Разработка АЦП

       , (2.3.3)

где n – количество двоичных разрядов или разрядность АЦП.

     Учитывая  два последних выражения для  шага квантования, можно записать:

;

Откуда  разрядность АЦП определяется следующим  образом:                                    

;

Тогда шаг квантования можно найти:

; 
 
 
 
 

3. Расчет  функциональных узлов  АЦП

1. Входной повторитель

       Входной повторитель необходим для обеспечения  заданного входного сопротивления.

       Рис. 3.1 - Входной каскад

       Выбираем  неинвертирующую схему включения входного повторителя с единичным коэффициентом усиления (рис. 3.1). В качестве DA1-DA4 применяем ОУ К140УД26А (широкополосный прецизионный операционный усилитель со сверхнизким значением входного напряжения шума, высоким коэффициентом усиления напряжения, см. Приложение В).

       Т.к. ОУ работает как повторитель напряжения, следовательно, погрешность, связанная с дрейфом нуля, будет компенсироваться на входе.

   Выбираем следующие элементы:

R1..R4 - С2 - 29В - 0,25 – 909 кОм ± 0,5 % (из ряда Е192)

DA1...DA4 - К140УД26А.                                                                                                          

                                 

3.2  Коммутатор входных аналоговых сигналов

       Поскольку число каналов измерения 4, то в качестве коммутатора входных сигналов выбираем 4-канальный мультиплексор фирмы Analog Device AD7502KQ (industrial version), с диапазоном рабочих температур -25.. +85 ºС(Приложение Г).

      Рис. 3.2 - Мультиплексор AD7502KQ.

      Управление  каналами и разрешение коммутации производиться от внешнего устройства по входам A0, A1, EN. 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.3 Фильтр низких частот

       Для построения фильтра следует определить его порядок, который определяется по наклону АЧХ фильтра.

       X = 20 * log 2 ( 2 / ( lg fд – lg fв ) ) =20 дБ.                              (3.3.1)

       В нашем случае этот наклон составляет минус 20дБ/дек. Для повышения качества фильтрации возьмем фильтр второго порядка.

    Выбираем  фильтр Баттерворта, построенного по структуре Саллен-Ки  [5], так как он имеет гладкую спектральную характеристику, без пульсации в зонах пропускания и заграждения.

       Рис. 3.3 - Фильтр НЧ Баттерворта

       Для фильтра Баттерворта 2-го порядка  коэффициенты b и c приведены в табл. 3.1.

       Табл. 3.1 -  Коэффициенты b и с для фильтра Баттерворта

         
 
 
 
 

       В литературе рекомендуется следующий  порядок расчета ФНЧ. Начальные  параметры для расчета f_ср равна 890,5 кГц, коэффициент усиления в полосе пропускания А равен 1.

       Параметры b и с берутся из табл. 2.

       b=1.4142, c=1, fc=890,5 кГц.

       Расчет  начинается с выбора емкости С₁:

                                                             _(3.3.2)

       Далее определяем С₂, R₅, R₆:

        ;                                    (3.3.3)

        ;                           (3.3.4)

        ;                                    (3.3.5)

Расчетные значения номиналов конденсаторов  и резисторов

       С1=1123*10^-12  Ф, С2=561,49*10^-12Ф,

       R5=R6=225Ом

       Выбираем следующие номиналы элементов:

       С1 = 1100 пФ, из ряда Е192;

       С2 = 560 пФ, из ряда Е24, допуск 0,5%;

       R5 = R6 = 220 Ом, из ряда Е192.

Таблица 3.2 - Типы и номиналы пассивных элементов ФНЧ

      
 
 
 
 
 

3.4 Схема определения знака

       Для определения знака входного сигнала  необходимо предусмотреть схему  определения знака, которая подключается после ФНЧ (рис.3.4).

       

       Рис. 3.4 - Схема определения знака

       В качестве такой схемы выберем  быстродействующий компаратор DA15 MAX961 (см.Приложение И),  предназначенный для управления ТТЛ схемами.

       Компаратор включен так, что переключаетcя при переходе через нуль (подача ‘земли’ на инвертирующий вход). Сигнал, поступающий на информационный вход W, сравнивается с «землей».

       Uсм=3мВ,

       Iвх=10 мкА,

       Uвых «1»=2,5…4,5В,

       Uвых «0»=0,5…0 В,

       Iпот+(-)=42(34) мА,

       tзд=12 нс. 
 
 

       3.5 Преобразователь амплитудных значений

      Для работы схемы автоматического выбора пределов измерения необходим простейший пиковый детектор с ОУ DA7 – К140УД26А (активный ПАЗ) (Рис.3.5).

       

       Рис.3.5 - Пиковый детектор.

