Техническое задание

Разработать аналого-цифровой преобразователь с входным мультиплексором, устройством выборки-хранения, автоматическим выбором пределов измерения, автоматической начальной предустановкой в исходное состояние, автоматическим циклическим выбором номера датчика и различными видами запуска (ручной, от внешнего генератора, от внутреннего генератора) со следующими основными характеристиками:

Пределы измерения напряжения, В: 0,1; 1; 10

Класс точности (c / d): 0,5 / 0,01

Входное сопротивление, не менее, МОм: 2

Число каналов: 8

Время измерения по одному каналу, не более, с: 5∙10^-2

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

Способ преобразования выбирается исходя из требований по точности и быстродействию АЦП.

Непрерывный спектр входного сигнала имеет следующий вид

f_c1 = 40 кГц

f_c2 = 220 кГц

f_c3 = 280 кГц

Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Разрабатываемый аналого-цифровой преобразователь является преобразователем последовательного приближения, что подразумевает наличие в его схемной реализации регистра последовательных приближений (РПП), цифро-аналогового преобразователя, преобразующего цифровой код с РПП в компенсирующее напряжение и компаратора, «взвешивающего» компенсирующее напряжение и входной сигнал. Структурная схема АЦП последовательного приближения представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема АЦП последовательного приближения

В основе работы АЦП последовательного приближения лежит принцип дихотомии, т. е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. от ее полной шкалы. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N – 1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии [1, с.444].

В данном курсовом проекте разработаны структурная и принципиальная схемы, а также проведен расчет основных характеристик функциональных узлов АЦП. Элементная база выбирается такой, чтобы обеспечить требуемые погрешности преобразования и стабильность работы в заданном температурном диапазоне.

1. Особенности построения разрабатываемого ацп

Разрабатываемый в данном курсовом проекте АЦП состоит из следующих элементов:

• Входной повторитель

• Мультиплексор

• Фильтр низких частот

• Преобразователь амплитудного значения

• Схема выбора предела измерения

• Преобразователь средневыпрямленного значения

• Устройство выборки-хранения

• Аналого-цифровой преобразователь

• Генератор тактовых импульсов

• Схема ручного запуска

• Схема синхронизации

• Схема автоматического сброса

• Схема выбора каналов

• Источник опорного напряжения

Входные повторители напряжения необходимы для получения требуемого входного сопротивления.

Схема выбора пределов измерения автоматически изменяет коэффициент передачи, т.е. приводит значение входного сигнала к основному пределу измерения, равному 3В.

Для преобразования нормализованного сигнала в цифровой код нужно входное переменное напряжение преобразовать в постоянное, а затем сформировать из него выборки посредством устройства выборки-хранения для обеспечения требуемого быстродействия.

Преобразователь средневыпрямленного значения собран на двух операционных усилителях и дает на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного напряжения.

Устройство выборки хранения выдает постоянное напряжение на входе АЦП в течение времени преобразования.

Схема определения знака построена на компараторе, который переключается при переходе входного сигнала через ноль.

Схема синхронизации обеспечивает подачи нужной тактовой частоты на АЦП и устройство выборки-хранения.

Схема ручного запуска обеспечивает подачу тактовых импульсов по нажатию кнопки.

Схема автоматического сброса используется для установки генератора тактовой частоты и счетчиков в исходное состояние.

Схема выбора каналов обеспечивает переключение каналов устройства либо ручном режиме, посредством переключения каналов с помощью кнопок, либо в автоматическом, где переключение каналов осуществляется циклически.

Как такового блока питания в схеме устройства не предусмотрено, роль питающего элемента выполняет соединитель, обеспечивающий нужные напряжения питания микросхем (рис.2).

Рис.2. Схема питания

Из справочников [3], [5] выберем резисторы и конденсаторы:

С15, С16, C17, C18: К77-4б-160В-10 мкФ±5% (из ряда Е96);

С19, С20: К10-52-П120-100В-68 пФ±5% (из ряда Е96);

R57, R58: C2-33H-0,125Вт-10 кОм ±1% (из ряда Е96);

2. Расчет основных параметров ацп

   1. Разрядность ацп

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0 … 255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 2⁸=256.

Определим разрядность АЦП, исходя из заданного класса точности. Класс точности – обобщенная характеристика средств измерения, определяемая пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности выражается одним числом, причем приведенная погрешность (в процентах) не превышает числового значения класса точности.

Если аддитивная и мультипликативная погрешности соизмеримы, класс точности выражается дробью больше единицы, записанной в виде двух чисел, разделенных косой чертой. В этом случае предельное значение относительной, погрешности, выраженное в процентах, вычисляют по формуле:

(2.1.1)

где с и d — постоянные числа, отношение которых и обозначает класс точности средств измерения, причем ;

x_max – конечное значение диапазона измерений, в данном случае это напряжение, соответствующее концу шкалы на основном диапазоне измерения;

x – значение измеряемой величины.

Числа с и d связаны с предельными значениями аддитивной и мультипликативной погрешностей соотношениями

(2.1.2)

(2.1.3)

Числа для обозначения класса точности любым способом выбирают из следующего ряда:

1-10n; 1,5-10n; 2-10n; 2,5-10n; 4-10n; 5-10n; 6-10n,

где n = 1 ; 0; -1; -2 и так далее [2].

Исходя из соотношения (3.1.1), при проектировании АЦП требуется обеспечить минимальную погрешность в конце шкалы преобразования не более 0,5%. Следовательно, шаг квантования определяется из соотношения

(2.1.4)

Значит, при U_max = 10 В,

Для АЦП существует зависимость между пределом измерения напряжения U_max и шагом квантования:

(2.1.5)

где n – разрядность АЦП.

Следовательно,

Округляя полученный результат в большую сторону, получаем n = 8.