МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
Сумской Государственный Университет
Кафедра Автоматики и Промышленной Электроники
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по курсу: «Электронные системы»
по теме: «Проектирование канала сбора аналоговых данных
микропроцессорной системы»
ФЗ 51.6.090803.573ПЗ
Руководитель проекта Макаров М. А.
Проектировал студент Река Д. П.
группы ПЭЗ-51
Оценка работы
Члены комиссии:
Сумы 1999
Оглавление
TOC \o “1-3” ВВЕДЕНИЕ PAGEREF _Toc471559800 \h 3
Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы PAGEREF _Toc471559801 \h 4
Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта PAGEREF
_Toc471559802 \h 4
Определение технических требований к функциональным блокам аналогового
тракта PAGEREF _Toc471559803 \h 5
Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта PAGEREF
_Toc471559804 \h 7
Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта
PAGEREF _Toc471559805 \h 8
Выбор и расчет принципиальных схем PAGEREF _Toc471559806 \h 9
Заключение PAGEREF _Toc471559807 \h 11
Список использованных источников PAGEREF _Toc471559808 \h 12
ВВЕДЕНИЕ
Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство,
обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При
этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование
сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка
сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение
аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой
преобразователь (АЦП) путем запоминания его мгновенных значений и
хранения в течение определенного промежутка времени.
В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных
узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют
работой АЦП.
АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие
составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его
нормальное функционирование.
Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы
Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта
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:
,
– шкала АЦП.
датчика намного меньше шкалы АЦП, поэтому аналоговый тракт должен
обладать коэффициентом усиления не менее чем:
,
– коэффициент запаса по усилению.
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):
– верхняя частота спектра сигнала датчика.
В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому тип
фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ
используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.
Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с
LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе
пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически
полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.
.
Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал
поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен
быть включен мультиплексор.
В итоге анализа всего вышесказанного структурная схема может быть
представлена так, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема аналогового тракта
СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 –
устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой
преобразователь.
Определение технических требований к функциональным блокам аналогового
тракта
Расчет технических требований будем производить в обратном порядке
прохождения аналогового сигнала.
после отключения ключа. В качестве ключа используют как биполярные,
так и полевые транзисторы. Однако ключи на полевых транзисторах обладают
лучшими характеристиками, поэтому их применение предпочтительней.
Основными техническими характеристиками УВХ являются:
напряжений.
сопротивления по аналоговому сигналу.
.
Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
Напряжение источников питания УВХ.
и найдем максимальное значение напряжения входного аналогового
сигнала:
и ниже, можно установить требования к допустимой погрешности:
Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных
усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников
питания:
;
.
Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое
входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление
(менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:
;
.
Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в
задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения
и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к.
управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем
;
.
При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.
Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот
являются:
.
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
по напряжению в полосе пропускания.
сопротивления.
Напряжение источников питания.
При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе
пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.
Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.
. Исходя из этого, можно определить требования к максимальной величине
входного напряжения:
, а выходное определим по формуле:
Напряжение источников питания выберем таким же, как и для устройства
выборки и хранения.
Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом усиления
разностного сигнала не менее чем
, т.е.
Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем
выберем из соотношения:
Выходное сопротивление согласующего усилителя
Напряжения источников питания выберем таким же, как и для остальных
блоков аналогового тракта.
Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта
Рисунок 2. Структурная схема управляющего тракта.
Для генерации импульсов выборки используем генератор сигналов
прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают на управляющий
вход УВХ.
.
Рисунок 3. Временные диаграммы.
, по заднему фронту импульса от Г2,.
Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта
Для реализации узлов управляющего тракта наиболее удобно использовать
микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы на основе этой технологии имеют
достаточное быстродействие, низкое энергопотребление и наиболее удобный
(в данной ситуации) набор логических функций.
Согласно заданию на проект амплитуда импульсов пуска АЦП составляет 8(12
В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ не
превышает 5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению
импульса пуска АЦП.
Для реализации генераторов импульсов выборки и пуска АЦП используем
генераторы импульсов прямоугольной формы на основе мультивибраторов. Для
реализации генератора задержки используем схему задержки на
мультивибраторах.
Для питания узлов управляющего тракта потребуется напряжение:
Выбор и расчет принципиальных схем
Согласующий усилитель
Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему
представленную на рисунке 4.
Рисунок 4. Принципиальная схема согласующего усилителя
Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями
выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:
Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель К153УД2:
Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент
усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а
коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице.
В этом случае резисторы R5(R8 получаются одного номинала, что облегчает
их подбор.
Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.
Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:
.
. Тогда номиналы резисторов R3 и R4 определим по формуле:
, рассчитаем максимальное суммарное сопротивление резисторов R1 и R2:
, определим минимальное значение суммарного сопротивления резисторов R1
и R2.
.
Номинал резистора R2 определим по формуле:
.
Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по
формуле:
Оценим напряжение ошибки на выходе каскада, обусловленной дрейфом
напряжений смещений нуля и разностных входных токов.
Фильтр низких частот
Рисунок 5. Фильтр низких частот
Устройство выборки-хранения
Рисунок 6. Устройство выборки и хранения
Заключение
Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны
цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется
микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных
конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают
создавать микросхемы с более высокой степенью интеграции,
предназначенные для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП,
коммутаторов, схем выборки и хранения, операционных усилителей и других
аналоговых элементов разрабатывают операционные узлы в виде БИС,
способные обрабатывать аналоговую информацию без преобразования ее в
цифровую форму.
Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего
нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные
роботы.
В области преобразования данных основной движущей силой является
стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное
значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону
технологии КМДП, разработка преобразователей специального назначения и
использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции
погрешностей.
Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода
информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств,
которые необходимы в микро-ЭВМ.
Список использованных источников
Методические указания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи» по
теме «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной
системы» /Сост. А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.
Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных
интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.
Микропроцессоры: В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и
информационно-управляющие системы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В.
Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш. Шк.,
1986.
Цифровые и аналоговые интегральные схемы: Справ. Пособие / С.В.
Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.; Под ред. С.В.
Якубовского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985.
Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) – М. Патриот, 1993.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter