Описания принципа действия отдельных блоков

      Содержание

                                                                                                                                   

Введение

1. Разработка  структурной схемы устройства  и обоснования принятых решений

1. Выбор и обоснование структурной схемы
2. Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства
3. Краткое описание работы  схемы
4. Техническое обоснование выбора компонентов схемы
2. Описания принципа действия отдельных блоков
1. Коммутатор и усилитель входных сигналов
2. Схема автоматического переключения полярности опорного напряжения
3. Источник опорного напряжения
4. Блок делителей опорного напряжения
5. Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами для "взвешенного сигнала"
6. Схема управления на микроконтроллере
3. Алгоритм управления АЦП
4. Схема электрическая принципиальная
5. Расчет временных характеристик

Список использованной литературы

Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Введение

      Кроме чисто «цифрового» сопряжения (ключи, лампы и т. п.), часто требуется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала и наоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессор регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса, или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционно аналоговой работы. Аналого-цифровое преобразование следует использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например, «цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых разнообразных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типа цифровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы, такие, как усреднители переходных процессов, «ловушки для выбросов» и осциллографы с цифровой памятью), а также в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и устройства шифрования данных.

      И, наконец, техника преобразования является существенной составляющей способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных приборов или двух координатных изображений, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существует масса возможностей для применения аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ  УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ  ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ

 

1. Выбор  и  обоснование  структурной  схемы

 

       В настоящее время, при разработке проектов радиоэлектронных устройств, приоритетными являются разработки предусматривающие интегральное исполнение.

      Исходя  из этого, предлагается схема аналого- цифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнениии (т.е. выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены.

      По  той же причине технологической  сложности изготовления источника  опорного напряжения предлагается схема  с использованием моста Уина (Вина).

      Само  ядро АЦП - схема на компараторах с  суммированием опорного напряжения, выбрана из-за отсутствия сложных схем тактирования и переключения, а изготовление полупроводниковых резисторов и аналоговых ключей с заданными параметрами технологически легко решаема. Использование микроконтроллера оправданно возможностью программно компенсировать постоянную и систематическую погрешности, что в конечном счете повышает точность преобразования.

      В данной разработке не рассматриваются:

      а) принцип действия микроконтроллера;

      б) программирование и способы обмена данными с внешними устройствами;

      г) тестирование, методы настройки и проверки,

 поскольку вышеперечисленное выходит за рамки темы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Разработка  функциональных  схем  отдельных   блоков устройства

Структурная схема АЦП (Рис 2) состоит из следующих  блоков:

      1. Аналоговый коммутатор;

      2. Входной усилитель;

      3. Схема автоматического переключения  полярности опорного напряжения;

      4. Источник опорного напряжения;

      5. Блок делителей опорного напряжения  с аналоговыми ключами для  "взвешенного сигнала";

      6. Блок компараторов;

      7. Схема управления на микроконтроллере. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           1.3 Краткое описание работы схемы. 

      Входные аналоговые сигналы подаются на входы аналогового мультиплексора AnS, управляемого микроконтроллером МС. С выхода мультиплексора, через широкополосный усилитель сигнал подаётся на вход блока компараторов CPM, также усиленный сигнал подаётся на вход схемы автоматического переключения полярности опорного напряжения AuS.

      Со  схемы источника опорного напряжения Uc опорное напряжение подаётся на блок резисторных делителей с аналоговыми ключами RLin и далее на другой вход блока компараторов. С выхода блока компараторов цифровой код, эквивалентный входному измеряемому сигналу, по команде микроконтроллера MC записывается в регистр RG, из которого считывается микроконтроллером для обработки и передачи внешним устройствам. 

1.4 Техническое обоснование  выбора компонентов  схемы.

       

      В этом разделе рассматривается выбор  компонентов для исполнения АЦП  на дискретных элементах.

