Министерство образования и науки Российской Федерации

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

















Пояснительная  записка



к  курсовому проекту



по дисциплине «Электротехника и электроника»



«Кодоимпульсный аналого-цифровой преобразователь»





Принял: Преподаватель

______________________

               подпись, дата

Выполнил: студент

гр.

_______________________

                подпись, дата















Омск –


Реферат



Пояснительная записка 18 с., 8 рис., 6 табл., 12 источников

СЧЕТЧИК, ЦАП, КОМПАРАТОР, РЕГИСТР, ЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОСХЕМА, операционный усилитель.

Цель работы – разработка кодоимпульсного аналого-цифрового преобразователя с возможностью считывания результатов в ЭВМ, работающего в автоматическом режиме и  имеющей большое входное сопротивление.
Содержание



Введение. 6

1 Расчет на структурном уровне. 7

1.1 Распределение погрешностей. 8

1.2 Счетчик. 8

1.3 Опорный генератор. 8

1.4 Компараторы.. 8

1.5 ЦАП.. 9

2 Расчет электрической схемы... 10

2.1 Выбор схемы.. 10

2.2 Выбор элементов схемы.. 10

3 Анализ метрологических характеристик.. 15

4 Электрическое моделирование. 17

Список литературы... 19

Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, осуществляющее преобразование непрерывно изменяющегося аналогового сигнала в цифровой код.

В кодоимпульсном АЦП дискретизация происходит по величине напряжения. Метод преобразования характеризуется наличием нескольких мер, равных числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной [6].
1 Расчет на структурном уровне
В основе проектирования АЦП было положено кодоимпульсное преобразование, реализующее следящее уравновешивание.

В качестве базовой была взята схема из [6], реализующая выбранный метод преобразования. Эта схема, несколько преобразованная, изображена на рисунке 1.




Рисунок 1 – Преобразованная схема АЦП

Порядок следования сигнала следующий: на входы операционного усилителя подается входное напряжение и, компенсирующее его, напряжение с ЦАП (при этом усилитель в зависимости от разности напряжений может работать и в своем основном режиме и в режиме насыщения, алгоритм работы такой, что разностный сигнал удерживается в пределах разрешающей способности АЦП). Далее с помощью двух компараторов и схемы 2ИЛИ происходит определение режима изменения кода в зависимости от полярности сигнала. После этого сигнал подается на счетчик, который выполняет тактирование (по входу С), при этом счетчик работает только тогда, когда с блока управления есть разрешающий сигнал (по входу R). Далее используя ЦАП, сигнал преобразуется в напряжение и выводится для сравнения с заданным входным. Процесс повторяется снова.

Таким образом, по истечению времени преобразования, в счетчике мы получим требуемое значение.

1.1 Распределение погрешностей

Исходя из требований ТЗ погрешность АЦП не должна превышать 1%. За максимальную методологическую погрешность (прежде всего погрешность дискретности) взята

δ_м =0.25%

Отсюда на приборную погрешность приходится:

δ_п=1% - δ_м=0.75%

По основной цепи преобразования распределение погрешности представлено в Таблице 1

Таблица 1

Элемент	Допустимая погрешность
Усилители	≤0.01%
Компараторы	≤0.01%
Схема И-НЕ	~0%
Схема ИЛИ	~0%
Счетчик	~0%
АЦП	0.1%

1.2 Счетчик

В качестве счетчика берется двоичный реверсивный счетчик. Его разрядность определяется исходя из величины методологической погрешности (δ_м)

Вначале определяется ступень квантования:

Δ=0.0025*10=0.025

Соответственно емкость счетчика высчитывается следующим образом:

                                                                                                            (1)

Отсюда разрядность счетчика N=9 (наименьшая целая степень двойки при которой получается число покрывающая емкость счетчика).

1.3 Опорный генератор

Частота опорного генератора высчитывается по формуле из [6]:

МГц                                                                                                 (2)

1.4 Компараторы

В связи с заданием ступени квантования важно определить для компаратора опорное напряжение и максимальную ширину зоны неопределенности, это можно сделать по формуле 3 из [6].

