4.3 Выбор элементной базы и разработка принципиальной схемы модуля сопряжения
Главными элементами разрабатываемого модуля являются АЦП и ЦАП. При выборе АЦП/ЦАП руководствуются следующими критериями:
точность преобразования (смещение нуля, изменение коэффициента передачи);
быстродействие (время преобразования);
интегральная и дифференциальная нелинейность характеристик преобразования;
разрядность кода;
логические уровни цифровых сигналов;
количество дополнительных прецизионных элементов требуемых для полного функционирования АЦП/ЦАП (характеристика сложности и капризности схемы);
стоимость.
Так как АЦП отечественного производства не обеспечат требуемой производительности, то обратимся к продукции зарубежных фирм. Фирма Analog Devices зарекомендовала себя одним из лучших производителей высококачественных интегральных схем для обработки аналоговых сигналов. Выберем АЦП данной фирмы – AD673. AD673- это быстродействующий 8-разрядный АЦП, с временем преобразования 9,3 мкс. AD673 изготовлен по фирменной технологии I2L Внутренняя структура АЦП изображена на рисунке. 4.5. В таблице 4.1 приведено назначение выводов данного АЦП.
Рисунок 4.5 -Внутренняя структура АЦП AD673
Таблица 4.1 – Назначение выводов АЦП AD673
|
Наименование |
Назначение |
|
ANALOG IN |
Аналоговый вход |
|
DE |
Разрешение третьего состояния |
|
CONVERT |
Начало преобразования |
|
DR |
Конец преобразования |
|
DB0-DB7 |
выводы цифрового результата |
Принцип работы: аналого-цифровое преобразование в ИМС инициируется импульсом на входе CONVERT. На нарастающем фронте импульса CONVERT УВХ (интегрированное) переходит из режима слежения в режим хранения и запускается последовательность преобразования (в смешенный код). В конце преобразования (спадающий фронт RD) УВХ возвращается в режим слежения, начинается интервал приема входного сигнала.
В качестве ЦАП выберем микросхему AD5330.AD5330 – это микросхема с параллельным вводом информации содержит один 8-ми разрядный цифро-аналоговый преобразователь. Внутренняя структура ЦАП изображена на рисунке 4.7, а назначение выводов указано в таблице 4.2.
Рисунок 4.7 – Внутренняя структура AD5330
Таблица 4.2 - Назначение выводов ЦАП AD5330
|
Наименование |
Назначение |
|
Vref |
Опорное напряжение |
|
Vout |
Аналоговый выход |
|
WR |
Начало преобразования |
|
CS |
Выбор микросхемы |
|
DB0-DB7 |
Цифровые входы |
|
CLR |
Очистка содержимого регистров ЦАП |
|
LDAC |
Обновление содержимого регистров ЦАП |
|
GAIN |
Задает выходное напряжение (0-Vref … 0-2Vref) |
|
GND |
Земля |
|
PD |
Вводит ЦАП в выключенное состояние |
|
BUF |
Определяет наличие/отсутствие буферизации цифровых входов микросхемы |
Для обеспечения усиления Кu= 1 используем изолированный усилитель фирмыAnalogDevicesAD102. Внутренняя структура усилителя представлена на рисунке 4.8. В интегральную микросхему усилителя входят следующие компоненты: модулятор-усилитель, демодулятор, генератор, фильтр. Характеристики усилителя представлены в таблице 4.3.
Рисунок 4.8.- Внутренняя структура усилителя AD102
Таблица 4.3 – Характеристики усилителя AD102
|
Параметр |
Значение |
|
Размах входного сигнала |
5В |
|
Входной импеданс |
1012Ом |
|
Полоса пропускания |
4кГц |
|
Напряжение питания |
+15В |
|
Потребляемый ток |
5 мА |
|
Температурный диапазон |
от -40 до +850С |
|
Напряжение изоляции |
500В |
Схема включения и способ задание коэффициента передачи показаны на рисунке 4.9.
Определим коэффициент передачи усилителя по напряжению К=1. Если принять Rf=R5=30кОм, тоRg=R6=3МОм.
Рисунок 4.9.- Типовая схема включения AD102
Для исключения частот, которые могут вносить помехи в схему включаем полосовой фильтр.
Полосовой фильтр (рисунок 4.10) построен путем последовательного соединения двух фильтров: низких и высоких частот.
В общем случае передаточная функция ФНЧ:
.
Полученная передаточная функция фильтра:
.
Рисунок 4.10 – Полосовой фильтр
Для расчета схемы ПФ нужно задать нижнюю частоту среза fн=100Гц, верхнюю частоту срезаfв=10кГц коэффициент передачи постоянного сигнала А0=1 и емкости конденсаторов (0,1мкФ). Приравняв коэффициенты полученной передаточной функции (**) коэффициентам выражения (*) получим:
;
.
Параметр а1 при расчетах берется равным 1, то есть в полосе пропускания фильтр является повторителем (а1 не равно 1 для фильтров более высокого порядка).
Передаточная функция ФВЧ имеет вид:
.
Выразим коэффициенты передаточной функции:
;
.
После расчетов выбираем следующие номиналы элементов:
С4 = С5 = 0,1мкФ;
R8 = R11 = 160 Ом;
R9 = R10 = 16кОм.
В качестве УВХ используем однонаправленный буфер К555АП5 для хранения результата.