МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Омский государственный технический университет (ОмГТУ)
Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»
Пояснительная записка
к курсовому проекту
по дисциплине “Электротехника и электроника”
на тему ” Времяимпульсный аналого-цифровой преобразователь”
Руководитель проекта
Никонов А.В.
Разработал
студент гр. АС-322
Маслов С.А.
Омск - 2004
Содержание
Содержание 4
Реферат 5
Введение 6
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 10
РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ 13
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 14
1.1.1 Генератор тактовых импульсов 14
1.1.2 Блок определения полярности 14
1.1.3 Делитель частоты 16
1.1.4 Ждущие мультивибраторы 17
1.1.5 Генератор линейно изменяющегося напряжения. 19
1.1.6 Счётчики импульсов 20
1.1.7 Регистровая память 21
1.1.8 Логические элементы 22
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 24
АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 27
1.1.9 Диапазон входного напряжения 27
1.1.10 Время преобразования 27
1.1.11 Входное сопротивление 27
1.1.12 Автоматический режим работы 27
1.1.13 Погрешность преобразования 27
Список использованных источников 29
Приложение А. Функциональная схема однотактного АЦП А……………..............…...…...... 30
Приложение Б. Функциональная схема однотактного АЦП на микроконтроллере……….… 31
Приложение В. Функциональная схема однотактного АЦП Б………………....................…... 32
Приложение Г. Временные диаграммы работы АЦП ...........………………........................….. 33
Приложение Д. Технические требования к блокам ..............................................................…... 34
Реферат
Пояснительная записка 34 с., 20 рис., 11 источников, 2л. графического материала
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЙ, ОДНОТАКТНЫЙ, ДВУХТАКТНЫЙ, МНОГОТАКТНЫЙ, БЛОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯРНОСТИ, ИНТЕГРАТОР.
Объектом выполнения работы является времяимпульсный аналого-цифровой преобразователь.
Цель работы – проектирование времяимпульсного аналого-цифрового преобразователя.
В процессе работы проводились расчеты на структурном уровне, выбор элементов и разработка принципиальной электрической схемы, электрическое моделирование одного из узлов схемы, анализ метрологических характеристик.
Основные технические характеристики: обеспечен доступ со стороны внешней ЭВМ к результатам преобразования и данным о полярности входного напряжения, автоматический режим работы, время преобразования не более 1 с, входное сопротивление не менее 1 МОм, погрешность преобразования на верхней границе динамического диапазона не более 0,2 %.
Степень внедрения - проектирование для учебных целей.
Введение
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму.
Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удаётся решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. На практике наиболее рациональным является способ преобразования различных по природе физических сигналов сначала в электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код в цифровые. Именно эти преобразователи обычно имеют в виду, когда говорят об АЦП [1].
Вместе с АЦП появились цифровые измерительные приборы. Принципиально они очень близки к АЦП, но предназначены для самостоятельного применения: измерения напряжения, частоты, фазового сдвига, сопротивления и других физических величин[2].
Цифровые измерительные приборы представляют результат измерения в гораздо более удобной и наглядной форме по сравнению со стрелочными. Кроме того, исключается субъективная погрешность, обусловленная округлением результата при отсчете по положению стрелки на шкале.
Исторически АЦП понадобились для того, чтобы связать управляемый объект с ЭВМ, однако их применение существенно расширилось.
Вот лишь небольшой перечень областей применения АЦП: радиолокация, анализаторы спектра сигналов в системах связи, авиакосмические средства цифровой обработки данных, анализ структуры поверхностей и внутренних слоёв технических материалов, радионавигация, оптико-измерительные приборы, испытатели транзисторов, генераторы стандартных сигналов, управление процессами в промышленности, медицинское оборудование, радиолокация, термометрия, автоматическая регулировка усиления, сило- и массоизмерители, сейсмо- и георазведка, приборы для физических исследований, технологическое оборудование, калибраторы [3].
