Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский Государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика и системы управления»

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

_________ С.Н. Чижма

«___»__________________2013г.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С USB ВЫХОДОМ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Схемотехника ЭВМ»

ИНМВ.407700.000 ПЗ

Студентка гр. 20З ____________ К.В.Шумаков «__»________2013 г. Руководитель – доцент кафедры АиСУ ____________С.Н. Чижма «__»________2013 г.

Омск 2013

Реферат

УДК 681.324

Пояснительная записка содержит 36 страницы, 30 рисунков, 7 таблиц.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующий усилитель (СУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), конвертор, преобразователь DC-DC, гальваническая развязка, операционный усилитель (ОУ).

В ходе курсовой работы необходимо нарисовать функциональную и принципиальную схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выбрать микросхему АЦП в соответствии с вариантом, тип конвертора USB, преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007, демонстрационные листы выполнены в пакете Microsoft Visio 2007, моделирование схем сделано с помощью пакета Multisim 12.

Задание на курсовую работу

В ходе курсового проектирования необходимо разработать функциональную и принципиальную схему АЦП-преобразователя, рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот, выбрать микросхему АЦП, выбрать тип конвертора USB, рассчитать и выбрать преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнить моделирование схемы с помощью одного из программных пакетов схемотехнического моделирования.

Исходные данные для курсового проекта: максимальная амплитуда симметричного входного сигнала, динамический диапазон, напряжение синфазной помехи, верхняя частота спектра входного сигнала, количество входных сигналов, разрядность АЦП, выходной код АЦП – последовательный или параллельный приведены в таблице 1.

Таблица 1– Исходные данные

Вари-ант	Тип АЦП	Раз-ряд-ность АЦП	Кол-во вхо-дов	ес max, мВ	Uсинф, мВ	D, дБ	fв, кГц	Тип ФНЧ	Δf, кГц	α1, дБ	α2, дБ
77	Пар.	8	4	120	100	30	12	Чеб.	4	0,5	20

Содержание

Введение…………….……………………………………………………..………5

3.1 Выбор микросхемы АЦП 13

3.2 Микросхемы гальванической изоляции 17

3.3 Преобразователи постоянного напряжения DC-DC 20

3.4 Конвертеры USB – последовательный интерфейс. 20

3.5 Счетчики 26

Заключение 33

Приложение. Аналогово – цифровой преобразователь с USB выходом…….33

Введение

Аналого – цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему через интерфейс USB. АЦП состоит из трех частей: аналоговой части, собственно АЦП в интегральном исполнении и цифровой части. При этом в аналоговой части осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП. Микросхема АЦП осуществляет преобразование входного аналогового сигнала в последовательный или параллельный цифровой код (в соответствии с заданием). Цифровая часть устройства выполняет преобразование цифрового кода с выхода АЦП в код, передаваемый на вход микропроцессорной системы по интерфейсу USB. Питание на АЦП подается от напряжения +2.5 В и интерфейса USB, все прочие постоянные напряжения в схеме вырабатываются с помощью преобразователей DC – DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.

1. Выбор функциональной схемы устройства

Микросхема АЦП может иметь несимметричный аналоговый вход, а датчик, сигнал с которого подается на АЦП – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный согласующий усилитель, установленный на входе устройства (СУ). Его назначение – согласование симметричного сигнала и несимметричного входа, согласование сопротивлений источника сигнала и входного сопротивления АЦП, усиление полезного сигнала и подавление синфазной помехи.

Входной сигнал имеет паразитные высокочастотные составляющие, которые могут влиять на АЦП. Для их устранения на входе микросхемы АЦП устанавливаются фильтры нижних частот.

Микросхема АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Для гальванической развязки цифровых сигналов АЦП и интерфейса USB применяются блоки гальванической развязки, выполненные на оптронах или импульсных трансформаторах.

Преобразование цифрового кода с выхода микросхемы АЦП осуществляется с помощью конвертера, имеющего последовательный или параллельный вход, в зависимости от типа АЦП.

Обобщенная функциональная схема АЦП представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Обобщенная функциональная схема АЦП

После разработки обобщенной функциональной устройства необходимо выбрать тип микросхемы АЦП, конвертер, тип и количество преобразователей DC-DC, тип и количество микросхем гальванической развязки и построить детальную функциональную схему АЦП.

Порядок выбора следующий:

1. Определяем частоту дискретизации АЦП. Требуемая частота дискретизации определяется выражением f_ДИСК≥20f_ВЕРХ.

fВЕРХ=12кГц,	(1)
fДИСК=240кГц;	(2)

2. Выбираем микросхему АЦП по четырем критериям: частота дискретизации микросхемы (более 240кГц), разрядность (8) , количество входов (4), тип выходного интерфейса: параллельный. Параметрам задания подходит АЦП AD7825 фирмы Analog Devices с четырьмя входами и параллельным интерфейсом.

3. Выбираем конвертер, преобразующий выходной код АЦП в стандартный сигнал интерфейса USB. Для параллельного интерфейса был использован конвертер FT245R.

4. Определяем необходимые напряжения питания схемы. Входное напряжение питания схемы АЦП AD7825 равна 5 В. Максимальное Uвх=5В. Опорное напряжение равно 2,5В.

5. Выбираем микросхемы гальванической развязки. Рекомендуется взять микросхемы серии ADuM1400 (2) и ADuM1402 (1), имеющие 4 канала передачи цифрового сигнала. Количество микросхем определяется номенклатурой и направлением передаваемых цифровых сигналов.

Рисунок 1.2 – Детальная функциональная схема АЦП

2. Расчет аналоговой части

1. Определение коэффициентов

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:

;

(2.1.1)

где – максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, – шкала АЦП, которая определяется по паспортным данным микросхемы АЦП. Для микросхемы AD7825 при питании 5 В также примерно равна 5В. Суммарный коэффициент усиления находим по формуле:

;

((2.1.2)

где =1,2 – коэффициент запаса по усилению. При величине входного сигнала, равным 120мВ, K_Z=50. Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот:

КZ=КСУ∙КФНЧ ;

((2.1.3)

К_СУ =10 и К_ФНЧ =5 .

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):

;

(2.1.4)

При амплитуде входного сигнала е_сmax=120мВ, динамическом диапазоне D=30дБ и синфазной помехе U_синф=100мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно:

	(2.1.5)
	(2.1.6)
;	(2.1.7)

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:

;	(2.1.8)
;	(2.1.9)

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.