Содержание

Техническое задание………………………………………………………...4

Введение……………………………………………………………………...5

1. Особенности выбранной реализации АЦП………….……………………..7
2. Расчет общих параметров АЦП…………………………………………….9
1. Расчет верхней частоты входного сигнала………………………….9
2. Расчет частоты дискретизации……………………………………...11
3. Определение требуемой разрядности АЦП………………………...13
3. Расчет функциональных узлов АЦП……………………………………....15
1. Входной повторитель………………………………………………..15
2. Коммутатор входных аналоговых сигналов………………………..16
3. Фильтр низких частот………………………………………………..17
4. Схема определения знака……………………………………..….….19
5. Преобразователь амплитудных значений…………………………..20
6. Схема автоматического выбора пределов измерения……………..22
7. Источник опорного напряжения…………………………………….25
8. Преобразователь средневыпрямленных значений………………....27
9. Устройство выборки-хранения……………………………………...30
10. Аналого-цифровой преобразователь………………………………..32
11. Схема синхронизации………………………………………………..35
4. Расчет погрешностей………………………………………………………..38
5. Заключение…………………………………………………………………..43

Список  литературы……………………………………………………………….44

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение З

Приложение И 
 
 

Техническое задание

      Разработать аналого-цифровой преобразователь  с входным мультиплексором, активными фильтрами, устройством выбора предела измерения, устройством выборки-хранения и другими узлами, со следующими основными характеристиками:

      Таблица 1 - Основные характеристики проектируемого АЦП

      Разработать принципиальную и блок-схемы устройства, подобрать современную микросхему, позволяющую реализовать заданное устройство.

      

       Рис. 1 - Спектр входного сигнала

ВВЕДЕНИЕ

       Большинство информационно-измерительных систем в настоящее время работают с  цифровыми сигналами, которые удобнее хранить, защищать, передавать и обрабатывать. Тем не менее, в измерительной технике всегда будет существовать аналоговый сигнал. Следовательно, важным моментом функционирования ИИС является преобразование аналоговой величины в цифровой код за определенное время с требуемой точностью.

       Принцип работы АЦП зависит от метода преобразования. По алгоритму преобразования основные методы преобразования, используемые в микросхемах АЦП, делятся на:

       -     последовательные;

       -     параллельные;

       -     последовательно-параллельные.

       Наиболее  распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время  являются АЦП последовательного  приближения. Хотя быстродействие у  данных АЦП среднее, эти преобразователи  позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.

       В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип последовательного  сравнения измеряемой величины с  ¹/₂, ¹/₄, ¹/₈ и т.д. от возможного максимального ее значения. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов и получить существенный выигрыш в быстродействии по отношению к АЦП последовательного счета. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 10⁵...10⁶ преобразований в секунду.

       Для реализации данного типа АЦП необходимо использование таких функциональных узлов как регистр последовательного  приближения (РПП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), элемент сравнения и схема синхронизации работы всего преобразователя.

       В настоящее время большинство  серийно выпускаемых последовательных АЦП работают по принципу последовательного  приближения.

В курсовом проекте большинство используемых элементов схемы зарубежные аналоги отечественных с улучшенными характеристиками. 
 

1. Особенности выбранной Реализации АЦП

       Проектируемый АЦП является аналого-цифровым преобразователем поразрядного взвешивания и построен на базе импортного аналога регистра последовательных приближений  АМ2504.

       АЦП состоит из входного повторителя, мультиплексора, активного фильтра низких частот,  схемы автоматического  выбора пределов измерения и определения знака, масштабирующего усилителя, двухполупериодного выпрямителя среднего значения, устройства выборки-хранения, регистра последовательных приближений ЦАП, компаратора, тактового генератора.

       Структурная схема АЦП приведена в приложении А.

