реферат, рефераты скачать Информационно-образоательный портал
Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,
реферат, рефераты скачать
реферат, рефераты скачать
МЕНЮ|
реферат, рефераты скачать
поиск
Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

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.



© 2003-2013
Рефераты бесплатно, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.