Расчет параметров разрабатываемого АЦП

     Нужно обеспечить шаг квантования сигнала  h=1,5 мВ, при числе разрядов n=11.

     

     Максимальный  выходной ток ЦАП  I_вых=10,24 мА.

     Данная  схема включения AD568 является стандартной схемой включения данного ЦАП с выходом по напряжению, и приведена в документации. Максимальное выходное напряжение каскада на усилителе DA6 составляет +10,24 В. Основной предел измерения проектируемого АЦП составляет +3В. Так как фильтр низких частот обеспечивает коэффициент усиления равный двум, то максимальное напряжение на выходе блока ЦАП должно составлять +6В. Для преобразования максимального выходного напряжения каскада на ОУ DA6 в напряжение +6В используется резистивный делитель напряжения, спроектированный на резисторах R16, R17, R26.

     Коэффициент деления равен:

     

     Коэффициент деления через параметры резистивного деления можно выразить следующим  образом:

       

     Типы  и номиналы элементов схемы включения  ЦАП приведены в таблице 4.6.1. 

     Таблица 4.6.1.

     Типы  и номиналы элементов схемы включения  ЦАП

     

     4.7. Проектирование схемы тактирования АЦП. 

     Схема тактирования предназначена для  подачи тактовых импульсов, а также  для подачи стартового импульса на регистр последовательных приближений. Схема также обеспечивает сброс  значений при включении АЦП.

     Таким образом, схема тактирования состоит  из:

• генератора тактовых импульсов, который вырабатывает тактовые частоты для РПП и УВХ.
• Схемы сброса, производящей сброс системы при включении АЦП, при нажатии кнопки “Сброс”.
• Схемы задержки, вырабатывающей импульсы сброса.

     Принципиальная  схема генератора приведена на рисунке 4.7.1.

Рисунок 4.7.1 Принципиальная схема генератора. 

     Схема состоит из генератора частоты 50 МГц, построенного на логических элементах(DD2:1, DD2:2, DD3:3), переключателя на частоту внешнего генератора (SA2), делителя частоты, построенного на цифровых счетчиках КР1533ИЕ2 (DD5, DD6). Делитель частоты вырабатывает следующие частоты:

• 25 МГц – для тактирования РПП
• 1 МГц – для сброса РПП в начале цикла преобразования
• 500 Гц – для переключения режимов микросхем УВХ (DA9, DA10).

     Для запуска АЦП на вход S (старт) регистра последовательных приближений DD9 необходимо подать сигнал низкого уровня длительностью не менее 2-х периодов тактовой частоты (25 МГц), т.е. не менее 80 нс. Этот импульс формируется за счёт формирователя импульса по переднему фронту сигнала, построенного на микросхемах DD3, DD7, DD8 КР155ЛА3. Задержка переключения этих микросхем из состояния лог.“1” в “0” составляет 15 нс, а из состояния “0” в “1” – 22нс. Таким образом, общая длительность сформированного импульса составит

     22+15+22+15+22=96 нс, 

     что вполне достаточно для запуска РПП. Таким образом, в начале каждого  цикла преобразования будет формироваться  импульс длительностью 96 нс и периодом повторения 1000 нс, запускающий РПП.

     Принципиальная  схема блока задержки приведена  на рисунке 4.7.2. 

Рисунок 4.7.2. Принципиальная схема задержки. 

     Принципиальная  схема блока сброса приведена  на рисунке 4.7.3. 

Рисунок 4.7.3  Принципиальная схема блока  сброса. 

     Схема ручного запуска РПП построена  на микросхеме одновибратора КР155АГ1. Он настроен таким образом, что при  нажатии кнопки SA1  на его выходе формируется импульс высокого уровня, по длительности равный времени дискретизации, т.е. 1000 нс, который обеспечит прохождение стартового импульса через ключ DD8:3.

     В статическом режиме на входах А1, А2, В микросхемы 155АГ1 присутствует высокий  уровень. В этой ситуации вывод Q определен низким уровнем логического сигнала. В момент коммутации ключа SA1 происходит перепад логических сигналов на входах А1 и А2. Цепь питания на +5В замыкается через сопротивление R1. В момент данного перепада происходит запуск одновибратора и на выходе Q выставится импульс высокого уровня, длительностью, определенной RC – цепочкой С1, R2. В статическом режиме работы при замкнутом ключе SA1 на выходе Q будет также присутствовать сигнал низкого уровня.

     Длительность  импульса, выдаваемого одновибратором определяется из параметров C1 и R2 следующим выражением:

     

     В данном случае необходимо получить импульс  длительностью 1 мкс. Выберем емкость  С1 номиналом 1000 пФ. Тогда R2 можно определить из выражения:

      Ком.

     При включении питания АЦП на выходах  счетчиков DD4 и DD5 могут присутствовать случайные значения, следовательно, эти счетчики необходимо сбросить. Сигнал сброса счетчиков формируется RC-цепочкой C5, R8. Время импульса определяется параметрами RC, а также временами задержки блоков микросхемы DD2.3 и DD3.1. Они необходимы для увеличения крутизны фронтов импульса. Время их задержки составит 37нс.

