Разработка АЦП

3.7 Источник опорного напряжения

       В качестве источника  опорного напряжения (ИОН)  выбран высокоточный ИОН ADR530В фирмы Analog Devices (приложение З). Напряжение на его выходе составляет 3В, исходная точность ±0,2%.  У данного источника опорного напряжения исключена необходимость во внешнем конденсаторе, который обычно применяется для стабилизации емкостной нагрузки.

       Опорное напряжение 3В с помощью прецизионного  резистивного делителя (R25 – R28) делится на 30, 300 и 3000, чтобы обеспечить заданные пределы измерения.

       

       Рисунок 11 – Источник опорного напряжения.

       Номиналы  резисторов R25…R28 можно определить, решив следующую систему:

                                                     (3.7.1) 

       Из  системы (3.8) находим, что R27=9*R28, R26= 90*R28, R25=2900*R28. Если принять R28=100 Ом, то получим: R25=290 кОм, R26=9 кОм, R27=900 Ом. Из справочника [8] выбираем сопротивления из ряда номиналов:

       R25 типа С2-29В– 0,25 – 290кОм ±0,5% (из ряда Е192),

       R26 типа С2-29В– 0,25 – 9,09кОм ±0,5% (из ряда Е192),

       R27 типа С2-29В– 0,25 – 909Ом ±0,5% (из ряда Е192),

       R28 типа С2-29В– 0,25 – 100Ом ±0,5% (из ряда Е192). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3.8 Преобразователь средневыпрямленных  значений

       ПСЗ дает на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна  среднему значению выпрямленного входного напряжения.

       В данной работе для хранения значения напряжения и последующего его преобразования в код необходимо преобразовать  его из переменного в постоянное.

       На  рис. 3.8 приведена схема двухполупериодного преобразователя средневыпрямленных значений с заземленной нагрузкой, который при любом знаке входного сигнала имеет близкое к нулю выходное сопротивление.

       Выходное  напряжение ПСЗ равно [1],[7],[11]:

       при Uвх < 0:                (3.8.1)

       при Uвх > 0:           ,  (3.8.2) 

       

Рис.3.8 - Схема двухполупериодного преобразователя средневыпрямленных значений.

       При выполнения условия [11]

         ,       (3.8.3)

         коэффициенты преобразований полуволн  напряжений равны и имеют разные  знаки. В результате выходное  напряжение Uвых будет однополярным  и пропорциональным средневыпрямленному  значению напряжения.

       Погрешности преобразования зависят от точности выполнения условия и смещения нуля ОУ DA13 и DA14.

       Расчет  ПСЗ (рис.3.8) производится в следующей последовательности.

       Чтобы сопротивление R17 не оказывало влияние на работу предыдущего усилителя, его целесообразно принять равным 50 - 200 кОм. При необходимости получения единичного коэффициента преобразования ОУ DA14  выбираем        R17 = R21 = R22.

       Сопротивление R32 находится из уравнения:

       R23 = R17//R21//R22                                   (3.8.4)

       При R17 = R21 = R22                        

       ОУ   DA13  можно взять такого же типа как DA14. В качестве выпрямительных элементов целесообразно использовать высокочастотные импульсные диоды типа КД522А.

       Сопротивление R19 должно быть 100 .. 200 раз больше прямого сопротивления диодов VD5 и VD6.

       Коэффициент усиления ОУ DA13 для положительной полуволны входного сигнала Uвх можно взять равным 2. Тогда R16 = 0,5R19. Сопротивление R18 находится из уравнения:

                             (3.8.5)

       Выбираем  диоды VD5, VD6 типа КД522А.

       Для минимизации погрешности ПСЗ выбираем прецизионные резисторы. Рассчитанные значения:

       R16 типа  С2-29В - 0,25 – 2,21кОм ±0,5 % (из ряда Е192),

       R17 = R21 = R22 типа  С2-29В - 0,25 – 100кОм ±0,5 % (из ряда Е192),

       R19 типа  С2-29В - 0,25 – 4,42кОм ± 0,5 % (из ряда Е192),

       R18 типа  МЛТ - 0,25 – 1,47кОм ±5 % (из ряда Е192),

       R23 типа  МЛТ - 0,25 – 33,2кОм ± 5 % (из ряда Е192),

       Резисторы R20 = R24 предназначены для внешней балансировки (установка нуля) микросхемы ОУ К140УД26А (стандартная схема включения). Резисторы типа СП3-16а – 0,125 - 10кОм с допуском ±10% (из ряда Е6). 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.9 Устройство выборки-хранения

      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, чтоб АЦП преобразовал его в двоичный код. Эту функцию выполняет устройство выборки и хранения аналогового сигнала – аналоговый ЗУ.

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

      Для того, чтобы в каждый момент времени на выходе УВХ было запомненное напряжение в проекте используем два УВХ, включенных параллельно, со срабатываем по логической единице и логическому нулю по следующей схеме.

       В качестве УВХ используем интегральную микросхему КР1100СК2 (см.Приложение Ж)(напряжение смещения нуля U_см=0,2 мВ, время выборки 60 нс), включенной по типовой схеме [2].

