3. Расчёт на структурном уровне

Проведём назначение требований узлам функциональной схемы (рисунок 4) в соответствии с техническим заданием.

Суммарную погрешность устройства представим двумя составляющими:

δ_∑=δ_мет+δ_инст (1)

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

δ_инст– инструментальная погрешность, обусловленная не идеальностью применённых функциональных узлов.

По техническому заданию погрешность преобразования не более 1 %.

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:

δ_инст= 0,6 %;

δ_мет= 0,4 %.

Тогда ступень квантования находим по формуле:

[В].

где X_m – максимальное значение входной величины; (2)

Далее определим максимальное число уровней квантования по формуле:

. (3)

Тогда разрядность счетчика имеет значение по формуле:

n ≥ log_aN_{x max}= log₂250 = 8, (4)

n ≥8.

Примем ёмкость счетчика равной количеству уровней квантования:

N₀=N_{x max} =250. (5)

Тогда частота тактового генератора определиться по формуле:

[Гц]. (6)

Генератор циклов преобразования должен подавать импульсы с периодом, равным 1 с.

Разрядность ЦАП определиться по формуле (4):

n ≥ log_aN_{x max}= log₂250 = 8,

n ≥8.

где а – основание системы счисления ЦАП.

Максимальное выходное напряжение ЦАП должно соответствовать максимальному входному напряжению устройств:

U_{вых max} ≥ 10 [В].

Инструментальная погрешность устройства определяется дифференциальным усилителем и в основном неидеальна. Поэтому:

δ_цап≈δ_инст= 0,6. (7)

Чтобы уменьшить влияние шумов на результат работы компараторов, им нужно обеспечить опорное напряжение единицы вольт. Выбрав коэффициент дифференциального усилителя K_ус= 100 и, исходя из того, что Δk= 0,04 В, можно определить напряжение разности на выходе дифференциального усилителя таким образом:

U_разн= (±0,5 · Δk) ·K_ус= (±0,5 · 0,04) · 100 = ±2 [В]. (8)

Примем опорное напряжение:

U⁺ = 2 В,U^–= –2 В.

Разрядность регистра должна соответствовать разрядности выходного кода –восемь разрядов.

Элементы временной задержки выбираем в 5 – 10 раз больше тактовой задержки элементной базы.

4. Выбор элементов электрической схемы

4.1 Цап

В качестве ЦАП выбрана микросхема К572ПА1, представленная на рисунке 5. [11]Это 10–разрядный преобразователь двоичного кода в ток. Микросхема согласована по входам с КМДП ИС и ТТЛ ИС. Для преобразования тока в напряжение на выходе устанавливается операционный усилитель. В качестве операционного усилителя используется микросхема К140УД12.[1]

Рисунок 5 – ЦАП К572ПА1

Назначение выводов ЦАП К572ПА1:

1 – аналоговый выход 1; 2 – аналоговый выход 2; 3 – общий; 4 –цифровой вход D1 (старший разряд); 5 – 12 – цифровые входы (D2–D9); 13 – цифровой входD10 (младший разряд); 14 – напряжения питанияU_ип; 15 – опорное напряжениеU_оп;

16 – вывод резистора обратной связи.

Назначение выводов ОУ К140УД12:

1– прямой вход; 2– инверсный вход; 3– земля; 4–5–свободные; 6 – выход U_вых ; 7– плюс U_пит;

В таблице 1 приведены основные параметры ЦАП. [11] В таблице 2 приведены основные параметры ОУ.[1]

Таблица 1 –Электрические параметрыК572ПА1

Напряжение источника питания Uип	15 В
Опорное напряжение Uоп	10,24 В
Ток потребления Iпот	2 мА
Входное напряжение Uвх0	0,8 В
Входное напряжение Uвх1	3,6 В
Число разрядов	10
Время установления tуст	5 мкс
Выходной ток Iвых	2,5 мА
Максимальное выходное напряжение UВых max	10 В
Нелинейность	0,1 %
Относительная погрешность	2,9%

Таблица 2 –Электрические параметрыК140УД12

Напряжение питания Uпит	±(2–18) В
Напряжение смещения нуля	не более 5 мВ
Выходное максимальное напряжениеUВых max	±10 В

В микросхеме ЦАП используется внешний источник опорного напряжения. Источник опорного напряжения представлен параметрическим стабилизатором, в основе которого лежит стабилитрон КС211Е, представленным на рисунке 6. В таблице 3 приведены основные параметры ИОН.[9]

Рисунок 6 – Параметрический стабилизатор напряжения

Таблица 3–Параметры КС211Е.

Напряжение стабилизации Uст	11 В
Минимальное напряжение стабилизации Ucтmin	10,4B
Максимальное напряжение стабилизации Uстmax	11,6В
Минимальный ток стабилизации Iст min	3 мА
Максимальный ток стабилизации Iстmax	12мА
Дифференциальное сопротивление rд	30 Ом

Примем напряжение питания равное 15 В:

U_п=15±5% В

Примем ток нагрузки равный 1 мА:

I_н=1 мА

Величина сопротивления нагрузки находится по формуле (9):

R₂ =U_СТ/I_н= 11/10^–3= 11000 Ом (9)

где U_СТ – номинальное стабилизируемое напряжение;

I_н– ток нагрузки.

Величина сопротивления R₁находится по формуле (10):

R₁= (U_{П min}–U_{СТ min}) / (I_{СТ min}+I_н) =(14,25–11)/(3+1)=810 Ом (10)

где U_{П min} – минимальное напряжение питания;

U_СТmin– минимальное напряжение стабилизации;

I_СТmin–минимальный ток стабилизации;

I_н= ток нагрузки.

Коэффициент стабилизации находится по формуле (11):

К= U_СТR₁/r_дU_п =(11∙810) / (30∙15)=19,8 (11)

где r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона.