|
Разработка АЦП
В данном курсовом проекте разработан
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поразрядного кодирования, преобразующий
входное напряжение (0-5 в) в 12 – разрядный цифровой код. В первом разделе производится анализ метода
преобразования и разрабатывается структура устройства; Второй раздел
включает разработку устройства (функциональная и принципиальная схемы). Объем
пояснительной записки составляет листов, в том числе 3 из них приложения.
Метод поразрядного кодирования, при котором входная величина
(Uвх) последовательно сравнивается с суммой эталонов, имеющих значение квантов,
где i = n-1,n-2,….2,1,0 (n=12 – число разрядов выходного кода). Таким образом
два соседних эталона отличаются в два раза по значению. Уравновешивание входной
величины начинается с эталона имеющего максимальное значение. В зависимости от
результата сравнения получается цифра в старшем разряде выходного кода,
снимаемого с АЦП. Если эталон больше входной величины, то в старшем разряде кода
ставится 0 и дальше происходит уравновешивание входной величины следующим
эталоном в два раза меньшего значения. Если же первый эталон меньше (или равен)
входной величине, то в старшем разряде выходного кода ставится 1 и дальше
производится уравновешивание разности входной величины и первого эталона.
Аналогичные действия производятся для всех используемых эталонов. Следовательно,
после окончания преобразования входная величина будет уравновешена суммой тех
эталонов, у которых в соответствующих им разрядах кода стоят 1. Сравнение
входной величины и суммы эталонов производится с помощью одного сравнивающего
устройства [8]. Из описанного выше алгоритма классического метода
поразрядного кодирования видно, что при реализации этого метода преобразования
необходим набор из 12 эталонных величин от минимальной Uэ1 = q равной кванту до
максимальной Un = 2 , минимальную можно рассчитать по формуле: где
Uэ1 – величина напряжения младшего значащего разряда; Uвмах максимальное входное
напряжение АЦП; n – число разрядов в выходном коде. Таким
образом величина младшего значащего разряда приблизительно равна 1mv, что с
заданной точностью соответствует рассчитанному значению. Т.е.
величина старшего разряда будет равна 0,001220*2048=2.4985 в.
Преобразователи напряжения в код выполненные в виде замкнутых систем со
сравнением аналоговых величин имеют цепь обратной связи, в которую включен
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразующий параллельный код в
постоянное напряжение, которое сравнивается с входным напряжением
АЦП. Проанализировав алгоритм преобразования можно
выбрать следующую структуру устройства рис.1.2. устройство управления (УУ), предназначенное для
формирования выходного кода АЦП; Схему сравнения (СС), необходимую для сравнения входного
напряжения АЦП и напряжения с выхода ЦАП. Режим
хранения результата преобразования. В первом режиме работы на схему приходит
сигнал запуска и начинается процесс сравнения входного напряжения АЦП и суммы
эталонных напряжений формируемых при помощи УУ на выходе ЦАП. Во втором
режиме внутри УУ формируется сигнал"конец преобразования", после чего АЦП хранит
результат преобразования в виде цифрового кода на выходе АЦП. Функциональная схема АЦП (Приложение 2) реализующая метод
поразрядного кодирования и построенная по структуре рис.1.2, состоит из
генератора тактовых импульсов (ГТИ), регистра последовательного преобразования
(РПП), компаратора, ЦАП и ОУ. УУ АЦП реализовано на (РПП), который обеспечивает выдачу эталонных
кодов и сохранение результатов сравнения их со входной величиной. 12 разрядный
ЦАП, предназначенный для формирования эталонных напряжений с ОУ на выходе т.к.
