4 Разработка функциональной схемы

На основании ТЗ разработаем функциональную схему устройства. Для этого представим разрабатываемое устройство в виде функциональных узлов.

1. Согласующий канал.

Входной сигнал прибора имеет амплитуду максимальную амплитуду 30 мВ и может включать в себя высокочастотные помехи. Это обуславливает необходимость применения согласующего канала, в котором будет реализовано усиление и фильтрация входного сигнала. Также согласующий канал будет обеспечивать высокое входное сопротивление канала.

2. АЦП.

Для выполнения главной функции устройства – преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую используем АЦП. Разрядность и частоту дискретизации АЦП выберем в соответствии с расчетами, приведенными в предыдущем пункте. Для дальнейших расчетов выберем диапазон входных сигналов АЦП. Практически во всех современных АЦП он задается с помощью подачи опорного напряжения требуемой величины на соответствующий вход АЦП. Шиной ISA уже предусмотрено наличие питания 5В, зададим его в качестве опорного, чтобы не разрабатывать отдельный источник напряжения.

3. Счетчик адреса.

Для генерации адреса ячейки памяти, в которой будет храниться отсчет, будем использовать счетчик адреса. Счетчик адреса должен иметь выход сигнала переполнения, служащий индикатором того, что все отсчеты сигнала оцифрованы.

4. Буферное запоминающее устройство.

Для временного хранения снятых отсчетов используем буферное запоминающее устройство. Объем памяти устройства выберем в соответствии с расчетами, приведенными в предыдущем пункте.

5. Буфер данных.

Для записи оцифрованных отсчетов из АЦП в БЗУ (режим 1) и передачи хранимой в БЗУ информации в память ПК (режим 2) необходимо использовать буфер данных. В режиме 1 передача данных будет осуществляться с частотой, равной частоте дискретизации сигнала. Во втором режиме передача данных будет задаваться периодами следования сигналов ЧтВУ, формируемых МПС.

Также необходимо будет использовать делитель частоты, выполняющий преобразование тактовой частота шины ISA в частоту дискретизации АЦП. Коэффициент деления частоты . Такой коэффициент деления можно получить используя счетчик. Для реализации переключения режимов работы буфера данных будет использован RS-триггер, устанавливаемый в 1-цу сигналом переполнения счетчика выбора адреса запоминающего устройства. Установка в 0 этого триггера будет осуществляться при выставлении на шину адреса значения 310h. Для формирования сигнала сброса используем селектор адреса.

Рисунок 1 – Функциональная схема разрабатываемого прибора

5 Разработка, описание и расчет принципиальной схемы

5.1 Разработка аналоговой части

Начнем разработку принципиальной схемы устройства с разработки согласующего канала. Он будет состоять из усилителя и фильтра низких частот.

Разработаем усилитель сигнала. Он должен иметь входное сопротивление не более 40 кОм. Рассчитаем коэффициент усиления дифференциального сигнала. Так как диапазон входных сигналов АЦП 0…30В, а сигнал с электродов имеет максимальную амплитуду 30 мВ, то .

Реализуем усилитель на базе трёх операционных усилителей. Первый каскад, состоящий из усилителей DA1 и DA2, усиливает дифференциальный сигнал в (1+2R2/R1) раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Второй каскад, выполненный на ОУ DА3, в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в (R6/R4) раз [6]. Используем операционные усилителиК140УД22. Их основные параметры:

Напряжение питания

Максимальное выходное напряжение

Напряжение смещения нуля

Ток потребления

Коэффициент ослабления синфазного сигнала при разомкнутой цепи отрицательной обратной связи

Используем резисторы С2-29в точности 0.1%.

Пусть Кдиф1=10, Кдиф2 =100.

Тогда

Положим в этой схеме R2=R3,R4=R5,R6=R7.

Выберем R1= 4,7 кОм из ряда E3[7]

Тогда .

Выберем R2=R3= из ряда E96[7]

Кдиф2=100, пусть R4=R5=1кОм.

Тогда R6=R7=Кдиф2*R4=100кОм

Рисунок 2 – Усилитель на трех ОУ

Разработаем ФНЧ. Фильтр нижних частот предотвращает пропускание шумов с частотой выше самой высокочастотной информативной составляющей сигнала[6]. Для разрабатываемого прибора наиболее высокочастотная информативная составляющая сигнала равна f_(c макс)=20 Гц. Выберем частоту среза фильтра нижних частот с небольшим запасом f_ср=25 Гц.

Согласно выводам, сделанным при расчете функциональных параметров используем фильтр Баттерворта 2-го порядка. В качестве схемной реализации фильтра Баттерворта 2-го порядка используем ФНЧ на повторителе.

Используем в качестве DA4 операционный усилитель К140УД22, резисторы С2-29 точности 1% и конденсаторы К10-17 точности 10%. Невысокая точность конденсаторов не окажет значительного влияния работу прибора, так как уход частоты дискретизации на 10 процентов в любую из сторон не критичен.

Рисунок 3 – ФНЧ на повторителе

Зададим R8=R9=47 кОм из ряда Е3. Тогда С2= =340 нФ.

Выберем С2=330 нФ из ряда Е6.

Рассчитаем С1=2∙С2=660 мкФ. Выберем С1=680 нФ из ряда Е3.

Для подачи опорного напряжения на АЦП необходимо реализовать стабилизатор напряжения. Эта необходимость связана с наличием помех на шине питания, вызванных переключениями режимов микросхем, наличием сетевых шумов и т.д. Используем схему стабилизатора напряжения на основе стабилитрона.

Рисунок 4 – Источник опорного напряжения

Выберем стабилитрон КС168В. Он имеет напряжение стабилизации 6,8 В при токе стабилизации 10 мА, что дает нам большой запас для регулировки напряжения Vref. Используем резисторы С2-29 точности 1%.

Напряжение питания +Uп = 12 В. Для задания рабочего тока стабилитрона I_ст=10 мА зададим R10= =520Ом. Выберем R11= 510Ом из ряда E24.

Резистор R11 необходим для ограничения максимального напряжения Vref, регулируемого с помощью резистора R12. Рассчитаем значения резисторов. Напряжение на эмиттере транзистора VT1 равно U_э=U_ст-0,7=6,1 В. Ограничим максимальное значение напряжения Vref.max = 5.5 В. Зададим ток эмиттера I_э=17 мА. При таком значении тока ток базы будет относительно невелик Iб = а ток, уходящий в АЦП =1 мкА. не будет влиять на напряжение Vref . Тогда R11= = =35Ом, R12= = = 323 Ом. Выберем R11 модели MF-25 (С2-23) 0.25 Вт, 36 Ом, 1%, резистор R12 модели СП5-16ВА, 0.25 Вт, 330 Ом, 5%.

В качестве VT1 выберем npn транзистор КТ315Б 20В 0.1А 0.15Вт.