МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
Сумской Государственный Университет
Кафедра Автоматики и Промышленной Электроники
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по курсу: «Электронные системы»
по теме: «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы»
ФЗ 51.6.090803.573ПЗ
Руководитель проекта Макаров М. А.
Проектировал студент Река Д. П.
группы ПЭЗ-51
Оценка работы
Члены комиссии:
Сумы 1999
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
Выбор и расчет СТРУКТУРНОЙ схемы 4
Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта 4
Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта 5
Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта 7
Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта 7
Выбор и расчет принципиальных схем 9
Согласующий усилитель 9
Фильтр низких частот 10
Устройство выборки-хранения 10
Заключение 12
Список использованных источников 13
Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.
В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют работой АЦП.
АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его нормальное функционирование.
АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ).
Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда:
 ,
где  - максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП,  - шкала АЦП.
Максимальная величина ЭДС  датчика намного меньше шкалы АЦП, поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее чем:
 ,
где  - коэффициент запаса по усилению.
Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):
Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра  , где  - верхняя частота спектра сигнала датчика.
В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому тип фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.
Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.
В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения  .
Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен быть включен мультиплексор.
В итоге анализа всего вышесказанного структурная схема может быть представлена так, как показано на рисунке 1.
Р
исунок 1. Структурная схема аналогового тракта
СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 – устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта
Расчет технических требований будем производить в обратном порядке прохождения аналогового сигнала.
В качестве УВХ используем те принцип действия, которых основан на заряде емкости через ключ в течение интервала  , выборки и хранения накопленного значения в течение времени  после отключения ключа. В качестве ключа используют как биполярные, так и полевые транзисторы. Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшими характеристиками, поэтому их применение предпочтительней.
Основными техническими характеристиками УВХ являются:
Коэффициент передачи в момент окончания выборки 
Максимальные значения входного  и выходного  напряжений.
Входное  и выходное  сопротивления по аналоговому сигналу.
Относительные ошибки выборки  и хранения  .
Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
Напряжение источников питания УВХ.
В первую очередь зададимся  и найдем максимальное значение напряжения входного аналогового сигнала:
Зная, что современные методы построения УВД дают возможность реализации относительных ошибок и до  и ниже, можно установить требования к допустимой погрешности:
Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:
 ;
 .
Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление (менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:
 ;
 .
Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения
и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к. управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем
 ;
 .
При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.
Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:
Верхняя граничная частота  .
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
Коэффициент передачи  по напряжению в полосе пропускания.
Входное  и выходное  сопротивления.
Напряжение источников питания.
При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.
Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.
Фильтры Баттерворта, выполненные на ОУ, имеют  . В нашем случае зададимся  . Исходя из этого, можно определить требования к максимальной величине входного напряжения:
Входное сопротивление выберем  , а выходное определим по формуле:
Напряжение источников питания выберем таким же, как и для устройства выборки и хранения.
Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом усиления разностного сигнала не менее чем
Этот коэффициент изменяется в пределах  , т.е.
Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем
Входное сопротивление  выберем из соотношения:
Выходное сопротивление согласующего усилителя
Напряжения источников питания выберем таким же, как и для остальных блоков аналогового тракта.
Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта
Р
исунок 2. Структурная схема управляющего тракта.
Для генерации импульсов выборки используем генератор сигналов прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают на управляющий вход УВХ.
В соответствии с заданием на проект за время хранения АЦП должен обработать сигналы с выходов 4 датчиков. Для управления мультиплексором, выполняющим переключение между датчиками используем счетчик (СТ). Два первых выхода счетчика подключены к адресным входам мультиплексора. Для генерации импульсов на запуск АЦП используем генератор запускающийся по заднему фронту импульса выборки (Г2). Этот генератор за время хранения должен выработать 4 импульса длительностью  с интервалом  .
Р
исунок 3. Временные диаграммы.
В соответствии с заданием на проект пуск АЦП должен происходить спустя время  после окончания импульса выборки. Для осуществления задержки используем генератор генерирующий импульс длительностью  , по заднему фронту импульса от Г2,.
Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта
Для реализации узлов управляющего тракта наиболее удобно использовать микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы на основе этой технологии имеют достаточное быстродействие, низкое энергопотребление и наиболее удобный (в данной ситуации) набор логических функций.
Согласно заданию на проект амплитуда импульсов пуска АЦП составляет 8¸12 В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ не превышает 5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению импульса пуска АЦП.
Для реализации генераторов импульсов выборки и пуска АЦП используем генераторы импульсов прямоугольной формы на основе мультивибраторов. Для реализации генератора задержки используем схему задержки на мультивибраторах.
Для питания узлов управляющего тракта потребуется напряжение:
Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему представленную на рисунке 4.
Р
исунок 4. Принципиальная схема согласующего усилителя
Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:
Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель К153УД2:
Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице. В этом случае резисторы R5¸R8 получаются одного номинала, что облегчает их подбор.
Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.
Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:
По паспортным данным , отсюда примем .
Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления резисторов R1 и R2. Примем его равным  . Тогда номиналы резисторов R3 и R4 определим по формуле:
Зная требуемый минимальный коэффициент усиления согласующего усилителя  , рассчитаем максимальное суммарное сопротивление резисторов R1 и R2:
Исходя из максимального коэффициента усиления  , определим минимальное значение суммарного сопротивления резисторов R1 и R2.
Номинал резистора R1 определим из стандартного ряда, по ближайшему меньшему значению  .
Номинал резистора R2 определим по формуле:
Подберем ближайший номинал из стандартного ряда  .
Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по формуле:
Оценим напряжение ошибки на выходе каскада, обусловленной дрейфом напряжений смещений нуля и разностных входных токов.
Сравним напряжение ошибки с 
Фильтр низких частот
Р
исунок 5. Фильтр низких частот
Устройство выборки-хранения
Р
исунок 6. Устройство выборки и хранения
Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают создавать микросхемы с более высокой степенью интеграции, предназначенные для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки и хранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов разрабатывают операционные узлы в виде БИС, способные обрабатывать аналоговую информацию без преобразования ее в цифровую форму.
Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные роботы.
В области преобразования данных основной движущей силой является стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону технологии КМДП, разработка преобразователей специального назначения и использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции погрешностей.
Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств, которые необходимы в микро-ЭВМ.
Методические указания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи» по теме «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы» /Сост. А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.
Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.
Микропроцессоры: В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В. Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш. Шк., 1986.
Цифровые и аналоговые интегральные схемы: Справ. Пособие / С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.; Под ред. С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985.
Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) - М. Патриот, 1993.
|
