Министерство образования  и науки Российской Федерации

     ОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления» 
 
 
 
 
 
 
 

Пояснительная  записка 

к  курсовому проекту 

    по  дисциплине «Электротехника  и электроника» 

«Кодоимпульсный аналого-цифровой преобразователь» 
 

Принял: Преподаватель

______________________

      подпись, дата

Выполнил: студент

гр.

_______________________

      подпись, дата 
 
 
 
 
 
 

Омск  – 
 
 
Реферат 

    Пояснительная записка 18 с., 8 рис., 6 табл., 12 источников

СЧЕТЧИК, ЦАП, КОМПАРАТОР, РЕГИСТР, ЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОСХЕМА, операционный усилитель.

    Цель  работы – разработка кодоимпульсного аналого-цифрового преобразователя с возможностью считывания результатов в ЭВМ, работающего в автоматическом режиме и  имеющей большое входное сопротивление. 
Содержание

Введение

     Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, осуществляющее преобразование непрерывно изменяющегося аналогового сигнала в цифровой код.

     В кодоимпульсном АЦП дискретизация  происходит по величине напряжения. Метод  преобразования характеризуется наличием нескольких мер, равных числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной [6]. 
1 Расчет на структурном уровне 

     В основе проектирования АЦП было положено кодоимпульсное преобразование, реализующее  следящее уравновешивание.

     В качестве базовой была взята схема из [6], реализующая выбранный метод преобразования. Эта схема, несколько преобразованная, изображена на рисунке 1.

       
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 1 – Преобразованная схема АЦП

     Порядок следования сигнала следующий: на входы  операционного усилителя подается входное напряжение и, компенсирующее его, напряжение с ЦАП (при этом усилитель в зависимости от разности напряжений может работать и в своем основном режиме и в режиме насыщения, алгоритм работы такой, что разностный сигнал удерживается в пределах разрешающей способности АЦП). Далее с помощью двух компараторов и схемы 2ИЛИ происходит определение режима изменения кода в зависимости от полярности сигнала. После этого сигнал подается на счетчик, который выполняет тактирование (по входу С), при этом счетчик работает только тогда, когда с блока управления есть разрешающий сигнал (по входу R). Далее используя ЦАП, сигнал преобразуется в напряжение и выводится для сравнения с заданным входным. Процесс повторяется снова.

     Таким образом, по истечению времени преобразования, в счетчике мы получим требуемое значение.

 

1.1 Распределение погрешностей

     Исходя  из требований ТЗ погрешность АЦП  не должна превышать 1%. За максимальную методологическую погрешность (прежде всего погрешность дискретности) взята

     δ_м =0.25%

     Отсюда  на приборную погрешность приходится:

     δ_п=1% - δ_м=0.75%

     По  основной цепи преобразования распределение  погрешности представлено в Таблице 1

Таблица 1

           

1.2 Счетчик

     В качестве счетчика берется двоичный реверсивный счетчик. Его разрядность  определяется исходя из величины методологической погрешности (δ_м)

     Вначале определяется ступень квантования:

     Δ=0.0025*10=0.025

     Соответственно  емкость счетчика высчитывается следующим образом:

       (1)

     Отсюда  разрядность счетчика N=9 (наименьшая целая степень двойки при которой получается число покрывающая емкость счетчика).

1.3 Опорный генератор

     Частота опорного генератора высчитывается по формуле из [6]:

      МГц  (2)

1.4 Компараторы

     В связи с заданием ступени квантования  важно определить для компаратора  опорное напряжение и максимальную ширину зоны неопределенности, это  можно сделать по формуле 3 из [6].

        (3)

           (4)

1.5 ЦАП

     ЦАП в схеме должен быть девяти разрядным. Согласно [3] такой ЦАП в униполярном  режиме не поддерживается стандартом. Поэтому в данной схеме берется десятиразрядный ЦАП, после которого строится усилительная схема для соответствия входных активных разрядов и выходных напряжений, а также умножения напряжения.

     Так, если при 10 разрядах напряжение было U_max=1В, то

       (5)

     В тоже время максимальное выходное напряжение должно соотносится к коду на входе  системы, так чтобы при максимуме мы получили 10 В (для минимального это соотношение выполняется U_min=0). Для этого необходимо подобрать коэффициент усиления:

     0.9К=107

     К=10/0.9=11,11

     Корректирующее  устройство представляет собой инвертирующий  усилитель с коэффициентом усиления 11,11 и максимальным выходным напряжением не менее 10 В.

2 Расчет электрической схемы

2.1 Выбор схемы

      В качестве элементарной базы было выбрано КМДП так как:

• Она способна обеспечить заданное быстродействие
• Эта серия является полной и способной синтезировать АЦП, заданного вида
• По энергопотреблению серия является рекомендуемой, т.к. считается, что при частоте меньшей 3МГц потребление мощности на схемах КМОП меньше чем у ТТL  (в данной схеме f = 0.4 МГц).

2.2 Выбор элементов схемы

      2.2.1 Регистр

      Для соединения АЦП с ЭВМ, чтобы исключить взаимное влияние необходимо поставить регистр, который изображен на рисунке 2.

        
 
 

      Рисунок 2- Регистр 530ИР22

      Регистр КР531ИР22 предназначен для хранения восьмиразрядного слова, записываемого и считываемого в виде параллельного кода. Запись кода производится асинхронно при действии напряжения логической 1 на входе L. При записи на выходах Q формируется записываемый код. Для перевода регистра в режим хранения необходимо на вход L подать напряжение логического 0. При записи кода и его хранении на входе OE должно действовать напряжение логического 0.

      Перевод регистра в третье состояние выходов Z (состояние высокого импеданса) осуществляется подачей напряжения логической1 на инверсный вход OE.

      2.2.2 ЦАП

     В качестве ЦАП выбрана микросхема КР752ПА1[5]. Это 10-разрядный ЦАП (рисунок 3), выполненный по КМОП технологии с коэффициентом нелинейности δ=0,1%

 

     

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 3 ЦАП КР752ПА1

     В Таблице 2 приведены основные параметры ЦАП [11]:

Таблица 2 - Основные параметры ЦАП

      2.2.3 Усилитель

     В качестве элементной базы для всех усилителей схемы (если это специально не оговорено) выбрана микросхема К140УД7. Она имеет параметры [11],которые отображены в таблице 3:

Таблица 3

      2.2.4 Сравнивающий усилитель

     В соответствии с  ТЗ должно обеспечиваться подключение к АЦП нагрузки не менее 1МОм.

     На  рисунке 4 представлена схема подключения через повторитель напряжения, называемый также буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

     

     Рисунок 4 – Повторитель напряжения

     Входное сопротивление для повторителя  напряжения может быть равным многим сотням мегом на низких частотах, а  выходное сопротивление меньше 1Ом, поэтому используется не взятая за базисную микросхема К140УД7, а импортный  усилитель NE5534, который предназначен для работы на нагрузку до 600 0м.

     Далее в каскаде с повторителем напряжения используется дифференциальный усилитель, для которого справедливо следующее  соотношение[10]:

       (8)

      2.2.6 Компараторы

     Элементная база компаратора представляет собой микросхему КМ594СА3[11], совместимой с КМОП цифровыми микросхемами.

     Основные  характеристики компаратора приведены  в Таблице 4:

 

Таблица 4 – Основные характеристики компаратора