Построение аналогово-цифрового устройства

Рис.10. Выпрямитель средних значений

Сопротивления резисторов выбирается таким образом:

R6 = R7 = R8 = R11 - С2-29В - 0,25 – 10кОм ±0,05 % (из ряда Е192),

R9 = R1/2 = 4,99кОм - С2-29В - 0,25 – 4,99кОм ±0,05 % (из ряда Е192)

В качестве выпрямительных элементов используем тип диодов VD1 и VD2 – 1N3595..

Резистор R10=R12 предназначен для внешней балансировки (установка нуля) микросхемы ОУ К140УД26А (стандартная схема включения). Резисторы типа СП3-16а – 0,125 - 10кОм с допуском ±10% (из ряда Е6).

6.Аналого-цифровой преобразователь.

Аналого-цифровое преобразование производится по методу двоично-взвешенного преобразования. Схема АЦП (рис.14) реализуется на РПП (регистр последовательных приближений), ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) и компараторе. Технические характеристики РПП, ЦАП и компаратора приведены в приложении.

Рис.12. АЦП с поразрядным уравновешиванием.

Выбираем регистр последовательных приближений DM54LS502 (рис.13).

Рис.13. РПП.

Принцип работы: на вход СР подаются тактовые импульсы частотой 32МГц, при подаче на вход S напряжения низкого уровня происходит сброс выходного значения РПП, и начинается новый счёт; выход СС сигнализирует о завершении преобразования. Если нам необходимо, что РПП работал циклически, то выход СС нужно соединить со входом S.

Можно реализовать ручной запуск АЦП, для этого на вход S подается кратковременный сигнал низкого уровня, после которого запускается РПП и по окончанию счёта останавливается.

 

Цифро-аналоговый преобразователь.

Выбрали цифро-аналоговый преобразователь фирмы Intersil HI5660 (рис.14). Время установления выходного сигнала tуст = 3нс.

Рис.14. ЦАП.

 

ЦАП имеет токовый выход, поэтому используется преобразователь ток-напряжение DA2. Выходное напряжение рассчитывается как:

максимальный выходной ток ЦАП  Iout = 20мА (если на все входы DB0…DB7 поданы лог. 1), максимальное выходное напряжение Uвыхmax = 5В. Тогда сопротивление резистора

 

Из-за погрешности полной шкалы значение выходного тока ЦАП может меняться в пределах ±2%. У данной микросхемы ЦАП имеется вход FSADJ, куда подключают резистор и меняя его сопротивление можно изменять шкалу выходного тока, тем самым снижая погрешность полной шкалы. Рекомендуется определять сопротивление из формулы

для HI5660 UFSADJ = 1,16В и R14 = 1,87кОм, если не учитывать погрешность.

Номиналы резисторов выбираем из ряда Е192. Тип резисторов – С2-29В - 0,25, точность ±0,05 %.

 

7.Устройство выборки-хранения.

Основное назначение УВХ (рис.15)– выборка мгновенного значения аналогового сигнала и его хранение (запоминание) в течение некоторого промежутка времени, определяемого периодом выборки, т.е. выполнение операций стробирования.

Необходимость в УВХ возникает при решении задач минимизации динамических погрешностей аналого-цифровых преобразователей.

Установка устройства выборки -хранения на вход АЦП будет сохранять отсчет постоянным в течение всего времени преобразования и поможет избежать апертурой погрешности.

В качестве УВХ взята микросхема SHC605 (описание в приложении).

Рис.15. Устройство выборки-хранения.

 

 

 

8.Выбор схемы управления.

Устройство управления является «ядром» схемы, оно управляет всеми компонентами, а также обеспечивает переключение режимов.

В данной схеме в качестве устройства управления применён микроконтроллер PIC18F4455(рис.16). Его характеристики даны в приложении. Такое решение позволяет сделать систему гибкой, уменьшить энергопотребление и количество корпусов микросхем.

 

Рис.16. Микроконтроллер PIC18F4455

 

Управление всеми микросхемами, выбор режимов и тактирование определяются программой микроконтроллера. Ко входам OSC1 и OSC2 подключается кварцевый резонатор на частоту 4 МГц. Также между этими выводами и землёй подключаются два конденсатора емкостями 22 нФ.

Микроконтроллер имеет встроенный USART, выводы RC6 и RC7 после программирования играют роли TX и RX интерфейса USART.

Для повышения надёжности схемы вставлена гальваническая развязка, построенная на двух микросхемах HCPL-0710 (описание в приложении).

Рис.17. Гальваническая развязка

 

Вход и выход микросхемы HCPL-0710 имеют индивидуальные выводы для питания, что позволяет легко согласовать логические уровни сигнала.

 

9.Расчет погрешностей.

Погрешности в зависимости от возникновения разделяются на:

1. Методическая – происходят  от несовершенства метода измерений.

2. Инструментальные - происходят от  несовершенства средств измерений.

Погрешности средства измерения зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительную. Основной погрешностью средства измерения называют погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства. Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений.

В зависимости от измеряемой величины погрешности средства измерений разделяют на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) погрешности измеряются пропорционально измеряемой величине.

Относительная основная погрешность:

Рассчитаем погрешности каждого звена схемы в отдельности.

Погрешность входного повторителя:

1. Погрешность (аддитивная) от напряжения смещения нуля:

2. Погрешность (мультипликативная) коэффициента усиления:

Погрешность ФНЧ:

а) напряжения смещения:

duсм =

*100% = %     

б) погрешность коэффициента усиления:

ΔК = 1-0,999999=0,000001

ΔК =ΔК/К*100% = 0,0001%.

в) Погрешность (мультипликативная) от разброса сопротивлений резисторов:

Погрешность УВХ:

1. Погрешность установления  выходного сигнала (мультипликативная)

2. Погрешность напряжения  смещения:

 Устраняется регулировкой.

3. Погрешность от разброса  сопротивлений резисторов:

Погрешность ЦАП:

1. Погрешность напряжения  смещения:

2. Погрешность полной шкалы:

Уменьшается подбором сопротивления резистора RSET подключаемого ко входу FSADJ ЦАП.

3. Погрешность квантования:

Эту погрешность можно уменьшить подбирая сопротивление резистора Rset подключаемый ко входу FSADJ ЦАП.

Погрешность компаратора:

1. Погрешность нечувствительности:

Погрешность выпрямительного каскада

а) напряжения смещения:

duсм = *100% = %

Мультипликативная погрешность:

Погрешности напряжения смещения нуля операционных усилителей устраняются регулировкой, погрешность коэффициента усиления входного повторителя и ФНЧ малы, поэтому их можно не учитывать.

Для нахождения основной суммарной погрешности АЦП примем во внимание, что имеет место нормальный закон распределения статистической вероятности. Следовательно, итоговая погрешность будет вычисляться по формуле:

;                                                 

;

Погрешность разработанного АЦП 0,4/0,08 что соответствует техническому требованию, по которой погрешность должна быть 0,5/0,1.

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В данной курсовой работе разработан АЦП последовательного приближения со следующими техническими характеристиками:

 

- входное сопротивление - 6,5 МОм;

- частота дискретизации  1,9472 МГц;

- класс точности 0,5/0,1;

- число каналов  7;

- разрядность 8.

 

Разработанный АЦП имеет возможность работать как от внутреннего генератора, так и от внешнего. Режим преобразования может быть однократным или циклическим. Предустановка АЦП в исходное состояние происходит автоматически. Выбор номера датчика производится циклическим перебором. Разработанный АЦП соответствует требованиям технического задания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых измерительных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. – 528с.

2. Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1981. – 335 с., ил.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. 7-с. – М.: Мир, БИНОМ. 2010. – 704 с. ил.

4. Джонсон Д. Справочник по активным фильтрам: Пер. с англ./Д. Джонсон, Дж. Джонсон, Г. Мур. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 128 с., ил.

5. Айфичер Э. С., Джервис Б. У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. :Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 992 с. ил. – Парал. тит. Англ.

6. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 528 с.: ил.

7. Аксенов А. И., Нефедов А. В. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы: Справочное пособие. 2000. – 239 с., ил.

8. С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ Москва, 1989г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема.

 

1. Входной мультиплексор

2. Повторитель напряжения

3. Микроконтроллер

4. Фильтр нижних частот 

5. РПП

6. Выпрямитель 

7. Устройство сравнения

8. Устройство выборки-хранения

9. ЦАП