                                                                                                   (3)

                                                                                   (4)

1.5 ЦАП

ЦАП в схеме должен быть девяти разрядным. Согласно [3] такой ЦАП в униполярном режиме не поддерживается стандартом. Поэтому в данной схеме берется десятиразрядный ЦАП, после которого строится усилительная схема для соответствия входных активных разрядов и выходных напряжений, а также умножения напряжения.

Так, если при 10 разрядах напряжение было U_max=1В, то

                                                                                                      (5)

В тоже время максимальное выходное напряжение должно соотносится к коду на входе системы, так чтобы при максимуме мы получили 10 В (для минимального это соотношение выполняется U_min=0). Для этого необходимо подобрать коэффициент усиления:

0.9К=107

К=10/0.9=11,11

Корректирующее устройство представляет собой инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 11,11 и максимальным выходным напряжением не менее 10 В.

2 Расчет электрической схемы

2.1 Выбор схемы

В качестве элементарной базы было выбрано КМДП так как:

·        Она способна обеспечить заданное быстродействие

·        Эта серия является полной и способной синтезировать АЦП, заданного вида

·        По энергопотреблению серия является рекомендуемой, т.к. считается, что при частоте меньшей 3МГц потребление мощности на схемах КМОП меньше чем у ТТL  (в данной схеме f = 0.4 МГц).

2.2 Выбор элементов схемы

2.2.1 Регистр

Для соединения АЦП с ЭВМ, чтобы исключить взаимное влияние необходимо поставить регистр, который изображен на рисунке 2.

Рисунок 2- Регистр 530ИР22

Регистр КР531ИР22 предназначен для хранения восьмиразрядного слова, записываемого и считываемого в виде параллельного кода. Запись кода производится асинхронно при действии напряжения логической 1 на входе L. При записи на выходах Q формируется записываемый код. Для перевода регистра в режим хранения необходимо на вход L подать напряжение логического 0. При записи кода и его хранении на входе OE должно действовать напряжение логического 0.

Перевод регистра в третье состояние выходов Z (состояние высокого импеданса) осуществляется подачей напряжения логической1 на инверсный вход OE.

2.2.2 ЦАП

В качестве ЦАП выбрана микросхема КР752ПА1[5]. Это 10-разрядный ЦАП (рисунок 3), выполненный по КМОП технологии с коэффициентом нелинейности δ=0,1%





Рисунок 3 ЦАП КР752ПА1

В Таблице 2 приведены основные параметры ЦАП [11]:

Таблица 2 - Основные параметры ЦАП

Число разрядов	10
Время установления	5 мкс
Δ	0,1%
Максимальное выходное напряжение	1 В
Uоп	10.24
Uип	5.4

2.2.3 Усилитель

В качестве элементной базы для всех усилителей схемы (если это специально не оговорено) выбрана микросхема К140УД7. Она имеет параметры [11],которые отображены в таблице 3:

Таблица 3

Коэффициент усиления напряжения	50000
Дрейф напряжения смещения	6МкВ/˚C
Входное напряжение	12 В
Выходное напряжение	11,5 В
Напряжение источника питания	±15 В

2.2.4 Сравнивающий усилитель

В соответствии с ТЗ должно обеспечиваться подключение к АЦП нагрузки не менее 1МОм.

На рисунке 4 представлена схема подключения через повторитель напряжения, называемый также буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).



Рисунок 4 – Повторитель напряжения

Входное сопротивление для повторителя напряжения может быть равным многим сотням мегом на низких частотах, а выходное сопротивление меньше 1Ом, поэтому используется не взятая за базисную микросхема К140УД7, а импортный усилитель NE5534, который предназначен для работы на нагрузку до 600 0м.

Далее в каскаде с повторителем напряжения используется дифференциальный усилитель, для которого справедливо следующее соотношение[10]:

                                                                                                         (8)

2.2.6 Компараторы

Элементная база компаратора представляет собой микросхему КМ594СА3[11], совместимой с КМОП цифровыми микросхемами.

Основные характеристики компаратора приведены в Таблице 4:


Таблица 4 – Основные характеристики компаратора

Напряжение источника питания Uп	±15 В
Время задержки tЗ	200нс
Коэффициент усиления Kу	150000
Напряжение смещения нуля Uсм	0,003 В

2.2.7 Счетчик

Девятиразрядный двоичный реверсивный счетчик построен на трех четырехразрядных серии К564ИЕ11[5]. Условное графическое обозначение микросхемы К564ИЕ11 изображено на рисунке 5.




