Проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты (стр. 6 из 22)
1.4.2 Выбор ЦАП
В процессе поисков были обнаружены следующие цифро-аналоговые преобразователи, представленные в таблице 1.4.2.1.
Таблица 1.4.2.1
| Название | Производитель | Разрядность, бит | Напряжение питания, В | Динамический диапазон, дБ |
| AD1851 | Analog Device | 16 | +5 | 79 |
| LC7881 | Sanyo | 16 | 5 | 79 |
| MC144110 | Motorola | 6 | 5..15 | 36 |
| TDA1543 | Philips | 16 | 5 | 79 |
| CS4390 | Crystal | 16,18,24 | 5 | 79, 108, 144 |
Из приведенной таблицы следует, что наиболее предпочтительным для использования в проектируемом устройстве является ЦАП производимый фирмой Crystal Semiconductor CS4390. К тому же данный ЦАП имеет последовательный интерфейс, позволяющий напрямую подключить данный ЦАП к последовательному порту микропроцессора. Поэтому была выбрана микросхема CS4390.
1.4.3 Выбор АЦП
В процессе поисков подходящих АЦП для проектируемой системы, были найдены следующие микросхемы АЦП, приведенные в таблице 1.4.3.1.
Таблица 1.4.3.1
| Название | Производитель | Разрядность | Частота дискретизации, кГц |
| AD768 | Analog Device | 12 | 200 |
| TLC1549 | Texas Instruments | 10 | 38 |
| TLC2558 | Texas Instruments | 12 | 38 |
| CS5360 | Crystal Semiconductor | 16, 18, 24 | 50 |
Из приведенной таблицы видно, что наилучшими характеристиками для проектируемой системы обладает АЦП фирмы Crystal Semiconductor CS5360. Разрядность N= 16 данного АЦП позволяет определять напряжение сигнала с точностью
До DU= 76×10-6В определять амплитуду сигнала, что удовлетворяет условиям технического задания, а наличие последовательного цифрового интерфейса позволяет наиболее простым способом подключить данную микросхему к микропроцессору. Выбираю микросхему CS5360.
1.4.4 Выбор аттенюирующего ЦАП
Аттенюирующий ЦАП используется для управления амплитудой генерируемого сигнала и регулирования амплитуды входного сигнала. Необходимость регулирования амплитуды входного сигнала, поступающего на АЦП, обусловлена необходимостью определения амплитуды входного сигнала с максимально возможной точностью. Этого можно добиться, если перед оцифровкой входного сигнала АЦП входной сигнал усилить таким образом, чтобы он занимал весь динамический диапазон АЦП. Исходя из этих соображений и следует выбирать аттенюирующий ЦАП.
Из технического задания следует, что максимальный уровень входного сигнала равен +16 дБ (относительно 0,775 В). Преобразовав по общеизвестной формуле
уровень в напряжение, получил, что максимальная амплитуда напряжения равна 4,88 В. Соответственно минимальный уровень напряжения из технического задания равен –30 дБ или 0,0245В.
Поскольку максимальный уровень напряжения который может быть подан на выбранный АЦП составляет 5В, следовательно аттенюирующий ЦАП должен пропускать без затухания максимальный уровень входного сигнала и усиливать минимальный приблизительно до 5В.
Определим минимально необходимый динамический диапазон усиления входного сигнала. Данная величина вычисляется по общеизвестной формуле:
Подставив в данную формулу максимальное(5 В) и минимальное(0,0245 В) напряжение получил, что минимальный динамический диапазон D равен 46дБ. Поскольку для оцифровки сигнала в хорошем качестве необходимо чтобы сигнал занимал не менее 95 процентов динамического диапазона АЦП, шаг перестройки аттенюирующего ЦАП должен быть не более DU= (1-0,95)*5В= 0,25В. Шаг перестройки связан с разрядностью ЦАП. Таким образом разрядность данного ЦАП должна быть не менее N=max(log2(Umax/DU))=5.
В ходе поисков были найдены следующие, пригодные для аттенюации ЦАП, представленные в таблице 1.4.4.1.
Таблица 1.4.4.1
| Название | Производитель | Разрядность | Потребляемая мощность, Вт |
| DAC715 | Texas Instruments | 16 | 1,6 |
| MAX504 | Maxim | 10 | 1,2 |
| AD7112 | Analog Device | 8 | 1 |
Наиболее подходящим является ЦАП фирмы Analog Device AD7112. Таблица ослабления (усиления) сигнала в зависимости от поданного на ЦАП кода приведена в приложении 1.
1.4.5 Выбор регистра
Поскольку большинство используемых элементов производится фирмой Texas Instruments, был выбран регистр производства данной фирмы. Так как в схеме используются три группы реле, управляющие коммутацией (первая – для управления подачей сигнала генератора в анализируемую цепь, вторая – для управления подключением анализатора, третья – для управления подачей сигнала генератора на анализатор напрямую, минуя анализируемую цепь), для управления достаточно 4х разрядного регистра. Выбираю регистр фирмы Texas Instruments 74LS194A.
1.4.6 Выбор операционного усилителя
В процессе поисков операционных усилителей были найдены следующие микросхемы, представленные в таблице 1.4.6.1.
Таблица 1.4.6.1
| Название | Производитель | Потребляемый ток, мкА | Напряжение питания, В |
| OP07 | Texas Instruments | 150 | +3.. +15 |
| MC33172 | Motorola | 180 | +1,5..+22 |
| MCP601 | Microchip | 375 | 2,7..5,5 |
| MAX475 | Maxim | 145 | +3.. +15 |
Из таблицы видно, что наилучшими характеристиками обладает операционный усилитель фирмы Maxim. Кроме того одна микросхема этой фирмы содержит четыре операционных усилителя, что позволяет сократить количество используемых в изделии микросхем и тем самым повысить общую надежность устройства. Поэтому была выбрана микросхема операционного усилителя фирмы Maxim MAX475CPD/MXM.
1.4.7 Выбор реле
Для коммутации входных и выходных цепей необходимы реле. Поскольку скорость коммутации в проектируемом устройстве невелика, можно использовать электромеханические реле (катушка индуктивности управляет контактами ключа), которые обеспечивают наилучшую линейность передачи сигналов большой и малой амплитуды. В ходе поисков электронных компонентов были найдены следующие элементы, представленные в таблице 1.4.7.1
Таблица 1.4.7.1
| Название | Производитель | Переключаемое максимальное напряжение, В | Rзамк. конт, мОм | Потребляемая мощность, мВт |
| G2RL | OMRON | 300 | 100 | 400 |
| G6B | OMRON | 125 | 30 | 280 |
| P2 | AXICOM | 220 | 50 | 140 |
| DIP0,5-1A72 | MEDER | 200 | 30 | 120 |
Из приведенных данных видно, что целесообразнее всего применить реле DIP0,5-1A72, так как оно имеет наименьшую потребляемую мощность и удовлетворяет характеристикам проектируемого устройства.
1.4.8 Расчет параметров элементов ФНЧ для устранения внеполосного шума ЦАП
В руководстве по использованию ЦАП CS4390 указана необходимость использования фильтра нижних частот на выходе ЦАПа из-за достаточно высокого уровня внеполосного шума производимого данным ЦАПом. Спектр выходного шума показан на рисунке 1.4.8.1
Рисунок 1.4.8.1
где Fд – частота дискретизации
Рекомендуемые применения ЦАП компании Crystal требуют двухполюсный фильтр для снижения внеполосного шума. На рисунке 1.4.8.2 представлена схема данного фильтра [2].
Рисунок 1.4.8.2
В [2] приведен порядок проектирования данного вида фильтров. Он включает в себя следующие шаги:
1.Определяется требуемое среднеквадратическое значение сигнала в полосе пропускания фильтра, Но. Данная величина берется со знаком минус вследствие инвертирующей конфигурации включения операционного усилителя в составе фильтра.
2.Выбирается желаемый тип фильтра, Баттерворта, Бесселя и т. д. и частота среза для окончательного проектирования. Частота среза определяет полосу частотной и фазовой характеристик фильтра. Тип фильтра определяет коэффициенты α и β, необходимые для проектирования. В таблице 1.4.8.1 показаны коэффициенты для нескольких типов фильтров.
Таблица 1.4.8.1
| Тип фильтра | Α | β |
| Баттерворта | 0,7071 | 0,7071 |
| Бесселя | 1,1030 | 0,6368 |
| Чебышева, 0.01дБ пульсации | 0,6743 | 0,7075 |
| Чебышева, 0.1 дБ Пульсации | 0,6104 | 0,7106 |
3.Выбираются стандартные значения для С5 и С2. Эти значения используются на четвертом шаге и должны быть выбраны таким образом, чтобы значение
было действительным. Где К=С5/С2.
4.По данным Fc, Но, С2, С5, α, β, вычисляются R1, R3, R4, используя следующие формулы. Но будет отрицательным из-за инверсного включения операционного усилителя.