     Выберем постоянную времени RC-цепочки – 70 нс. Примем С5 за 100пФ и рассчитаем значение R8.

     

     Типы  и номиналы пассивных элементов  схемы запуска АЦП приведены  в таблице 4.7.1.

     Таблица 4.7.1.

     Типы  и номиналы пассивных элементов  схемы запуска АЦП.

     

     4.8. Проектирование блока РПП. 

     В данной схеме используется импортный аналог регистра последовательных приближений К155ИР17 -  микросхему фирмы AMD – АМ2504, которая работает на частоте 25 МГц и предназначена для построения 12-разрядных АЦП.

     Алгоритм  работы РПП следующий: на вход С (вывод 13) подаётся тактовая частота 25МГц, при  подаче на вход SТ (вывод 14) импульса низкого уровня, длительностью не менее двух периодов тактовой частоты (не менее 80 нс.) происходит сброс данных на выходе РПП (выходы Q0..Q11) в нуль за первый период тактовой частоты и выставление “единицы” в старшем разряде РПП Q11. Вход DI (вывод 11) служит для принятия последовательного цифрового слова. На этот вход будут поступать нули и единицы, являющиеся результатами поразрядного взвешивания. При положительных перепадах на тактовом входе С данные заполняют ячейки Q0..Q11 и транслируются в последовательном коде с выхода DO (вывод 2). По завершению преобразования на выходе QSS (вывод 3) появляется напряжение низкого уровня, по которому производим запись в выходные регистры. Вход Е (вывод 1) служит для приёма сигнала останова. Сигнал высокого уровня, поданный на этот вход, останавливает преобразование.

     Схема включения РПП приведена на рисунке 4.8.1.

Рисунок 4.8.1 Схема включения РПП 

     4.9. Проектирование блока выходных  регистров. 

     Код преобразования АЦП необходимо выдавать на выход лишь после того, как  РПП закончит свой цикл преобразования. Код, полученный в результате предыдущего  цикла необходимо держать на выходе в течение всего следующего цикла  преобразования. Данную функцию выполняют  выходные регистры. В их качестве использованы микросхемы DD11, DD12 – КР1533ИР23.

     По  завершению цикла преобразования РПП, на его выходе QCC выставляется сигнал низкого уровня. По этому сигналу производится запись в регистры DD11 и DD12. Так как запись в регистры производится по положительному перепаду сигнала на входе С, то сигнал с выхода QCC РПП необходимо инвертировать. Выполнение этой функции возложено на микросхему DD10:1.

     Схема включения блоков выходных регистров  представлена на рисунке 4.9.1 

Рисунок 4.9.1. Схема включения блока выходных регистров.

 

      5. Расчет погрешностей схемы. 

     Погрешности данной схемы можно разделить  на аддитивные и мультипликативные.

     Рассмотрим  в отдельности погрешности каждого  узла схемы.

1. Входной буферный каскад.

     Мультипликативная составляющая погрешности, представляющая собой погрешность коэффициента усиления, по случаю единичного значения последнего в данной схеме, будет  отсутствовать.

     Аддитивная  составляющая погрешности уничтожается при помощи балансировочных резисторов.

2. Фильтр низких частот.

     Мультипликативная погрешность в фильтре низких частот будет также отсутствовать, т.к. каскады фильтров охвачены 100%-й  отрицательной обратной связью.

     Аддитивная  составляющая погрешности устраняется балансировкой резистора R10.

3. Погрешность выпрямителя.

     Мультипликативная погрешность ПСЗ устраняется  с помощью подстроечного резистора  R24, а аддитивная погрешность компенсируется в буферном каскаде.

4. Погрешность УВХ.

     К погрешности УВХ следует отнести  погрешность коэффициента усиления, которая составляет 0,01% и будет  относиться к мультипликативной  погрешности. Но её также можно устранить  настройкой коэффициента преобразования фильтра, либо ПСЗ.

5. Погрешность ЦАП

      а) погрешность квантования  δкв

     б) дифференциальная нелинейность d_DNL=1 МЗР

     Данная  погрешность имеет случайный  характер, поэтому при расчете  суммарной погрешности ее учитывать  не будем.

     в) Погрешность шкалы для данного  ЦАП отсутствует.

     Погрешность  ЦАП составит:       δЦАП=δкв=0.05%

     Рассчитаем  основную погрешность спроектированного  устройства. В результате анализа  погрешностей выясняется, что достаточно ограничиться учётом погрешностей ЦАП и УВХ, так как остальные погрешности либо устраняются регулировкой, либо пренебрежимо малы.

      Аддитивные и мультипликативные погрешности складываются отдельно.

     Просуммировав аддитивные и мультипликативные  погрешности, получим значение коэффициента c, при X= X_max (d=0):

     c = dadd +d_mult = 0,05