ЦАПы такого типа имеют токовый выход. Компаратор – сравнивающее устройство,
которое обеспечивает сравнение входного напряжения АЦП и напряжения с выхода
ЦАП. В случае если входное напряжение больше напряжения с выхода ЦАП на выходе
компаратора появится 1. В первом
этапе на РПП приходит сигнал запуска со схемы инициализации (СИ) и тактовая
частота с ГТИ, после чего в старшем разряде выходного кода РПП устанавливается
1, код с РПП подается на ЦАП, который преобразует его в напряжение равное 2,5 в,
это напряжение поступает на сравнивающее устройство (СУ) и сравнивается с
входным напряжением ЦАП. В случае если входное напряжение больше напряжения с
выхода ЦАП на выходе компаратора появится 1, которая поступает на информационный
вход D РПП, в следствии чего произойдет сохранение 1в старшем разряде кода. В
обратном случае в старший разряд РПП запишется 0. Дальше происходит
уравновешивание входной величины следующим эталоном в два раза меньшего
значения. Аналогичные действия производятся для всех используемых
эталонов. На втором этапе на выходе Qcc (conversion complete) получаем
информацию о завершении преобразования, когда на этом выходе появляется низкий
логический уровень. С этого момента на выходе РПП будет хранится результат
преобразования в виде цифрового кода. Все цифровые элементы принципиальной схемы (Приложение 3)
выполнены на ТТЛ логике 155 серии микросхем, так как она имеет наибольшее
быстродействие и сравнительно малое энергопотребление. Перечень элементов
представлен в спецификации (Приложение 1). Работа
устройства начинается с подачи сигнала запуска на вход S регистра РПП (DD 2),
когда на него поступает низкий уровень регистр в первый момент тактового
импульса сбрасывается. Для инициализации схемы применена RC цепь с двумя
триггерами Шмидта на выходе, параметры цепи рассчитываются по следующей
формуле[9]: где t - один такт работы АЦП и равен сумме времен установки
всех элементов схемы, т.е. tзRG+tзЦАП+tзкомп=28нс+3,5мкс+200нс=3,728мкс; Для работы схемы
необходим тактовый генератор, он реализован на логических элементах DD1.1,
DD1.2, DD1.3, резисторах R2, R3, R4, емкости C2 и кварцевом резонаторе
BQ. После инициализации и подачи сигналов с тактового генератора регистр РПП
реализованный на микросхеме К155ИР17 (DD 2) начинает выдавать параллельный код
на входы ЦАП (DD 3), выбор которого осуществлялся из следующих
условий: Из выше перечисленных требований выбран 12
разрядный ЦАП К1108ПА1Б[3,6]. Для обеспечения выдачи эталонного напряжения к
выходу ЦАП подключен ОУ К140УД7 [3] (DA 1)т.к. ЦАП имеет токовый выход. Для
того чтобы выходное напряжение изменялось в заданном диапазоне 0 – 5 в на ЦАП
подано опорное напряжение. где -
максимальное напряжение с выхода ЦАП; Максимальное напряжение с выхода ЦАП не
должно превышать 5 В, а разрядность выходного кода равна 12. Также
для обеспечения работы в заданном режиме к ОУ подключены резисторы R5,R6 и
конденсатор С3. Электрические параметры ЦАП [6] приведены в таблице
2.1. Напряжение смещение нуля на выходе (0.3…0.6) мВ Также в схеме необходимо сравнивающее
устройство, для выполнения этой функции выбран прецезионный компаратор К554СА3
[3] т.к. необходимо обеспечить сравнения величины младшего значащего разряда
(1мв). После окончания преобразования на выходе "не С0" регистра РПП (DD 2)
появляется низкий логический уровень, что говорит о том что на выходе АЦП
сохраняется код поданного на АЦП напряжения определенного с заданной
точностью. К параметрам АЦП относится энергопотребление и частотные
характеристики. Частотные характеристики будут определяться элементом время
задержки, которого максимально DA2 (К1108ПА1Б). Максимальная частота при которой
устройство работоспособно: f = 1/3,5 мкс=285 714 Гц 285 кГц. При
выполнении курсового проекта было разработано АЦП поразрядного кодирования.
Устройство может работать в синхронном режиме с максимальной тактовой частотой
285 КГц, от источников питания +15-15в,+5в. Устройство имеет относительно
небольшое энергопотребление и осуществляет процесс преобразования за 4,471
мкс.
| |