Рисунок 5 – Счетчик

D1, D2, D3, D4–вход установки 1‑го, 2‑го, 3‑го и 4‑го разрядов соответственно; V–вход разрешения установки; P0–вход переноса; ±1–вход определяющий режим сложение/вычитание; Q1, Q2, Q3, Q4–выходы соответствующих разрядов; p-выход переноса.

Для синтеза девятиразрядного счетчика необходимо знать таблицу истинности данного устройства. Таблица истинности данного счетчика соответствует таблице 5

Таблица 5

Вход переноса	Сложение / вычитание	Разрешение установки	Установка нуля	Действие
P0	±1	V	R
1	X	0	0	Нет счета
0	1	0	0	Работа на сложение
0	0	0	0	Работа на вычитание
X	X	1	0	Установка
X	X	X	1	Установка нуля

Связь счетчиков осуществляется через соединение выхода переноса младшего к входу старшего.

Режимы Сложение/Вычитание осуществляются в младшем счетчике. Когда компаратор зафиксирует выход за пределы разрешающей способности (что соответствует тому, что нужно увеличить модуль напряжения) на сумматор в соответствующий вход поступает высокий уровень и он работает на сложение.

3 Анализ метрологических характеристик

Разработанное устройство полностью соответствует техническим требованиям, изложенным в техническом задании. В устройстве использованы быстродействующие микросхемы (операционный усилитель К140УД7, компаратор КМ597СА3, ЦАП КР572ПА1, регистр 530ИР22).

Устройство обеспечивает работу в необходимом динамическом диапазоне. Диапазон входного напряжения, исходя из способа построения (это подразумевалось при подборе ступени квантования, разрядности счетчика, ЦАП и, в целом, конструируемого АЦП) рассчитан на напряжение до минус 10 В. Входное сопротивление более 1 Мом, благодаря использованию повторителя.

Время преобразования выбрано равное 1 с. обеспечено благодаря выбору тактовой частоты генератора, что соответствует требованиям ТЗ.

В связи с использованием обратной связи устройство работает в автоматическом режиме.

Аддитивная погрешность складывается из суммы аддитивных погрешностей четырех усилителей (вне зависимости от схемы их включения), и аддитивной погрешности ЦАП. Используемые при расчете аддитивной погрешности характеристики приведены в таблице 6. Характеристики прочих звеньев главного круга преобразования не включены, т.к. подразумевается, что цифровые элементы данным видом погрешностью не обладают, а точность компаратора, с которой он может входной и опорный сигнал достаточна велика.

Таблица 6 – Характеристики

Параметр	Значение
Дрейф напряжения смещения (в усилителях)	6мкВ/С°
Коэффициентом нелинейности для ЦАП (δ)	0,1%

Будем искать погрешности, в том числе аддитивную, для входной величины, равной ступени квантования (в данном случае она максимальна) по формуле 9 из[7]:

                                                               (9)

где С — суммарная аддитивная погрешность устройства; δ1, δ2—аддитивные погрешности усилителей и ЦАП соответственно

Мультипликативная погрешность (возникает при изменении коэффициентов преобразования), будет складываться за счет некоторых факторов, таких как точный подбор резисторов в схемах включения усилителей (они обладают своей точностью). Если погрешность, возникающая при этом порядка d=0,05%, то по формуле из [7] получим предел относительной основной погрешности:

                                    (10)

Полученная погрешность носит лишь оценочный характер. Введу сложности устройства, более точно погрешность может быть оценена путем моделирования.

4 Электрическое моделирование

Моделирование схемы проводилось в пакете программ схемотехнического моделирования Micro-Cap 7.0.

В качестве устройства для моделирования было предложено смоделировать работу генератора. В программе MicroCap была создана схема, показанная на рисунке 6.



Данная схема представляет собой простейший кварцевый генератор на микросхемах КМОП Х1 и Х2. На данной схеме вместо кварца был использован импульсный генератор V1.

На рисунке 7 изображен выходной сигнал модели и выходной сигнал


Рисунок 7 – Выходной сигнал модели

На рисунке 8 изображен выходной сигнал в промежутке времени между преобразованиями.



Рисунок 8 – Выходной сигнал в промежутке времени между преобразованиями