       Устройство  состоит из следующих функциональных узлов:

• входной повторитель необходим для получения требуемого входного сопротивления.
• коммутатора, осуществляющего переключение каналов;
• активного ФНЧ, уменьшающего эффект наложения спектров;
• схема определения знака составлена на компараторе, который переключается при переходе входного сигнала через ноль.
• схемы автоматического выбора пределов измерения, изменяет коэффициент передачи, т.е. приводит значение входного сигнала к основному пределу измерения, осуществляет приведение выходного сигнала к основному пределу измерения 0,1В;
• схемы выделения абсолютного значения, на случай если входной сигнал может быть отрицательным;
• УВХ, осуществляющее постоянство преобразуемого сигнала во время преобразования;
• РПП, формирующего цифровой код преобразуемого сигнала;
• АЦП, осуществляющего преобразование кода на выходе РПП в аналоговый сигнал для сравнения с преобразуемым сигналом;
• сравнивающее устройство, формирующее код в последовательном формате;
• буферные регистры необходимы для регистрации цифрового представления аналогового входного сигнала (кода).
• схемы синхронизации, подающей управляющие импульсы на большинство функциональных узлов устройства с целью согласованной их работы.

2. Расчет  общих параметров АЦП

1.   Расчет верхней частоты входного сигнала

       На  рис. 2.1 представлены составляющие спектра входного сигнала и его огибающая.

                                                                   

       

Рис. 2.1 - Сплошной спектр входного сигнала.

       Расчёт  верхней частоты эффективного спектра  сигнала проводится с учётом того, что для исключения потери информации о сигнале необходимо, чтобы проектируемое  устройство обеспечивало передачу не менее 95% спектральной мощности входного сигнала. Оценить эту мощность можно по площади, ограниченной графиком и осями координат.

       Площадь, ограниченная спектром сигнала может  быть рассчитана интегрированием составляющих, площадь получится в относительных единицах.

       

       

       

         

       Энергетически значимая часть S_зн=13950,827*0,95=13253,286 ед².

Если  мы зададим f_в=890,5 кГц, то теряться будет меньше 5% площади 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2 Расчет частоты дискретизации 

       Найдем значение частоты дискретизации по теореме Котельникова В.А.:

                                                (2.2.1)

       Зададим коэффициент запаса К_зк=3, что позволит получить ровное значение частоты дискретизации и избежать наложения спектров.

     Подставляя  в формулу (2.2.1) значение верхней частоты (см. п.2.1), находим fд=5,343 МГц. Так как в дальнейшем предполагается выпрямление входного сигнала, то его частота удваивается, а, следовательно, и частота дискретизации должна быть увеличена в 2 раза. Получим fд=10,686 МГц.

       Период  дискретизации равен 

                                     (2.2.2) 

       Найдем  значение частоты дискретизации  по теореме Бернштейна С.Н.:

                               (2.2.3)

       U_max=0,1 В – номинальное напряжение основного предела измерения,

       Δа- погрешность аппроксимации при  восстановлении сигнала по его дискретным значениям.

                            (2.2.4)

                                    (2.2.5)

       h£0.0005В при U_max=0,1 В.

       Dа=   (В)

       f_д.Б.= =34,167 МГц.

       Найдем  соотношение частот дискретизации  по Бернштейну С.Н. и по Котельникову В.А.:

         

    В нашем случае частота дискретизации по теореме Бернштейна в 3,19 раза превышает частоту дискретизации по теореме Котельникова, что указывает на верность расчета.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2.3 Определение требуемой разрядности АЦП 

       Требуемую разрядность АЦП определим исходя из соображений обеспечения необходимого класса точности. Основная относительная  погрешность устройства, выраженная в процентах от значения измеряемого  напряжения не должна превышать

                          (2.3.1)

       где X_max – напряжение, соответствующее концу шкалы на основном диапазоне измерения;

       X –значение измеряемой величины.

     Погрешность квантования не должна превышать  погрешность преобразования. Поэтому  при определении шага квантования  необходимо учитывать соотношение:

       , (2.3.2)

где δ_max=с/100 (при X=X_max), т. е. δ_max=0,005%.

     Для цифрового измерительного прибора (в частности АЦП) между пределом измерения X_max и шагом квантования существует  зависимость: