Аналоговый цифровой преобразователь с промежуточным буфером при высокой скорости поступления данных (стр. 1 из 3)

Министерство образования Российской Федерации

Уральский Государственный технический университет

Кафедра Автоматика и управление в технических системах

АЦП с промежуточным буфером при высокой скорости поступления данных

Екатеринбург 2008

Реферат

Нами была разработана система аналого-цифрового преобразования быстроизменяющегося аналогового сигнала в параллельный восьмиразрядный код, система преобразования параллельного цифрового кода в последовательный цифровой код, а так же система управления данным преобразователем. Были разработаны структурная и принципиальная схемы системы.

Разработанная система позволяет измерять входное напряжение в диапазоне U_вх = –2,5.. 2,5 В с погрешностью ±0,01 В. Также предусмотрена схема защиты входа АЦП от перегрузок.

Генератор тактовых импульсов выдает сигнал с частотой f = 1 МГц, что позволяет производить 100.000 измерений в секунду (по десять тактов на измерение). Высокая скорость позволяет измерять кратковременные изменения напряжения.

В схеме предусмотрен временный буфер для хранения данных и преобразователь параллельного кода в последовательный, что дает возможность передавать данные по линии связи (например на компьютер) для их дальнейшей обработки.

Система управления позволяет синхронизировать работу всей схемы. Она управляет работой микросхем подавая сигналы управления в определенное время соответствующим микросхемам.

Данная система преобразования может быть использована во многих устройствах и системах измерения, где требуется высокая скорость измерения при достаточно малой погрешности измерения.

Схема содержит достаточно хорошо распространенные элементы и микросхемы, и может быть собрана в ручную. Схема содержит элементы подстройки.

Проект содержит 20 стр., 3 табл., 11 рис., 1 стр. приложения, 8 назв. библ.

Введение

В наше время большое распространение получили цифровые системы обработки сигналов. Для этого необходим преобразователь аналогового сигнала в цифровой код.

В данном проекте необходимо разработать быстродействующий аналого-цифровой преобразователь с временным буфером для хранения данных и преобразователь параллельного цифрового кода в последовательный цифровой код. Так же необходимо разработать систему управления данным преобразователем.

Данный курсовой проект посвящен разработке структурной и принципиальной схем такого преобразователя.

1. Структурная схема

Структурная схема преобразователя аналогового сигнала в последовательный код содержит следующие элементы:

ОУ – схема включения согласующего операционного усилителя

АЦП – аналого-цифровой преобразователь (преобразователь аналогового сигнала в параллельный восьмиразрядный код)

ПК – преобразователь параллельного восьмиразрядного кода в последовательный

ГТИ – задающий генератор тактовых импульсов

УУ – устройство управления преобразователем

Рис. 1. Структурная схема преобразователя

где

АС – аналоговый сигнал (напряжение U_вх)

САС – согласованный аналоговый сигнал

ПВК – параллельный восьмиразрядный код

ЦК – цифровой код (последовательный код)

ИС – импульсы синхронизации (тактовые импульсы)

ИУ – импульсы управления

2. Принципиальная схема

На основе структурной схемы была разработана принципиальная схема.

2.1 Выбор основной элементной базы

Генератор тактовых импульсов строится на микросхеме К155ЛА3 и кварцевом резонаторе ZQ1.

Счетчик импульсов представляет из себя микросхему К555ИЕ9.

Устройство управления строится на логических элементах – микросхемы К555ЛН1, К555ЛИ6 и К555ЛА2.

В качестве АЦП возьмем микросхему К1108ПВ1А.

Преобразователь параллельного кода в последовательный построим на микросхеме К555ИР9.

Схема сопряжения содержит операционный усилитель типа К574УД1.

В качестве линии связи используется 2-х проводная витая пара типа МГТФ.

Перечень элементов представлен в приложении.

2.2 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Мы используем микросхему быстродействующего функционально законченного АЦП последовательного приближения К1108ПВ1А предназначенную для преобразования аналогового сигнала в двоичный параллельный цифровой код.

Микросхема рассчитана на преобразование однополярного входного напряжения в диапазоне от 0 до 3 В, при максимальной частоте преобразования 1,33 МГц для восьмиразрядного режима.

Для работы АЦП К1108ПВ1А требуется несколько внешних керамических конденсаторов и источники напряжения U_cc1 = 5 В ± 5% и U_cc2 = -5,2 В±5%. Мощность потребляемая от источников питания, не превышает 0,85 Вт. Конденсатор С9 необходим для частотной коррекции ОУ и фильтрации помех.

Для работы в восьмиразрядном режиме вход SE10/8 соединяется с шиной отрицательного источника питания U_cc2.

Цикл преобразования в режиме восьмиразрядного АЦП состоит из 10 тактов (восемь рабочих в процессе кодирования и по одному служебному в начале и конце цикла преобразования).

Цикл начинается с первым отрицательным фронтом тактового импульса после поступления команды ST. Во время первого служебного такта осуществляется сброс регистров и установление напряжения на входе селектора опорных уровней.

В течение следующих восьми тактов происходит кодирование аналогового сигнала при условии, что он зафиксирован на входе АЦП.

На десятом такте код из регистра хранения переписывается в выходной регистр, после чего формируется сигнал готовности данных. Появление на выходе RAD сигнала логический 0 свидетельствует о смене информации в выходном регистре и ее хранении весь следующий цикл преобразования.

Для считывания информации необходимо подать на вход ERD сигнал логический 0.

Запуск АЦП считается устойчивым, если сигнал ST подается в течение одного периода тактовой частоты с момента начала очередного цикла (t = 1 мкс).

К ТТЛ ЦИС микросхема К1108ПВ1А подключается без дополнительных устройств сопряжения.

Рис. 2. ИС К1108ПВ1А

Назначение выводов ИС К1108ПВ1А

1. Цифровой выход CP

2. Цифровой выход

3. Цифровой выход

4. Цифровой выход

5. Цифровой выход

6. Цифровой выход

7. Цифровой выход

8. Цифровой выход

9. Цифровой выход

10. Цифровой выход MP

11. Готовность данных RAD

12. Напряжение питания U_cc2

13. Укороченный цикл SE10/8

14. Общий (цифровая земля)

15. Напряжение питания U_cc2

16. Коррекция СУ EC₁

17. Аналоговый вход U_IRN

18. Внешний ИОН U_REF

19. Коррекция ОУ ИОН FC₂

20. Общий (аналоговая земля)

21. Напряжение питания U_cc1

22. Запуск ST

23. Тактовый вход CLK

24. Разрешение считывания ERD

Микросхема К1108ПВ1А имеет следующие характеристики

(U_cc1 = 5,25 В; U_cc1 = -5,25 В; U¹_вых³ 2,4 В; U⁰_вых£ 0,4 В; I_{потр сс1}£ 50 мА;

I_{потр сс2}£ 130 мА; I⁰_вх£ 2,5 мА; I¹_вх£ 0,4 мА; I⁰_вых³ 3,2 мА; I¹_вых³ 0,1 мА; t_здр£ 60 нс)

Потребляемая мощность микросхемы К1108ПВ1А равна: P_потр£850 мВт

2.3 Преобразователь параллельного кода в последовательный код

Для этой цели используется восьмиразрядный сдвиговый регистр К555ИР9 (DD6). Этот регистр позволяет записывать параллельный восьмиразрядный код. Преобразование параллельного кода в последовательный происходит за восемь тактов подаваемых на синхронизирующий вход С. На первом такте подаваемом на вход С параллельный восьмиразрядный код записывается как Q₀¸Q₇ (Q_i – состояние выхода i-го разряда), для этого подаем низкий потенциал на вход ®WR переключая тем самым регистр в режим записи. На первом такте значение Q₇ передается на выход. На втором такте подаваемом на С параллельный код Q₀¸Q₇ сдвигается на один разряд Q₀®Q₁, Q₁®Q₂, …, Q₆®Q₇. Последовательный вход D® заземляем, поэтому в первый разряд записывается нуль (Q₀ = 0). На выходе появляется следующий импульс. За восемь тактов весь код выходит из регистра последовательно. Вывод DE не используем и тоже заземляем.

Рис. 3. ИС К555ИР9

Назначение выводов ИС К555ИР9

1. Запись-чтение ®WR

2. Тактовый вход C

3. Вход D4

4. Вход D5

5. Вход D6

6. Вход D7

7. Инверсный выход Q7

8. Общий GND

9. Прямой выход Q7

10. Последовательный вход D®

11. Вход D0

12. Вход D1

13. Вход D2

14. Вход D3

15. Задержка такта DE

16. Питание U_cc

Таблица истинности ИС К555ИР9

Таблица 1

Входы					Выходы
WR	DE	C	D®	D0-D7	Q0	Q1	Q7
L	X	X	X	d0-d7	d0	d1	d7
H	L	L	X	X	Q00	Q10	Q70
H	L	H	X	H	Q0n	Q6n
H	L	L	X	L	Q0n	Q6n
H	H	X	X	X	Q00	Q10	Q70

Микросхема К555ИР9 имеет следующие характеристики

(U_cc = 5,25 В; U¹_вых³ 0,5 В; U⁰_вых³ 2,4 В; I_потр£ 20 мА; I⁰_вх£ 0,4 мА; I¹_вх£ 0,02 мА;

I⁰_вых³ 8 мА; I¹_вых£ -2,6 мА; t_здр£ 65 нс)

Потребляемая мощность микросхемы К555ИР9 равна: P_потр = 105 мВт

2.4 Схема включения согласующего операционного усилителя

Мы используем схему подключения согласующего операционного усилителя для преобразования двухполярного входного напряжения. В ней используется инвертирующий режим усиления (по отношению к U_вх) и диодная схем защиты АЦП при перегрузках. Напряжение на входе АЦП связано с входным сигналом следующим соотношением