дискретизации fд’:

Так как предполагается выпрямление входного сигнала, удваиваем частоту дискретизации. Окончательно получаем

Частота дискретизации по теореме Бернштейна:

По теореме Бернштейна частота дискретизации рассчитывается по формуле

где - погрешность аппроксимации.

Максимальное входное напряжение равно 0,3В, а на вход АЦП нужно подавать напряжение 5В, поэтому

Погрешность аппроксимации представляет собой погрешность квантования, которая рассчитывается как

Исходя из того, что получаем Погрешность аппроксимации

Частота дискретизации по Бернштейну

По выполненным расчетам частота дискретизации по Бернштейну превышает в раз частоту дискретизации по Котельникову.

1.2Расчет разрядности и шага квантования.

Максимальная погрешность АЦП определяется как при и Рассчитаем разрядность

Округлив, получаем   Шаг квантования рассчитывается по формуле Подставив значения напряжения и разрядности можно рассчитать шаг квантования 

2. Расчет входного повторителя.

 

Входной повторитель необходим для обеспечения заданного входного сопротивления схемы.

Рис.6. Входной повторитель.

 

Выбираем инвертирующую схему включения входного повторителя с единичным коэффициентом усиления (рис.6). В качестве DA1 применяем ОУ К140УД26А (широкополосный прецизионный операционный усилитель со сверхнизким значением входного напряжения шума, высоким коэффициентом усиления напряжения). Его параметры приведены в приложении.

По данной схеме включения входное сопротивление задается сопротивлением R1. По техническому заданию Rвх равен 6,5 МОм, следовательно, R1 = R2 =7МОм.

Т. к. коэффициент усиления определяется

,

 выбираем резисторы R1 и R2 типа  С2-29В-0,25-7,06 МОм ± 0,05 % (из ряда Е192).

Резистор R3 необходим для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными и температурными колебаниями входных токов. Его значение выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключённые к входам ОУ, были одинаковы. Сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

                                                (3.1.2)

Отсюда резистор R3 равен 3,53 МОм. Выбираем его типа С2-29В-0,25-3,52 МОм ± 0,05 % (из ряда Е192).

3. Входной мультиплексор.

Входной мультиплексор построен на микросхеме ADG408, являющейся восьмиразрядным мультиплексором аналоговых сигналов. Его схема представлена на рис.7 (характеристики приведены в приложении). Микросхема ADG408 включена по типовой схеме включения и в расчете не нуждается. Характеристики микросхемы даны в приложении.

Рис.7. Входной мультиплексор.

 

 

4.Расчет фильтра нижних частот.

Фильтр низких частот (ФНЧ) должен обеспечивать достаточное подавление характеристики на частотах, превышающих частоту Найквиста.

Рис.8. АЧХ реального фильтра.

На рис.8 показана АЧХ реального ФНЧ, где , а - частота Найквиста. Частота Найквиста в два раза меньше частоты дискретизации

Затухание в полосе подавления можно найти исходя из заданной погрешности . Рассчитаем затухание при частоте Найквиста

затухание при частоте среза

Определим минимальный порядок фильтра.  Для фильтра Баттерворта с минимальный порядок можно определить по формуле [4]

Выбираем порядок фильтра низких частот n = 2. Выбираем фильтр Баттерворта, построенного по структуре Sallen-Key (рис.9).

Рис.9. Фильтр Баттерворта, структура Саллена-Ки.

Для фильтра Баттерворта 2-го порядка коэффициенты b и c приведены в таблице:

Порядок фильтра		2
Номер звена		1
Фильтр  Баттерворта	b   c	1,4142 1,0000

 

 

 

 

В литературе рекомендуется следующий порядок расчета ФНЧ. Начальные параметры для расчета: коэффициент усиления в полосе пропускания А = 1,b=1,4142, с=1, fc=121,7 кГц.

Выбираем значения номиналов конденсаторов и резисторов

С1=75пФ; С2=34,8пФ (из ряда Е192);

R4=8,87 кОм; R5=52,3 кОм (из ряда Е192).

 

5.Активный двухполупериодный выпрямитель.

Схема, показанная на рис.10, позволяет получать на выходе положительное напряжение, равное абсолютной величине входного сигнала; она представляет собой двухполупериодный выпрямитель. Как обычно, операционные усилители с цепью обратной связи устраняют влияние падения напряжения на диодах, характерное для пассивного выпрямителя.