Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Данный документ представляет собой пояснительную записку объемом 24 листа. В пояснительной записке представлено 2 таблицы, 11 рисунков, использовано 8 источников литературы и сеть Internet . В данном курсовом проекте разработан многоканальный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, построенный по принципу поразрядного сравнения суммы опорных напряжений с входным сигналом, с использованием резисторного моста Уина как источника 'взвешенного' опорного напряжения.

Разработка построена на быстродействующих компараторах и быстродействующих аналоговых ключах для “ взвешенного ” сигнала с управлением от однокристального микроконтроллера. В связи с развитием технологии изготовления интегральных микросхем данный проект предполагает изготовление АЦП в интегральном исполнении.

Альбом документов курсового проекта кроме пояснительной записки содержит также чертежи структурной и принципиальной схем устройства.

Аналого-цифровое преобразование следует использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например, «цифровая звукотехника» или импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых разнообразных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типа цифровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы, такие, как усреднители переходных процессов, «ловушки для выбросов» и осциллографы с цифровой памятью), а также в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и устройства шифрования данных. И, наконец, техника преобразования является существенной составляющей способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных приборов или двух координатных изображений, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существует масса возможностей для применения аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.

Исходя из этого, предлагается схема аналогоцифрового преобразователя, обладающая в интегральном исполнениии (т.е. выполненная в одном кристалле) более высокими параметрами, чем при изготовлении на дискретных элементах. Так как изготовления прецизионных конденсаторов интегральном исполнении является сложной технологической проблемой, в предлагаемой разработке из измерительных цепей конденсаторы исключены. По той же причине технологической сложности изготовления источника опорного напряжения предлагается схема с использованием моста Уина (Вина). Само ядро АЦП - схема на компараторах с суммированием опорного напряжения, выбрана из-за отсутствия сложных схем тактирования и переключения, а изготовление полупроводниковых резисторов и аналоговых ключей с заданными параметрами технологически легко решаема.

Использование микроконтроллера оправданно возможностью программно компенсировать постоянную и систематическую погрешности, что в конечном счете повышает точность преобразования. В данной разработке не рассматриваются: а) принцип действия микроконтроллера; б) программирование и способы обмена данными с внешними устройствами; г) тестирование, методы настройки и проверки , поскольку вышеперечисленное выходит за рамки темы.

Входные аналоговые сигналы подаются на входы аналогового мультиплексора AnS, управляемого микроконтроллером МС. С выхода мультиплексора, через широкополосный усилитель сигнал подаётся на вход блока компараторов CPM, также усиленный сигнал подаётся на вход схемы автоматического переключения полярности опорного напряжения AuS. Со схемы источника опорного напряжения Uc опорное напряжение подаётся на блок резисторных делителей с аналоговыми ключами RLin и далее на другой вход блока компараторов. С выхода блока компараторов цифровой код, эквивалентный входному измеряемому сигналу, по команде микроконтроллера MC записывается в регистр RG, из которого считывается микроконтроллером для обработки и передачи внешним устройствам. 1.4 Техническое обоснование выбора компонентов схемы. В этом разделе рассматривается выбор компонентов для исполнения АЦП на дискретных элементах. Фирмы занимающиеся производством полупроводниковых компонентов предоставляют широкий выбор быстродействующих полупроводниковых элементов: аналоговые ключи, широкополосные операционные усилители, компараторы и т.д. К сожалению, отечественная промышленность не производит компоненты с необходимыми параметрами, поэтому в разработке использована продукция зарубежных производителей. Так в качестве входного мультиплексора можно предложить микросхему 74AC4051 позволяющую коммутировать сигналы с частотой до 100МГц. Для аналоговых ключей в блоке делителей можно, к примеру, использовать микросхемы IH5341 или более быстродействующие, так фирмой 'Philips' производятся аналоговые ключи с временем задержки до 2 наносекунд.

Управление мультиплексором производится от микроконтроллера.

Соответственно напряжение в точке 'a' будет равно половине опорного напряжения, в точке 'b' - четверти и т.д. 2.5. Блок суммирующих компараторов с аналоговыми ключами для 'взвешенного сигнала'. Блок компараторов с аналоговыми ключами является ядром АЦП, именно он производит преобразование аналогового сигнала в цифровой код.(Рис 8) Преобразогвание аналогового сигнала в цифровой происходит непрерывно, т.е. любое изменение входного сигнала, за исключением временных задержек схемы, тотчас преобразуется в цифровой код. Схема работает следующим образом.

Компаратор C1 сравнивает входной сигнал с половиной опорного напряжения, если входной сигнал превышает половину опорного напряжения то на выходе компаратора появляется высокий уровень, который вызывает включение аналоговых ключей Kx.1, и следовательно подачу Uоп/2 на входы остальных компараторов, также этот высокий уровень поступает на вход D1 регистра 'RG'. Компаратор C2 сравнивает входной сигнал с одной четвёртой опорного напряжения, если входной сигнал не превышает половины опорного напряжения, если превышает то сравнивает с суммой 1/4 и 1/2 опорного напряжения. В любом из случаев если входной сигнал превышает опорный(сумму опорных) компаратор C2 включает Uоп/4 на входы последующих компараторов подаёт '1' на вход D2 регистра 'RG', в противном случае Uоп/4 не подаётся к последующим компараторам и на входе D2 регистра 'RG' '0'. Аналогичным образом работают последующие каскады.

Вследствии того, что цифровой код на выходе преобразователя непрерывно изменяется, отслеживая входной сигнал, то необходимая частота дискретизации задаётся программно, с учётом временных задержек элементов схемы.

Быстродействие схемы определяется временными задержками элементов схемы, и расчитывается как сумма всех послеловательно включенных элементов в наименее быстродействующей ветви схемы, умноженной на коэффициент 1.15, т.е. если обработка сигнала производится параллельно несколькими участками схемы то за основу для расчётов берётся участок имеющий наибольшее время задержки. В данном случае обработка сигнала идёт по одной ветви и следовательно задержка равна: t ALL =1.15*(t MX +t A1 +6*t CMP +5*t SW +t CM1 +t B +t K_SPP ), где t MX - время задержки входного мультиплексора nS; t A1 - время задержки входного усилителя nS; t CMP - время задержки одного компаратора преобразователя nS; 5t SW - время задержки одного аналогового ключа преобразователя nS; t CM1 - время задержки компаратора переключателя полярности nS; t B - время задержки буферных элементов переключателя полярности nS; t K_SPP - время задержки одного аналогового ключа переключателя полярности nS.

Москва «Мир» 1993. 2. Искуство схемотехники 2 том.

Москва «Мир» 1993. 3. Искуство схемотехники 3 том.

Москва «Мир» 1993. 4. “Цифровые интегральные микросхемы”. Минск “ Беларусь ”, 1991. 5. Энергоатом издат 1988 6. У. Титце, К. Шенк Полупроводниковая схемотехника.