       Использование выпрямительных элементов в сочетании  с ОУ позволяет существенно снизить порог чувствительности ПАЗ (на один-два порядка по сравнению с пассивными ПАЗ), уменьшить влияние нелинейности и нестабильности характеристик выпрямительных элементов.

       Преобразуемое переменное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ. Если Uвх больше 0, диод VD1 смещается в прямом направлении, подключая С3 к выходу ОУ. Конденсатор С3 заряжается до амплитудного значения Uвх с постоянной времени, определяемой ёмкостью и малым выходным сопротивлением ОУ с отрицательной единичной обратной связью. При уменьшении Uвх диод смещается в обратном направлении, отключая С3 от выхода усилителя. Скорость разряда определяется значением ёмкости и значением сопротивления включенного параллельно конденсатору - главным образом значением входного сопротивления устройства, включенного на выход ПАЗ. Диод VD2 фиксирует выходное напряжение ОУ на уровне, равному – U_D, что уменьшает время, необходимое для перехода от режима разряда конденсатора С3 к режиму заряда. Погрешность преобразования определяется неидеальностью ОУ, конечным значением обратного сопротивления диодов и наличием тока утечки конденсатора С3.

       В качестве диодов VD1 и VD2 выбираем диоды  типа КД522А.

       Величину  емкости C3 выбираем исходя из того, что постоянная времени ПАЗ должна быть примерно в 2-3 раза меньше, чем период дискретизации АЦП, равный 0,094 мкс. Тогда если принять R7 равным 300 Ом, то

                                    (3.5.1)                         

       С3=100 пФ 

       Выбираем:

   SMD–0805–NPO–100пФ±5%

      Резистор R7 выбираем типа С1– 4 –0,125 –300 Ом ±0,5% (из ряда Е192). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3.6 Схема автоматического выбора пределов измерения

       Автоматический  выбор предела измерения позволяет  существенно увеличить скорость измерения и широко используется в ЦИУ. Устройство автоматического выбора предела измерения служит для приведения  значения входного сигнала к основному пределу измерения 0,1В. Принцип действия устройства основан на изменении коэффициента передачи схемы в зависимости от величины входного напряжения.

       Схема автоматического выбора пределов измерения представлена на рис.3.6.

       Схема автоматического выбора пределов измерения реализована на сторожевых компараторах. В качестве компараторов DA8, DA9 из [7] выбраны микросхемы КР597СА2.  Из [6] в качестве ключа (микросхема DA11) применяем КР590КН8А. Масштабирующий усилитель построен на ОУ DA12 - К140УД26А. 

       Рис.3.6 – Схема автоматического выбора пределов измерения

       При Uвх<0,001В (предел 0,001В) оба компаратора закрыты, DA8 и DA9 выдадут «0», коэффициент масштабирующего усилителя:

                                                    (3.6.1)

       При 0,001В <Uвх< 0,01В (предел 0,01 В) DA9 открывается и на его выходе появится «1», а DA8 выдаст - «0».

       Тогда коэффициент усиления масштабирующего  усилителя:

                     (3.6.2)

       При 0,01<Uвх<0,1В (предел 0,1В) DA8 и DA9 выдадут «1», коэффициент усиления масштабирующего усилителя:

       (3.6.3)

       Для индикации пределов измерения выведем  сигналы со сторожевых компараторов на ключ DA11.

       По  справочнику [8] выбираем прецизионные резисторы со следующими номиналами:

       R8 типа С2 - 29В - 0,25 – 3кОм ± 0,5 % (из ряда Е96),

       R9 типа С2 - 29В - 0,25 – 3,16кОм ± 0,5 % (из ряда Е192),

       R11 типа С2 - 29В - 0,25 – 31,6кОм ± 0,5 % (из ряда Е192),

       R13 типа С2 - 29В - 0,25 – 300кОм ± 0,5 % (из ряда Е192),

       R10 типа СП3 – 39В - 0,5 – 150Ом ± 10 % (из ряда Е6),

       R12 типа СП3 – 39В - 0,5 –1,5кОм ± 10 % (из ряда Е6).

Резистор R14 предназначен для внешней балансировки (установка нуля) микросхемы ОУ К140УД26А (стандартная схема включения). Резистор R14 типа СП3-16а  - 0,125 - 10кОм с допуском ±10% (из ряда Е6).

Резистор R15 необходим для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными и температурными колебаниями входных токов. Его значение выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключённые к входам ОУ, были одинаковы. Сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

,                             ( 3.6.4) 

       где Rос – сопротивление обратной связи  усилителя DA12.

       R15 ≈ R8 = 3кОм.

       Резистор R15 выбираем типа МЛТ – 0,125 – 3кОм ±5% (из ряда Е192).