Фирмы занимающиеся производством полупроводниковых компонентов предоставляют широкий выбор быстродействующих полупроводниковых элементов: аналоговые ключи, широкополосные операционные усилители, компараторы и т.д. К сожалению, отечественная промышленность не производит компоненты с необходимыми параметрами, поэтому в разработке использована продукция зарубежных производителей. Так в качестве входного мультиплексора можно предложить микросхему 74AC4051 позволяющую коммутировать сигналы с частотой до 100МГц. Для аналоговых ключей в блоке делителей можно, к примеру, использовать микросхемы IH5341 или более быстродействующие, так фирмой "Philips" производятся аналоговые ключи с временем задержки до 2 наносекунд. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Имеется также широкий выбор широкополосных операционных усилителей (см.таблицу 1). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Для схемы входного усилителя и высокоскоростных компараторов (см. таблицу 2). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2. Описание принципа  действия отдельных  блоков. 

      2.1. Коммутатор и усилитель  входных сигналов.

      Схема состоит из быстродействующего аналогового  коммутатора, разрядность которого определяет заказчик(увеличение числа  разрядов увеличивает время цикла  АЦП, что снижает общее быстродействие схемы) и широкополосного операционного усилителя(здсь приходится идти на компромисс мехду шумовыми характеристиками, смещением нуля, точностью ОУ и максимальной широтой пропускаания). За исключением того, что в данной схеме необходимо использовать компоненты разработанные ведущими производителями полупроводниковых элементов("Motorola", "Philips", "Advantech" и др.), использованны стандартные схемы включения мультиплексора и усилителя. Управление мультиплексором производится от микроконтроллера.        
 

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   2.2. Схема автоматического  переключения полярности  опорного напряжения.

       Схема состоит из "hight-speed"-компараторов и двух буферов, один из которых - инвертирующий. Схема сравнивает полярность входного сигнала относительно "измерительной земли", и при различной полярности воздействует на аналоговые ключи К1 и К2 (Рис. ), изменяя полярность опорного напряжения относительно "измерительной земли" на ту же, что имеет входной сигнал. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

         2.3. Источник опорного напряжения 

      Источник опорного напряжения использует свойство моста Уитстона - стабильность тока разбаланса моста, при неизменных значениях сопротивлений плеч моста, т.е. I_p=0 при R1*R3=R2*R4(см. Рис. 5 ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  В качестве стабилизатора тока питания моста  применина схема "токового зеркала", где для задания коллекторного  тока опорного транзистора используется схема источника тока на полевом транзисторе(см. Рис. 6 ).

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Дополнительные резисторы совместно  с аналоговыми ключами в верхних  по схеме плечах моста служат  для переключения направления  тока разбаланса моста, и следовательно  полярности опорного напряжения.

       При температурном градиенте  плеч моста, стремящемся к нулю,что  решается компактным расположением  резисторов моста или интегральным  исполнением, ток разбаланса моста   обусловливается только сопротивлением  нагрузки моста, которе в данной схеме постоянно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        2.4. Блок делителей опорного напряжения. 

       Блок делителей опорного напряжения представляет собой линейку резисторов с отношением сопротивленя следующего резистора к предыдущему как 2/1, т.е. сопротивление резистора R1(см. Рис. 7) равно сумме всех следующих резисторов - R1=R2+R3+R4+R5+R6; сопротивление резистора R2=R3+R4+R5+R6 и т.д. Соответственно напряжение в точке "a" будет равно половине опорного напряжения, в точке "b" - четверти и т.д. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          2.5. Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами

          для "взвешенного сигнала". 

         Блок компараторов с аналоговыми  ключами является ядром АЦП,  именно он производит преобразование  аналогового сигнала в цифровой  код.(Рис 8)

         Преобразогвание аналогового сигнала  в цифровой происходит непрерывно, т.е. любое изменение входного  сигнала, за исключением временных  задержек схемы, тотчас преобразуется  в цифровой код.

Схема работает следующим образом.