АЦП является основным элементом многих цифровых устройств. В цифровом фотоаппарате вместо проецирования изображения на светочувствительную пленку свет попадает на светочувствительные ячейки сенсора, а этот сенсор захватывает информацию и передаёт на чип АЦП. Похожим образом в сканере АЦП преобразует напряжение на светочувствительных элементах устройства в цифровой код.
Сейчас налажен выпуск АЦП в виде отдельных интегральных микросхем, что сделало их более доступными для применения, и даже сложная современная бытовая техника – например, стиральные машины, – имеет в своём составе АЦП.
Существует несколько типов АЦП в зависимости от способа преобразования сигнала в код. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, на практике встречаются все возможные типы.
Принцип работы времяимпульсного АЦП заключается в том, что значению сигнала на входе ставится в соответствие некоторый временной интервал, величина которого пропорциональна значению сигнала на входе АЦП. За время этого интервала подсчитывается количество импульсов, пришедших на вход счётчика. Это количество будет пропорционально значению входного сигнала [4].
Чем больше частота счётных импульсов, тем точнее можно представить входной сигнал и тем большим числом бит представляется число на выходе АЦП.
Главным недостатком времяимпульсного АЦП является его низкое быстродействие, обуславливаемое большим количеством импульсов и, соответственно, длинным временным интервалом, необходимым для более точного представления входного напряжения. Времяимпульсные АЦП применяются в случаях, когда одновременно не требуются очень высокое быстродействие и высокая точность. Например, в телеметрии, сейсмо- и георазведке, в качестве цифровых мультиметров.
Метод времяимпульсного преобразования подразделяется на несколько разновидностей: однотактный, двухтактный, многотактный; название этих разновидностей происходит от числа тактов преобразования входной величины во временной интервал в течение одного цикла преобразования [5]. При однотактном преобразовании (рисунок 1) цикл начинается с линейного нарастания образцового сигнала U0 от нуля. Временной интервал формируетcя от начала цикла до момента совпаденияUXиU0.
Рисунок 1 – Однотактное преобразование
При двухтактном преобразовании (рисунок 2) начало1-го такта и цикла могут не совпадать. В первом такте интегрируется измеряемая величина, во втором – образцовое (опорное) напряжение U0. Первый такт длится фиксированное времяt0, а длительностьtX второго – прямо пропорциональна измеряемой величине. Интегрирование входного сигнала в течение фиксированного времени позволяет эффективно подавлять сетевые помехи, если выбратьt0=n/f, гдеn– целое число, аf– частота сети.
Рисунок 2 – Двухтактное преобразование
При многотактном преобразовании (рисунок 3) интегрирование входного сигнала UXпроисходит в течение фиксированного времениt0, причём в отдельные промежутки времени интервалаt0 кUX добавляется образцовое напряжениеU0противоположной полярности. Это обеспечивает разряд конденсатора интегратора. Интегрирование ведётся до достижения напряжением интегратора некоторого заданного значенияUK. Временной интервалtXполучается как суммаmинтерваловti. Цикл равен или больше времени преобразованияt0и может содержатьm тактов.
Рисунок 3 – Многотактное преобразование
Каждая следующая разновидность метода обеспечивает более высокую точность, чем предыдущая. Так, типичные погрешности преобразования для однотактного способа равны 0,01 – 0,1 %, а для многотактного 0,001-0,01 и вплоть до 0,0001 % при времени преобразования в несколько десяткого секунд.
Особенностью данного вида АЦП является то, что форма напряжения, формируемого генератором образцового сигнала, определяет зависимость (линейную или нелинейную) выходного числа (кода) АЦП от входного напряжения [4].
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Выберем разновидность метода времяимпульсного преобразования в соответствии с требуемыми точностью и быстродействием. Был выбран однотактный метод, который относительно прост в реализации и позволяет реализовать требуемую точность устройства.
В результате аналитического обзора литературы по данной теме и информации в сети Internet были выбраны несколько аналогов.
1) Однотактный АЦП [6], функциональная схема которого приведена в приложении А.
