Техническое задание

Разработать аналого‑цифровой преобразователь поразрядного уравновешивания с устройством выборки‑хранения, автоматической начальной предустановкой в исходное состояние и различными видами запуска (ручным, от внешнего генератора, от внутреннего генератора) со следующими основными характеристиками:

• Пределы измерения напряжения ±10,24 В

• Класс точности (c/d) 0,05/0,02

• Входное сопротивление, не менее, МОм 1

• Быстродействие, не менее, изм/сек 10000

• Выходной код любой

• Диапазон рабочих температур, °С -10…+80

• Апертурная неопределенность, нс 20

• Потребляемая мощность, не более, Вт 10.

Н епрерывный спектр входного сигнала имеет следующий вид:

f_C1=80 кГц, f_C2=140 кГц

ВВЕДЕНИЕ

Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называют устройство позволяющее осуществить переход от информации в аналоговой форме к информации в цифровой форме.

АЦП решают задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу цифрового кода.

АЦП предназначены для сопряжения современных аналоговых измерительных систем с цифровыми системами обработки информации. Кроме того, АЦП широко используют для ввода в ЭВМ аналоговых данных , при цифровом измерении аналоговых сигналов, для перехода к цифровым сигналам в системах автоматического регулирования и управления. Вместе с ЦАП рассматриваемые преобразователи используют в микропроцессорных устройствах. По принципу работы АЦП разделяют на следующие группы:

• параллельные преобразователи. Отсчеты выбираются одновременно несколькими (n-1) компараторами, которые обеспечивают n ступеней квантования. Из входных сигналов компараторов с помощью логических элементов образуется слово, содержащее N бит (r = 2ⁿ). Достоинство параллельных преобразователей состоит в их быстродействии (> 50 МГц), но из-за большого числа одновременно работающих компараторов реализуемая разрешающая способность ограничена значением N 10..12 бит (r1024..4096 ступеней, компараторов на один больше).

• Последовательные преобразователи (поразрядного взвешивания). Входной сигнал с помощью одного компаратора поочередно сравнивается с несколькими (N) различными опорными уровнями, выделяемые по заранее рассчитанной программе. Преобразование слова состоящего из N бит, требует N шагов и, следовательно, цифро-аналогового преобразователя с разрешающей способностью N бит. Зато доступный этому способу поток информации увеличивается в N раз. Построенные по этому принципу АЦП позволяют работать с разрешающей способностью не менее 16 разрядов на отсчет при частоте дискретизации более 50 кГц.

• Числовые преобразователи (преобразователи с двойным интегрированием). Конденсатор, получивший заряд от входного сигнала, разряжается на один или несколько источников опорного тока в схеме выборки хранения. Длительность разряда (количество импульсов данного числа) является при этом мерой напряжения сигнала. Данный метод (последовательного счета) требует большого времени преобразования, но позволяет получать разрешающую способность больше 16 бит.

Требования в отношении точности преобразования (линейность, формат и др.) определяются разрешающей способностью. Обычно в качестве предельной величины принимают половину младшего значащего разряда. В системах звукопередачи наиболее важной характеристикой величиной является монотонность характеристики квантования.

Принцип действия АЦП последовательного приближения заключается в следующем: имеется набор эталонов напряжения пропорциональных по значению степеням числа 2,которые сравниваются с аналоговой величиной. Сравнение начинается с эталона старшего разряда. В зависимости от результата сравнения формируется значение старшего разряда следующим образом: если эталон больше входной величины, то в старшем разряде

ставится “0”, в противном случае “1”. Затем входная величина уравновешивается следующим по значению эталоном. Если эталон равен или меньше входной величины, то в старшем разряде выходного кода ставится “1” и в дальнейшем уравновешивается разность между входной величиной и первым эталоном и т.д.

Особенность работы АЦП последовательного приближения состоит в том, что в каждом из N тактов должно отводится примерно одинаковое время на завершение всех переходных процессов. Только в этом случае будет достигнута точность соответствующая N разрядам.

1. ВЫБОР СПОСОБА РЕАЛИЗАЦИИ ЦИУ

С труктурная схема ЦИУ имеет следующий вид :

Рисунок 1.1

На структурной схеме условно обозначены:

1 – Входная часть

2 – Фильтр низких частот

3 – Схема определения знака

4 – Схема выделения абсолютного значения

5 – Устройство выборки-хранения

6 – Компаратор

7 – Регистр последовательного приближения

8 – выходной регистр

9 – Источник опорного напряжения

10 – Цифроаналоговый преобразователь

11 – Делитель частоты

12 – Генератор тактовых импульсов

13 – Схема запуска

ЦИУ состоит из входной части, включающей в себя повторитель напряжения и активный фильтр 4-го порядка , схемы двухполупериодного выпрямителя, источника опорного напряжения, устройства выборки-хранения, устройства сравнения представляющего собой компаратор, регистра последовательного приближения, цифроаналогового преобразователя (ЦАП), генератора тактовых и синхронизирующих импульсов и выходного регистра.

Входной повторитель предназначен для обеспечения заданного значения входного сопротивления (не менее 1МОм)

Фильтр низких частот исключает перекрытие спектров, появляющихся при дискретизации, а также их интерференцию. Схема определения реализована посредством на основе компаратора на один из входов которого подается сигнал, а на другой подается потенциал “земли”.

Функцию взятия мгновенного значения аналогового сигнала и его хранение осуществляет устройство выборки-хранения, реализованное на AD783.

Необходимость его введения объясняется такой особенностью АЦП поразрядного уравновешивания: входной сигнал должен быть неизменен на время его преобразования.

ИОН нужен для получения точного опорного напряжения на входе ЦАП.

Генератор осуществляет функцию тактирования регистра последовательного приближения и ЦАП, а также стробирования УВХ. Этот генератор выполнен на специальной микросхеме 531ГГ1 с применением кварцевого резонатора.

Схема сравнения (на компараторе 597СА2), регистр последовательного приближения (АМ5024) и цифро-аналоговый преобразователь (КР594ПА1) образуют собственно аналогово-цифровой преобразователь последовательного приближения.

Входной регистр используется для хранения результата преобразования до появления следующего результата измерения

2. Расчет ОСНОВНЫХ параметров УСТРОЙСТВА.

2.1. РАСЧЕТ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ.

2.1.1. Определение частоты дискретизации по теореме Котельникова.

Д ля определения частот дискретизации необходимо найти значение fb по огибающей спектра сигнала, установленной в техническом задании.

Рисунок. 2.1.1.1

1) Определим общую площадь спектра в относительных единицах [Гц*В]

Sобщ = S1 + S2 = SABDE + SBDC

2) Площадь прямоугольника ABDE определим следующим образом:

S1(ABDE) = AB * AE = 80*10³ * 10.24 = 819.200*10³ Гц В

3) Тогда Sобщ т.е. суммарная площадь спектра в относ. единицах (Гц В)

Sобщ = S1 + S2 = SABDE + SBDC = 819,2 10³+ 307,2 10³ =1126,4*10³ (Гц В)

4) fb – частота спектра на которой мощность сигнала составляет 0,5%

мощности всего спектра.

S3(5%)(от Sобщ) = 0.05*358.4*10³ = 56.32*10³ (Гц В)

Из построения видно, что коэффициент наклона отрезков BC и CD равен

В / Гц

Тогда площадь треугольника S3 определится как

Гц

Теперь определим верхнюю граничную частоту

Fb = fc2 – FC = 140 * 10³ - 20.9762*10³ = 119.023*10³ Гц

Согласно теореме Котельникова fд = 2fв, соответственно

fдmin = 2* 119.023* 10³ = 238.046* 10³ Гц

При преобразовании сигнала предполагается выпрямление его мостовой схемой, что влечет удвоение частоты дискретизации, т.е.

fд=2fд= 476,092 10³ Гц

С учетом коэффициента запаса 20% значение частоты дискретизации составит:

Fд = 476,092*10³*1,2=571,310*10³

Зададимся частотой дискретизации Fd = 600 кГц.

2.1.2. Расчет частоты дискретизации по неравенству Бернштейна

Воспользуемся неравенством Бернштейна согласно которому:

Частота дискретизации находится как

где wв = 2 fв = 2* 3,14 * 119,023*10³= 747,844*10³

U_max – максимальное значение входного сигнала;

Гц

Отношение частот дискретизации, полученных по Бернштейну и по Котельникову:

2.2. РАСЧЕТ РАЗРЯДНОСТИ.

Расчет необходимого числа разрядов выполняем исходя из требуемой погрешности преобразования (0.05/0.02), т.е. разрешающая способность ЦИУ не должна быть меньше, чем минимальная погрешность (в данном случае 0.05 %):

,

где m – число двоичных разрядов АЦП.

Исходя из этого неравенства, получим, что m  11. По указанию консультанта выбираем m = 12.

Шаг квантования

При U_оп = 10.24 В

h  2.5 мВ.

3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА

Далее будет приведен расчет номиналов элементов входящих во все основные функциональные узлы устройства. Также для рассчитанных теоретических значений номиналов будет приведен их ближайший элемент из ряда (для резисторов и конденсаторов) а для интегральных микросхем – обоснование их применения в конкретном случае.

3.1 ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Входная часть обеспечивает заданное значение входного сопротивления (не менее 1 МОм) и выполнена на основе интегрального ОУ 140УД26А с соответствующими параметрами:

Рисунок 3.1.1

Наибольшее входное сопротивление обеспечивается при включении ОУ по схеме с единичным коэффициентом усиления. Так как входное сопротивление определяется в основном значением резистора R1 ,то примем его равным 1МОм.

3.2 ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ

Аналоговый (непрерывный во времени) сигнал выхода повторителя напряжения подается на фильтр, ограничивающий его частотную полосу.

При дальнейшей дискретизации спектр полученного импульсного сигнала (в своей нижней части (0..Fа) повторяет спектр исходного сигнала, а выше содержит ряд отражений (зеркальных спектров) которые расположены вокруг частоты дискретизации Fд и ее гармоник (боковой частоты)

При этом первое отражение спектра от полосы частоты Fд в случае Fд=2Fа непосредственно за полосой исходного сигнала, и требует для его подавления фильтра с более высокой крутизной среза.

В АЦП фильтр устанавливается на входе, чтобы исключить и их интерференцию. Для этого необходимо , чтобы фронты характеристики пропускания фильтра были по возможности более крутыми.

Затухание в полосе пропускания, допустимое отношение сигнал/шум и нелинейные искажения выбираются в зависимости от требуемой точности аналогового фильтра. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания фильтра не должна превышать 0,5дБ.

Всем вышеперечисленным требованиям удовлетворяет фильтр Баттерворта, обеспечивающий максимальную равномерность АЧХ в полосе пропускания.

Рисунок 3.2.1

Для расчета фильтра необходимо определить порядок фильтра.

П орядок фильтра находим по наклону асимптоты спектра по формуле:

[3.2.1]

Р ассчитываем и находим:

Полученный коэффициент пропускания реализуется непосредственно фильтром 4-го порядка.

Четвертый порядок получаем последовательным соединением двух каскадов прототипной структуры 2-го порядка

[3.2.2]

Вид полинома Батеерворта 4-го порядка:

В данном случае весьма эффективно применение фильтра фирмы Sallen&Kelly схема которого показана на рисунке 2.

Рисунок 3.2.2

При fср = 80кГц , коэффициент пропускания A = 1

Н ачнем расчет с выбора емкости C1:

C1 рекомендуется брать примерно равной 10/fc (мкФ) =

C2 находим из неравенства

С опротивление = 20354,58 Ом

Сопротивление = 25501,79 Ом

3.3 Схема преобразователя средневыпрямленных значений.

Для получения абсолютного значения напряжения измеряемого сигнала на входе АЦП используется выпрямитель среднего значения, позволяющего получить на выходе напряжение постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного напряжения.

И спользуем схему ыпрямителя, показанную на рисунке 3.3.1

Рисунок 3.3.1

Достоинство такого решения – близкое к нулю выходное сопротивление, вне зависимости от знака входного сигнала. При Uвх > 0 входное напряжение через резистор R2 проходит на вход повторителя, выполненного на ОУ DA2 , и таким образом получаем Uвых = Uвх. Диод VD2 при этом закрыт и напряжение с выхода ОУ DA1 никак не влияет на состояние ОУ DA2.

При Uвх < 0 диод VD2 открывается и повторитель на ОУ DA2 оказывается подключенным к выходу ОУ DA1. Обратная связь замыкается через резистор R3 и Uвых = -Uвх*R3/R1.

Выбираем следующие номиналы элементов:

R1,R2: C2-29B-0.25-100 кОм0,05%

R3: C2-29B-0.25-91 кОм0,05%

VD1,VD2: КД522А

3.4 Генератор тактовых и стробирующих импульсов

Генератор выполняет функцию тактирования регистра последовательного приближения в схеме АЦП (с частотой 42 МГц), а также стробирования УВХ (с частотой 700кГц).

Генератор выполнен на интергральной микросхеме 531ГГ1.Схема изображена на рисунке 6. Для фиксирования заданной частоты генерации ( на вход D1 (вывод 14) подать высокий уровень “1”; а на вход УЧ (вывод 1) низкий уровень напряжения) к выводам 12 и 13 необходимо подключить пьезорезонатор.

С выхода автомультивибратора Q1 (вывод 10) получим выходную последовательность импульсов с заданной частотой (42МГц) определяемой кварцевым резонатором.

Рисунок 3.4.1

Схема работает следующим образом: с выхода генератора импульсы с заданной частотой поступают на вход стробирования регистра последовательного приближения АМ5024.

Частота стробирования УВХ получается делением частоты генератора на 30.

3.5. Выходной регистр

Для хранения результата преобразования, а также знака измеряемого сигнала используем 16 разрядный выходной регистр на двух микросхемах К1533ИР23.

К1533ИР3 – восьмиразрядный регистр на D-триггерах

Регистр ИР23 принимает и отображает информацию синхронно с положительным перепадом тактового импульса подаваемого на вход C с частотой 21 МГц. При поступлении на вход E0 напряжения низкого уровня данные из D-триггеров регистра пройдут на выходы Q0..Q7.Т. е. Вывод E0 является выводом разрешения.

3.6 ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В качестве источника опорного напряжения выбираем прецизионный ИОН AD586M. Его основные особенности:

• высокая точность за счет лазерной подгонки

• откалиброванный температурный коэффициент 2ppm/C

• возможность снижения шума, малый ток покоя

• возможность подстройки выходного напряжения

Данный ИОН рекомендуется для 8,10,12,14,16 – разрядных ЦАП.

Предельные допустимые значения электрических параметров и режимов смотреть в приложении Б.

В нешний вид и цоколевка приведены на рисунке 3.6.1.

Рисунок 3.6.1

3.7 УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ.

Для работы АЦП поразрядного уравновешивания сигнал на входе АЦП должен быть неизменен в течении времени преобразования.

Для удовлетворения этого требования на входе АЦП помещена схема выборки-хранения.

Основное ее назначение – взятие выборок аналогового сигнала и его хранение в течении некоторого промежутка времени ,определяемого периодом выборки, т.е. выполнение стробирования.

При расчете УВХ необходимо учитывать, что взятие выборки должно быть по возможности более быстрым (в идеале tвыб = 0,реально tвыб = 1мкс), должно следовать с эквидистантными и точно соблюдаемыми интервалами времени.

Время хранения должно быть равным времени одного цикла преобразования аналог – цифра.

П ри тактовой частоте fтакт = 21 МГц, время одного цикла преобразования АЦП находится следующим образом.

Где N – разрядность АЦП (N = 12)

Рассчитываем и находим:

П ри частоте дискретизации fдискр = 600 кГц,

интервал дискретизации

т ак как интервал дискретизации определяется следующим образом:

то время выборки определится как:

Введение УВХ позволяет существенно снизить динамическую погрешность преобразования.

Однако согласно расчетам при tвыб = 5  6 зар для данного АЦП получаем

Т.е. УВХ с малой постоянной времени RC-цепочки на интервале стробирования.

В этом случае плохо сглаживаются выбросы в составе входного сигнала, что ведет к появлению дополнительных погрешностей.

Для компенсации погрешности недозаряда, устанавливаем два УВХ. Высокое входное сопротивление позволяет объединить их по входу, а выходы коммутировать с помощью аналогового ключа ADG 723, быстродействие которого составляет 15 нс. Подробное описание этой микросхемы смотрите в приложении Б.

Управление УВХ и аналоговым ключом осуществляется посредством микросхемы логического элемента DD3.

В качестве УВХ используем микросхему AD783. Это высокоскоростное устройство выполненное по Bi-CMOS технологии. Основные достоинства

д анного УВХ – высокое быстродействия и низкий уровень шума биполярных структур. Максимальное время установления УВХ по уровню 0,01% составляет 700 нс. Апертурное время не превышает 15 нс. Значение выборки изменяется со скоростью 0,01мкВ/мкс. AD 783 имеет внутренние цепи коррекции температурной погрешности и погрешности хранения.

Внешний вид и цоколевка представлены на рисунке 3.7.1.

Емкость конденсатора хранения находим по следующей формуле:

П римем R = 1кОм,тогда

Cхр = 52пФ,ближайший к этому номинал 50пФ.

Выбраны следующие элементы в устройстве выборки-хранения:

R : C2-29B-0.25-1 кОм0,05%

Cхр :K71-6-300B-50пФ0,05%

DD3: 1533ЛА11

DA11,DA14: AD783

DA12: ADG723