       

 

       Рис.3.9 – Устройство выборки-хранения

       Микросхемы  УВХ стробируются  с частотой равной половине частоты дискретизации fстроб = 5,343МГц.

Для исключения влияния выходного напряжения одного УВХ на выходное напряжение другого они коммутируются микросхемой DA18  КР590КН8А.

       Рекомендуется взять С4 = 1000пФ – пленочный пропиленовый конденсатор с коэффициентом адсорбции 0,001%.

       С4 = С5 типа К71 – 5 – 63В – 1000пФ ± 0,5 %  (из ряда Е192). 
 

       Tв = 1мкс - время действия сигнала выборки,

       tап = 200нс.

       tв = Тв – tап = 0,8мкс > 5τ_з , где τ_з = Rвн*С4.

       Из [3] следует, что при tв = 0,8мкс,  С4 = 1000пФ    δв = 0,1%.

       С4 = С5 типа К71-6 - 300В - 1000пФ ± 0,5 %  (из ряда Е192).

3.10. Аналого-цифровой преобразователь

   Аналого-цифровое преобразование производится по методу последовательных приближений. Схема АЦП реализуется на РПП, ЦАП , преобразователь ток-напряжение (ПТН) и компараторе и позволяет получить высокоточный аналого-цифровой преобразователь среднего быстродействия. 

   

   Рис.3.10. Принцип действия АЦП поразрядного уравновешивания.

     В качестве регистра последовательных  приближений DD5 выбираем АМ2504 (аналог К155ИР17). Он работает на частоте до fтакт = 25 МГц .

   В качестве ЦАП DA19 используется HI562A-2 (Harris Semiconductor (HS), США). Её параметры [9]:

• число двоичных разрядов – 12,
• d_LD = ± 1/4 МЗР,
• d_L < ± 1/4 МЗР.
• t_УСТ <0,04мкс,
• номинальное значение тока, соответствующее конечной точке шкалы   для однополярного тока – 5мА,
• для двуролярного тока - ± 2,5мА,
• наличие ИОН – нет,
• Uи.п. = ± 15В,
• Рпотр = 345мВт,
• рабочий диапазон температур – (-55…+125) ºС,
• Uион = (2,5- 10,5)В
• совместимость с ИМС – ТТЛ и КМОП,
• технология – биполярная,
• корпус DIP-24,
• при использовании Rос напряжение соответствующее конечной точке шкалы -  Uвых = Uref – h.

   В качестве компаратора DA21 выбираем микросхему КМ597СА2. Его быстродействие составляет 20нс.

Выходной  ток ЦАП поступает на преобразователь  ток – напряжение DA20 – ОУ К140УД26А. При использовании в качестве ОС внутренний резистор ЦАП  Rос, напряжение, соответствующее конечной точке шкалы,  Uвых = Uref – h ≈ Uref =0,1В [9]. Это напряжение подаётся на  инвертирующий вход компаратора, а на неинвертирующий вход – напряжение с выхода УВХ.

Напряжение  шкалы преобразования соответствует  уровню опорного напряжения Uоп. РПП посылает на ЦАП старший бит Q11. Компаратор сравнивает напряжения измеряемого сигнала и Uоп/2 и свое решение “1” или ”0” передает на вход D   РПП. Если решение “0”, СЗР сбрасывается и на ЦАП выдается следующий разряд. Если после компаратора получена “1”, она остается в регистре. Следующие разряды подаются от РПП на ЦАП по очереди (по старшенству). Поразрядные решения компаратора в виде последовательности “1” и ”0” накапливаются на выходах РПП.

       Регистры  DD6 и DD7 (буферы) К531ИР23П предназначены для хранения предыдущего выходного двоичного кода в момент нового преобразования.

       С8– предназначен для частотной коррекции ЦАП. Конденсатор С8 типа  К10-17-1а - 50В - 100пФ ± 10 %,

Резистор R33 предназначен для внешней балансировки (установка нуля) микросхемы ОУ К140УД26А (стандартная схема включения). Резистор R33типа СП3-16а  - 0,125 -10кОм с допуском ±10% (из ряда Е6).

       Схема АЦП синхронизируется генератором  тактовой частоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

11. Устройство  синхронизации

       Устройство  синхронизации служит для синхронизации схемы и вырабатывания управляющих сигналов для РПП, ЦАП, УВХ и для регистра – хранения данных.

       Генератор построен на элементах DD2.2 – DD2.4 по стандартной схеме автогенератора на логических элементах с кварцевой стабилизацией частоты.

       Схема может работать как от внутреннего  генератора тактовой частоты, так и  от внешнего (переключатель SW1).

       Режим преобразования входной аналоговой величины в цифровой двоичный код  может быть циклическим либо разовым (переключатель SW1) путем однократного пуска (кнопка SА1).

       Дифференцирующая  цепочка R32-C7 предназначена для получения времени, необходимого для однократного преобразования. Ее параметры рассчитываются следующим образом:

       для спада напряжения на резисторе R32 до уровня U_c равного 3 В

       t=0.7 *R32*C7                                                  (3.11.1)

       t=90 нс,