Расчет параметров разрабатываемого АЦП

     Техническое задание содержит требование по обеспечению  входного сопротивления разрабатываемого устройства не менее 1МОм. Это сопротивление можно определить как

      , где  - сопротивление операционного усилителя по синфазному сигналу.

     Выберем в качестве сопротивления R3 резистор

     C2-33H - 0.125 - 2.05 МОм ±5%

       МОм. 

     Согласно  расчетам, входное сопротивление  равно 2,05 МОм, требование технического задания относительно входного сопротивления  выполняется.

     Резистор  R10 необходим для балансировки операционного усилителя, т.е. для устранения аддитивной составляющей погрешности. В его качестве выберем резистор:

     СП3 – 19A - 0,125 – 15кОм ± 10 %.

     Резистор  R5 необходим для повышения устойчивости каскада. Т.к. инвертирующей вход операционного усилителя не имеет связи с землей, то обратная связь получается стопроцентной, что и обеспечивает единичный коэффициент преобразования каскада. В качестве резистора R5 выберем:

     С2-33Н - 0,125 – 10 КОм ±5% 

     4.2. Проектирование фильтра нижних  частот. 

     При проектировании аналого-цифрового  преобразователя следует учесть тот факт, что, в соответствии с  теоремой Котельникова, спектр полезного  сигнала должен располагаться в  диапазоне от 0 до , несоблюдение этого условия вызовет эффект наложения спектров. Это значит, что если какая-либо из гармонических составляющих сигнала будет превышать , то её уровень будет накладываться на составляющую спектра с частотой , где - частота рассматриваемой гармонической составляющей спектра сигнала.

     Для устранения описанного выше эффекта  наложения в схему включен  фильтр нижних частот. Любой фильтр не может полностью отрезать частоты, он может их лишь с определенной степенью подавить. Это значит, что  частоты, превышающие  будут присутствовать в спектре, но их амплитуда будет подавленной, по сравнению с полосой пропускания фильтра.

     В соответствии с техническим заданием, погрешность разрабатываемого устройства не должна превышать 0,05%. Таким образом, примем за основу тот факт, что эффект наложения спектров не должен вносить  погрешность, превышающую 0,05%. Выбор крутизны фильтра можно пояснить рисунком 4.2.1.

Рисунок 4.2.1 Наложение спектров при использовании  ФНЧ. 

     Крутизну  фильтра можно определить из следующей  формулы:

        , где

     W(f) – уровень сигнала на определенной частоте,

     f_d – частота дискретизации

     f_с – частота среза фильтра

     Следовательно, будет достаточно использование в схеме фильтра пятого порядка, имеющего крутизну -100 Дб/дек.

     В качестве ФНЧ используются два каскада фильтров второго порядка и один каскад первого порядка. В схеме используется фильтр Батерворта поскольку он имеет максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания. Фильтр спроектирован по схеме Салена Ки.

     Один  каскад фильтра представлен на рисунке 4.2.2. 

Рисунок 4.2.2 Каскад фильтра низких частот второго порядка. 

     Расчет  фильтра выполнен по методике, описанной  в [2].

     Каскад  фильтра первого порядка приведен на рисунке 4.2.3. 

Рисунок 4.2.3 Каскад фильтра низких частот первого  порядка. 

     Для того, чтобы выходное напряжение ФНЧ  не было инвертированным по отношению  к входному сигналу АЦП, фильтр 1-го порядка построен по не инвертирующей  схеме включения операционного  усилителя.

     Передаточная  функция фильтра 1-го порядка имеет  вид:

      , где

     T – постоянная времени фильтра 1-го порядка

     p – оператор Лапласа.

       

     Пусть С14=1нФ, тогда

      КОм

     Поскольку не инвертирующая схема операционного  усилителя в данном включении  не может обеспечить единичный коэффициент  преобразования, назначим фильтру коэффициент, равный двум. Это приведет к тому, что диапазон выходных напряжений фильтра  будет в 2 раза больше диапазона входных  напряжений, и составит ±5,12В. Из этого следует, что

     R28=R7=1.15 КОм

     Функция преобразования ФНЧ выглядит следующим  образом:

     

     Из  этого выражения можно вычислить, что на частоте f_d-f_c уровень сигнала составит 0,0095%

     Типы  и номиналы пассивных элементов  ФНЧ приведены в таблице 4.2.1.

 

      Таблица 4.2.1.

     Типы  и номиналы пассивных элементов  ФНЧ.