Рассмотрим его временные диаграммы (см. рис.1) и проанализируем его работу.
Рисунок 1 – Временные диаграммы работа аналога А
В момент времени t1 счётчик импульсов начинает считать с нуля. Счётчик останавливается, когда пилообразное напряжение пересекает уровень VA.
На интервале t2- t3 значения счётчика переписываются в регистр, счётчик обнуляется.
Время начала отсчёта и время остановки счётчика определяются компараторами.
Как видно по временным диаграмма, длина (время) одного такта работы преобразователя зависит от генератора пилообразного напряжения, т.е. недостатком этой схемы является отсутствие синхронизации. Кроме этого, в устройстве отсутствует возможность работы с разнополярным напряжением.
Второе устройство [7] обладает высокой точностью (принципиальная схема приведена в приложении Б), но построено на базе микроконтроллера фирмы Zilog серии Z8 (Z86C40). Для исходных требований технического задания использование микроконтроллера не оправдано.
Рассмотрим подробнее следующее устройство [2], функциональная схема которого приведена в приложении В. Временные диаграммы приведены на рисунке 2.
В течение времени t от генератора тактовых импульсов ГТИ опорной частоты f0 через логический элемент проходит N импульсов. Вспомогательную роль играет делитель частоты. Фронт сигнала S1, частота которого в k раз меньше f0 в начале каждого цикла преобразования через ЖМ1 устанавливает триггер в состояние 1, сбрасывает счётчик импульсов в исходное нулевое состояние и запускает генератор пилообразного напряжения. Срез сигнала S1 даёт команду на запись кода из счётчика в регистр. В момент, когда опорное напряжение становится больше входного, фронт сигнала компаратора через ЖМ2 возвращает триггер в исходное нулевое состояние.
Рисунок 2 – Временные диаграммы работы аналога В
Эта схема также не обладает всеми нужными нам блоками, однако на её основе можно создать устройство, удовлетворяющее техническому заданию.
В первую очередь добавим блок определения полярности напряжения. Индикацию осуществим с помощью светодиода. На выходе счётчика импульсов поставим регистровую память для обеспечения доступа со стороны внешней ЭВМ. Сигналы для записи в регистр и сброса счётчиков будут формироваться ждущими мультивибраторами ЖМ2 и ЖМ3 соответственно.
Составленная функциональная схема приведена в приложении Г.
Рассмотрим цикл работы устройства с помощью временных диаграмм (рисунок 3).
Сигнал генератора тактовых импульсов поступает на делитель частоты, чтобы получить сигнал, определяющий цикл преобразования. Этот сигнал запускает ЖМ1, во время импульса которого формируется обратный ход генератора пилообразного напряжения. На фронте импульса ЖМ1 запускается ЖМ2, формируя сигнал на запись в регистр. На спаде сигнала ЖМ2 запускается ЖМ3, формируя сигнал на обнуление счётчиков
Входное напряжение после определителя полярности преобразуется в положительное, после чего поступает на вход компаратора. Компаратор формирует сигнал высокого логического уровня при превышении сигнала, поступающего с ГПН, над входным сигналом.
Теперь остаётся только определить собственно временной интервал, во время которого и будут считаться импульсы (на диаграммах – интервал, на котором напряжение ГПН возрастает от нуля до входного напряжение). Как видно из временных диаграмм, вместо RS-триггера можно использовать элемент 2-ИЛИ-НЕ, на который будут поступать сигналы S1 и ЖМ1.
Примечание. На временных диаграммах масштаб сигналов не сохранён. На диаграмме генератора пилообразного напряжения для наглядности также отложено входное напряжение.
РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ
Суммарная погрешность определяется:
инст метод, (1)
где инст - инструментальная погрешность;
метод - методическая погрешность.
По техническому заданию 0.2 %. Выберем инстметод=0,1 %=0,001.
Определим ступень квантования [5]:
k=методXm=0,00110=0,01 В. (2)
Определим максимальное число уровней квантования:
NXmax=Xm/k=10/0,01=1000. (3)