1.2 Выбор и обоснование направления проектирования

Рассмотрим прототип (рисунок 1) и проанализируем один такт его работы. Согласно ТЗ, проектируемое устройство должно работать в автоматическом режиме. Поэтому в прототип необходимо добавить генератор строб-импульсов, который обеспечит автоматический режим работы.

Кроме того, согласно ТЗ проектируемое устройство должно обеспечить считывание результата преобразования в ЭВМ. С этой целью на выходе нужно установить параллельный регистр.

Входное сопротивление 50 Ом обеспечим введя в схему узел согласования.

В итоге функциональная схема проектируемого параллельно-последовательного АЦП будет выглядеть, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Функциональная схема параллельно-последовательного АЦП

2 Выбор и расчёт электрической схемы

2.1 Расчёт функциональной схемы

Проведём назначение требований узлам функциональной схемы (рисунок 3) в соответствии с техническим заданием. Для всякого преобразователя аналоговой величины в код расчет структуры начинается с определения числа уровней квантования N_{x max} или числа разрядов n АЦП:

N_{x max} = X_m / Δ_k, (1)

где X_m – максимальное значение входной величины;

Δ_k – шаг квантования.

Разрядность АЦП n определяется как:

n=log_aN_{x max}, (2)

где а – основание системы счисления АЦП.

Число разрядов округляется до ближайшего большего целого значения n ≥ log_aN_{x max}.

Суммарную погрешность устройства представим двумя составляющими:

, (3)

где δ_мет – погрешность метода, реализуемого в устройстве (преобразования аналоговой величины в дискретную);

δ_инст – инструментальная погрешность, обусловленная неидеальностью применённых функциональных узлов.

По техническому заданию погрешность преобразования не более 0,5 %. Для разделения суммарной погрешности на методическую и инструментальную, на основе знания возможностей и параметров современной функциональной и элементной базы электронных устройств, распределим суммарную погрешность следующим образом:

;

.

Тогда максимально допустимый погрешностью шаг квантования находим по формуле:

. (4)

Определим необходимое количество уровней квантования для проектируемого АЦП:

N_{x max} = X_m/_k +1= 1000/3,5 ≈ 286. (5)

Определим минимальное количество разрядов АЦП, которое может обеспечить рассчитанное число уровней квантования.

, (6)

или . Возьмем n=9.

Будем использовать структуру АЦП с 2-мя группами: 5 двоичных разряда в первой и 4 во второй группе.

При кванте АЦП в 3,5 мВ и числе разрядов n=9, максимальное значение входного напряжения которое он сможет зарегистрировать определяется:

U_{вх max} = (2n-1) ×k = (2⁹-1)×3,5=1788,5 [В]. (7)

Рассчитаем опорные напряжения для каждого АЦП. Максимальное напряжение которое должен преобразовать второй АЦП найдём следующим образом:

(2⁴-1)*3,5=52,5 [мВ]. (8)

Это и будет опорное напряжение для второго АЦП. Для первого же АЦП найдем по формуле (9).

U_{оп 1}=U_{вх max} – U_{оп 2}=1788,5-52,5=1736 [мВ]. (9)

По ТЗ преобразование сигнала должно происходить за 10 мкс. Тогда частота генератора строб-импульсов определяется по формуле:

f = 1/t = 1/10 мкс. = 100 кГц. (10)

Быстродействие параллельно-последовательного АЦП определяется главным образом быстродействием его узлов: 2-х параллельных АЦП и ЦАП. Примем ограничения на каждый из этих узлов:

t_{пр узла} = t_пр /3 ≈ 3 [мкс]. (11)

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.

Таблица 1 – Требования к основным узлам

Наименование параметров	Обозначение	Единицы измерения	Значение параметров узлов схемы
			ИОН 1	ИОН 2	АЦП 1	АЦП 2	ЦАП	Генератор строб-импульсов	Регистр
Входные	Uвх мах	В

Продолжение таблицы 1

Выходные	Uвых мах	В	1736	52,5
Временные и частотные	частота	кГц						100
	время преобразования				Не более 3	Не более 3	Не более 3
Прочие	число разрядов	шт.			Не менее 5	Не менее 4	Не менее 5		Не менее 9
	основание системы счисления				2	2	2		2