     

     4.3. Проектирование ПСЗ. 

     Преобразователь среднего значение имеет своей целью  обеспечить на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна  среднему значению выпрямленного входного сигнала.

     В данной схеме используется активный двухполупериодный выпрямитель  на двух операционных усилителях.

     Принципиальная  схема ПСЗ приведена на рисунке 4.3.1. 

Рисунок 4.3.1 Принципиальная схема ПСЗ. 

     Произведем  расчет номиналов резисторов предложенного  ПСЗ.

     В качестве диодов VD1 и VD2 используются высокочастотные импульсные диоды КД522А.

     Пусть U_ВХ>0, тогда входной сигнал приходит на инвертирующий операционный усилитель DA7. Диод VD1 – закрыт, а VD2 – открыт. Цепь обратной связи замыкается через сопротивление R21. Проинвертированное напряжение проходит на операционный усилитель DA8.

     Запишем сумму токов на инвертирующем  входе усилителя DA8:

     

     

     

     Пусть U_ВХ<0, тогда открывается диод VD1, замыкая цепь обратной связи. Она задает нулевой коэффициент усиления усилителя DA7.

     Выходное  напряжение ПСЗ можно определить как :

     

     Для сохранения постоянства коэффициента преобразования для положительной  и отрицательной полуволн сигнала  необходимо выполнить условие:

      =1 

     Зададим коэффициент усиления усилителя  DA8 равный 1.

      , ,

     тогда коэффициент усиления усилителя  DA7 должен быть равным 2.

     Типы  и номиналы резисторов ПСЗ приведены  в таблице 4.3.1.

 

      Таблица 4.3.1.

     Типы  и номиналы резисторов ПСЗ

     

     4.4. Проектирование УВХ. 

     При обработке аналоговых сигналов, изменяющихся с частотой, соизмеримой или большей, чем скорость работы АЦП, из аналогового сигнала приходится делать выборки. Для этого некоторое значение сигнала в определенный моменты запоминается на время, необходимое для того, чтобы АЦП преобразовал его в двоичный код. Эту функцию выполняет устройство выборки и хранения аналогового сигнала – аналоговое запоминающее устройство. Таким образом, с помощью УВХ осуществляется дискретизация сигнала по времени.

     Установка устройства выборки хранения на вход АЦП будет сохранять отсчет постоянным в течении всего времени преобразования и поможет избежать апертурной погрешности.

     Принципиальная  схема блока УВХ приведена  на рисунке 4.4.1.

Рисунок 4.4.1. Принципиальная схема блока УВХ. 

     В качестве УВХ используется микросхема SHC804.

     Для того, чтобы в каждый момент времени  на выходе УВХ было запомненное напряжение в данном проекте используется двухтактная схема УВХ. 

     Устройства  выборки-хранения переключаются с  частотой вдвое меньшей, чем частота  дискретизации. В то время, как одна микросхема УВХ находится в режиме слежения, другая – в режиме запоминания. Ключ DA11 обеспечивает подключение к шине УВХ, находящегося в режиме запоминания.

     Устройство  выборки хранения находится в  режиме слежения в течение 1 мкс. 

     4.5. Проектирование устройства сравнения. 

     Устройство  сравнения предназначено для  определения знака входного сигнала, а также для сравнения сигнала  с УВХ с сигналом, снимаемым  с ЦАП, и выдачи результата сравнения на регистр последовательных приближений.

     Устройство  сравнения представляет собой сдвоенный  компаратор. Принципиальная схема устройства сравнения приведена на рисунке 4.5.1. 

Рисунок 4.5.1. Принципиальная схема устройства сравнения. 

     В качестве сравнивающего элемента в  схеме используется компаратор MAX962.

     Компаратор  А используется как определитель знака, а компаратор В – для  сравнения входного напряжения с  выходным напряжением ЦАП. 

     4.6. Проектирование блока ЦАП. 

     В данной работе применяется 12-и разрядный  ЦАП фирмы Analоg Devices AD568 c токовым выходом и встроенным источником опорного напряжения. Максимальный выходной ток – 10.24 мА, время преобразования – 35 нс. Микросхема включена следующим образом: младший разряд D11 не используется.

     Сигнал  с ЦАП'а сравнивается компаратором с напряжением, поступающим с УВХ.

     Схема включения ЦАП приведена на рисунке 4.6.1.

     

     Рисунок 4.6.1. Схема включения ЦАП.