Радиоэлектроника

Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы


                  МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
                     Сумской Государственный Университет

                Кафедра Автоматики и Промышленной Электроники



                            ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
             к курсовому проекту по курсу: «Электронные системы»
  по теме: «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной
                                  системы»

                            ФЗ 51.6.090803.573ПЗ


      Руководитель проекта  Макаров М. А.

      Проектировал студент  Река Д. П.
      группы ПЭЗ-51

      Оценка работы

      Члены комиссии:



                                  Сумы 1999


                                 Оглавление


    ВВЕДЕНИЕ      3


    Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы    4

      Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта      4
      Определение технических требований к функциональным блокам аналогового
  тракта    5
      Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта     7
      Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего
  тракта    8

    Выбор и расчет принципиальных схем  9


    Заключение    11


    Список использованных источников    12



                                  ВВЕДЕНИЕ

      Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство,
 обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При этом
 в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала,
 подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с
 целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала
 к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
 путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение
 определенного промежутка времени.
      В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных
 узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют
 работой АЦП.
      АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие
 составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его
 нормальное функционирование.


                      Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы


             Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта

      АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик – симметричный
 выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить
 дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот
 усилитель согласующим (СУ).
      Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код
 получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда:
                                   [pic],
 где [pic]- максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, [pic]-
 шкала АЦП.
      Максимальная величина ЭДС [pic]датчика намного меньше шкалы АЦП,
 поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее
 чем:
                                   [pic],
 где [pic]- коэффициент запаса по усилению.
      Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом
 действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт
 должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):
                                    [pic]
                                    [pic]
                                    [pic]
      Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного
 сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к
 фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра
 [pic], где [pic]- верхняя частота спектра сигнала датчика.
      В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому
 тип фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ
 используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.
      Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-
 фильтрами очевидны.  Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и
 хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка
 входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.
      В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение
 на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового
 тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически
 запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра
 низких частот и хранит его в течение времени хранения [pic].
      Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал
 поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен быть
 включен мультиплексор.
      В итоге анализа всего вышесказанного структурная схема может быть
 представлена так, как показано на рисунке 1.

               Рисунок 1. Структурная схема аналогового тракта
   СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 –
   устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой
                              преобразователь.

   Определение технических требований к функциональным блокам аналогового
                                   тракта

      Расчет технических требований будем производить в обратном порядке
 прохождения аналогового сигнала.
      В качестве УВХ используем те принцип действия, которых основан на
 заряде емкости через ключ в течение интервала [pic], выборки и хранения
 накопленного значения в течение времени [pic] после отключения ключа. В
 качестве ключа используют как биполярные, так и полевые транзисторы.
 Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшими характеристиками,
 поэтому их применение предпочтительней.
      Основными техническими характеристиками УВХ являются:
 1. Коэффициент передачи в момент окончания выборки [pic]
 2. Максимальные значения входного [pic]и выходного [pic] напряжений.
 3. Входное [pic] и выходное [pic]сопротивления по аналоговому сигналу.
 4. Относительные ошибки выборки [pic]и хранения [pic].
 5. Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
 6. Напряжение источников питания УВХ.
    В первую очередь зададимся [pic] и найдем максимальное значение
 напряжения входного аналогового сигнала:
                                    [pic]
      Зная, что современные методы построения УВД дают возможность
 реализации относительных ошибок [pic] и [pic]до [pic]и ниже, можно
 установить требования к допустимой погрешности:
                                    [pic]
      Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных
 усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников
 питания:
                                   [pic];
                                   [pic].
      Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое
 входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление
 (менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:
                                   [pic];
                                   [pic].
      Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в
 задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения
                                    [pic]
 и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к.
 управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем
                                   [pic];
                                   [pic].
 При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.
      Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот
 являются:
 1. Верхняя граничная частота [pic].
 2. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
 3. Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
 4. Коэффициент передачи [pic]по напряжению в полосе пропускания.
 5. Входное [pic] и выходное [pic] сопротивления.
 6. Напряжение источников питания.
    При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе
 пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.
    Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.
    Фильтры Баттерворта, выполненные на ОУ, имеют [pic]. В нашем случае
 зададимся [pic]. Исходя из этого, можно определить требования к
 максимальной величине входного напряжения:
                                    [pic]
    Входное сопротивление выберем [pic], а выходное определим по формуле:
                                    [pic]
    Напряжение источников питания выберем таким же, как и для устройства
 выборки и хранения.
    Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом
 усиления разностного сигнала не менее чем
                                    [pic]
    Этот коэффициент изменяется в пределах [pic], т.е.
                                    [pic]
    Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем
                                    [pic]
    Входное сопротивление [pic]выберем из соотношения:
                                    [pic]
    Выходное сопротивление согласующего усилителя
                                    [pic]
    Напряжения источников питания выберем таким же, как и для остальных
 блоков аналогового тракта.

          Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта

              Рисунок 2. Структурная схема управляющего тракта.

      Для генерации импульсов выборки используем генератор сигналов
 прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают на управляющий
 вход УВХ.
      В соответствии с заданием на проект за время хранения АЦП должен
 обработать сигналы с выходов 4 датчиков. Для управления мультиплексором,
 выполняющим переключение между датчиками используем счетчик (СТ). Два
 первых выхода счетчика подключены к адресным входам мультиплексора. Для
 генерации импульсов на запуск АЦП используем генератор запускающийся по
 заднему фронту импульса выборки (Г2). Этот генератор за время хранения
 должен выработать 4 импульса длительностью [pic] с интервалом [pic].
                       Рисунок 3. Временные диаграммы.
      В соответствии с заданием на проект пуск АЦП должен происходить
 спустя время [pic] после окончания импульса выборки. Для осуществления
 задержки используем генератор генерирующий импульс длительностью [pic], по
 заднему фронту импульса от Г2,.

  Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта

      Для реализации узлов управляющего тракта наиболее удобно использовать
 микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы на основе этой технологии имеют
 достаточное быстродействие, низкое энергопотребление и наиболее удобный (в
 данной ситуации) набор логических функций.
      Согласно заданию на проект амплитуда импульсов пуска АЦП составляет
 8(12 В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ
 не превышает 5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению
 импульса пуска АЦП.
      Для реализации генераторов импульсов выборки и пуска АЦП используем
 генераторы импульсов прямоугольной формы на основе мультивибраторов. Для
 реализации генератора задержки используем схему задержки на
 мультивибраторах.
      Для питания узлов управляющего тракта потребуется напряжение:
                                    [pic]


                     Выбор и расчет принципиальных схем


                            Согласующий усилитель

      Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему
 представленную на рисунке 4.
           Рисунок 4. Принципиальная схема согласующего усилителя
      Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями
 выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:
                                    [pic]
      Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель К153УД2:
                                    [pic]
      Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент
 усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а
 коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице. В
 этом случае резисторы R5(R8 получаются одного номинала, что облегчает их
 подбор.
      Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.
      Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:
                                    [pic]
      По паспортным данным[pic], отсюда примем[pic].
      Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления
 резисторов R1 и R2. Примем его равным [pic]. Тогда номиналы резисторов R3
 и R4 определим по формуле:
                                    [pic]
      Зная требуемый минимальный коэффициент усиления согласующего
 усилителя [pic], рассчитаем максимальное суммарное сопротивление
 резисторов R1 и R2:
                                    [pic]
      Исходя из максимального коэффициента усиления [pic], определим
 минимальное значение суммарного сопротивления резисторов R1 и R2.
                                    [pic]
      Номинал резистора R1 определим из стандартного ряда, по ближайшему
 меньшему значению [pic].
                                    [pic]
      Номинал резистора R2 определим по формуле:
                                    [pic]
      Подберем ближайший номинал из стандартного ряда [pic].
      Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по
 формуле:
                                    [pic]
      Оценим напряжение ошибки на выходе каскада, обусловленной дрейфом
 напряжений смещений нуля и разностных входных токов.

      Сравним напряжение ошибки с [pic]

                            Фильтр низких частот


                       Рисунок 5. Фильтр низких частот

                         Устройство выборки-хранения


                  Рисунок 6. Устройство выборки и хранения


                                 Заключение

      Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны
 цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется
 микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных
 конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают
 создавать микросхемы  с более высокой степенью интеграции, предназначенные
 для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки
 и хранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов
 разрабатывают операционные узлы в виде БИС, способные обрабатывать
 аналоговую информацию без преобразования ее в цифровую форму.
      Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего
 нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные
 роботы.
      В области преобразования данных основной движущей силой является
 стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное
 значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону
 технологии  КМДП, разработка преобразователей специального назначения и
 использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции
 погрешностей.
      Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода
 информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств,
 которые необходимы в микро-ЭВМ.


                      Список использованных источников

 1. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи»
    по теме «Проектирование канала сбора аналоговых данных
    микропроцессорной системы» /Сост.  А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.
 2. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных
    интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.
 3. Микропроцессоры: В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и
    информационно-управляющие системы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В.
    Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш.
    Шк., 1986.
 4. Цифровые и аналоговые интегральные схемы: Справ. Пособие / С.В.
    Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.; Под ред. С.В.
    Якубовского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985.
 5. Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) -  М. Патриот, 1993.


смотреть на рефераты похожие на "Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы"