АЦП с двойным интегрированием

Министерство путей  сообщения Российской Федерации

Дальневосточный государственный университет путей  сообщения

 

 

 

 

 

 

Кафедра: «Телекоммуникаций»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

На тему: «АЦП с двойным интегрированием»

 

К.П.2107.022-226

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Cуняйкин Д.К.

                                                                           Проверил: Нахалов В.А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хабаровск, 2004г..

СОДЕРЖАНИЕ

1. Задание на курсовой проект …………………………………………... 3

Введение…… …………………………………………………………………4

2.  Разработка структурной схемы АЦП…………………………….…... 6

3. Описание основных блоков схемы…………………………….……... 9

3.1 Интегратор и Расчёт……………………………………..………… 9

3.2 Компаратор и Расчёт………………………………..……………... 11

3.3 Триггер и Расчёт………………………………..………………….. 13

3.4 Счетчик ……………………………………..………………………. 15

3.5 Генератор тактовых импульсов и Расчёт.…………………….. 17

     3.6 Формирователь ……………………..……………………………… 21

4. Принципиальная схема устройства ……………………………………22

7.  Спецификация  элементов ………………………………………………24

Заключение  …………………………………………………………….. 25

8.   Литература ………………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание на  курсовой проект:

1. Разработать аналого-цифровой преобразователь с двойным интегрированием.
2. Построить временные диаграммы и описать работу АЦП.
3. Описать работу выбранных блоков.
4. Провести расчет генератора тактовых импульсов ГТИ. 

 

Исходные данные:

Напряжение  входа U = 5 В

Тактовая частота F = 60 КГц

Опорное напряжение U = 8 В

Разрядность счетчика n = 8

Скважность для ГТИ  – Q = 4

Элементная база для ГТИ  –  на транзисторах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В данном курсовом проекте разработано  устройство аналого-цифрового преобразователя. Данное устройство предназначено для  преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов, то есть осуществлять переход от аналогового сигнала к сигналу в цифровой форме.

Аналого-цифровой преобразователь  с двойным интегрированием является разновидностью устройств, реализующих  метод последовательного счета. АЦП данного класса отличаются повышенной точностью и помехозащищенностью.

К настоящему времени  разработано большое число АЦП, отличающихся по функциональному составу, назначению, электрическим, конструктивным и другим характеристикам. Это многообразие устройств является следствием различия требований, предъявляемых к АЦП конкретными условиями их применения.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Разработка структурной схемы АЦП

 

Идея построения АЦП с двойным  интегрированием заключается в  следующем.

В  начале запускающий импульс  устанавливает триггер Т1 в единицу. При этом транзисторы VT1 и VT2 формирователя открываются, ключ на транзисторе VT4 закрывается и открывается ключ VT3.

Таким образом на вход интегратора (А) подается входное напряжение. В течение некоторого фиксированного временного интервала t₁ входной сигнал интегрируется аналоговым интегратором. Полагая, что на этом интервале U_инф (информационная составляющая сигнала) постоянно, а в момент времени t = 0 выходное напряжение интегратора равнялось нулю, для момента t₁ можно записать

U₁ =

U_инфt /RC

     Напряжение будет спадать от уровня открытого диода и в момент равенства напряжения нулю, срабатывает компаратор и триггер Т2 установится в единицу, которая поступает на схему «И» (В) и импульсы ГТИ поступят на суммирующий вход счетчика. На выходе интегратора напряжение будет спадать до тех пор, пока счетчик не переполнится. В момент переполнения счетчика, с него поступит сигнал о переполнении, который  установит  триггер Т1 в состояние 0.

Таким образом, транзисторы VT1, VT2, VT3 закрываются, а транзистор VT4 открывается. Далее к входу интегратора подключают некоторое опорное (эталонное) напряжение U_оп, полярность которого противоположна полярности напряжения U_инф. интегрирование опорного напряжения ведут до тех пор, пока его выходное напряжение не уменьшится до нуля. Если опорное напряжение постоянно, то можно записать

U₁ =

U_инфt ₁ /RC – U_оп (t ₂ - t ₁) /RC = 0

Решая относительно временного интервала △t = t₂ – t₁, получаем

△t =  U_инфt₁/ U_оп

откуда следует, что интервал △t не зависит от собственных параметров интегратора и определяется только временем интегрирования входного сигнала и опорным напряжением.

Компаратор установит  триггер Т2 в состояние 0, и импульсы перестают поступать от ГТИ на суммирующий вход счетчика. 

Если в течение интервала  △t посчитать число импульсов некоторой тактовой частоты f_T , то полученный код будет пропорционален входному напряжению. При этом выходной код М будет пропорционален U_инф

М =  U_инфt₁ f_T / U_оп

Если выполнить условие U_оп  > U_инф , то интервал t₁ будет всегда больше интервала △t и его можно задать, посчитав число импульсов той же частоты f_T  тем же счетчиком

t₁ = 2ⁿ / f_T

Отсюда получаем, что 

М = 2ⁿU_инф/ U_оп

Из данного выражения  следует, что при таком способе  реализации выходной код АЦП зависит  только от U_инф и U_оп и, следовательно, долговременные нестабильности как интегратора (RC), так и задающего генератора не влияют на точность преобразования. Именно этим и объясняется высокая точность и помехозащищенность данного АЦП.

Структурная схема АЦП с двойным  интегрированием.  Рис.1

 

 

Временная диаграмма, поясняющая работу АЦП (рис.2)

 

 

Рис. 2

 

 

3.Описание составных блоков схемы

 

3.1 Интегратор

Интегратором  называется устройство, входной сигнал которого пропорционален интегралу  по времени от его входного сигнала. Данная схема является инвертирующим  усилителем, в цепь обратной связи  которого включен конденсатор С  и диод. В данной схеме I₁ = I _C = U_вх /R. Если U_вх = const, то I _C также величина постоянная. Схема интегратора применяется для получения линейно изменяющегося напряжения с высокой точностью линейности.

Запишем для  инвертирующего входа ОУ уравнение по 1 закону Кирхгофа (U_{вх и} = U_{вх н})

U_вх/R = -С dU_вых dt      или      dU_вых = - (1/С R) U_вх dt

Откуда 

U_вых = - (1/С R) U_вх dt

 

 Интегратор в схеме  АЦП с двойным интегрированием  осуществляет линейное увеличение  напряжения на конденсаторе с течением времени, а затем посредством подключения напряжения обратного знака осуществляется разряд конденсатора до тех пор пока выход интегратора не вернется в исходное состояние (рис.2).

   

   

 

U_вых

 

 

 

 

                      t                            T                        t

Рис.3

Когда данное напряжение уменьшится до 0 В, сработает компаратор.

Расчёт  интегратора

Интегратор в данном курсовом проекте  построен на базе операционного усилителя  К140УД8. Е_ПИТ = 15 В

Е_ПИТ = ±15 В       U_СИНФ = ±15В          U_ВЫХMAX = ±11 В            R_ВХ= 1 Мом   

T = 2ⁿ/f = 256/60000 = 4.3 10^-3 с.

t =   T U_ВХ / U_ОП = 2.7  10^-3 с.

Емкость  С =  0,05 мкФ и R = 10 Ком, диод типа Д311

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Компаратор

 

Компаратор  – устройство сравнения аналоговых сигналов,  выполняет функцию  сравнения либо 2-х входных сигналов между собой, либо одного входного сигнала  с некоторым наперед заданным эталонным уровнем. При этом на выходе устройства формируется только 2 значения выходного сигнала: если один из сравниваемых сигналов больше другого, то выходной сигнал равен А_в, в противном случае выходной сигнал равен А_н. Наиболее часто под А_в и А_н подразумевают напряжения. В общем случае напряжения могут отличаться как по величине, так и по знаку.

Схема компаратора. (рис.3)

 

                                                 Рис.4

Если выходной сигнал компаратора используется для  управления интегральными цифровыми  микросхемами, у которых U_пит = 5 В, то необходимо использовать ограничитель на диодах.

Временная диаграмма, поясняющая работу компаратора.

 

Рис.5

Расчёт    компаратор

Компаратор, как и интегратор, выполнен на базе операционного усилителя  К554СА2.     Е_ПИТ = +12/-6 В             

У данной микросхемы выходное напряжение уже согласовано с ТТЛ –  логикой, то есть для управления интегральными  цифровыми микросхемами нет необходимости  ставить ограничители.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3  RS – триггер

Триггер – устройство, способное формировать два устойчивых значения выходного сигнала и  скачкообразно изменять эти значения под действием внешнего управляющего сигнала. Именно способность формировать  на выходе два устойчивых значения сигнала, которые могут поддерживаться без изменения сколь угодно длительный промежуток времени, и позволяет применять триггер в качестве элемента памяти.

У RS – триггеров поочередное поступление импульсов на информационные входы (R и S) ведет к смене состояния триггера. Если после подачи импульса на вход R импульс на вход S не поступит, а на вход R придет ёще один импульс (3 импульс на входе R), то на этот повторный импульс триггер не отреагирует и состояние не изменится. То же самое и для входа S (4 импульс на входе S).

 

Временная диаграмма.

S

 

 

R

 

Q

 

 

 

 

Рис.6

 

Одновременное поступление импульсов на входы R и S не разрешается. Рекомендация избегать определенной комбинации входных сигналов связана не с опасностью повреждения интегральной микросхемы,  а с возможностью прихода в так называемое неопределенное состояние, которое заранее нельзя предсказать (1 или 0), то есть устройство не будет действовать как истинный триггер с двумя строго определенными взаимно инверсными выходными уровнями (Q и ).

 

 

S	R	Qn+1
0	0	Qn
1	0	1
0	1	0
1	1	0 – не рекомендуется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4   Двоичный счетчик

В качестве устройства регистрирующего  количество импульсов прошедших за определенное время используется счетчик. Счетчиком называется последовательное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде. В данном курсовом проекте в качестве счетчика используется микросхема К155ИЕ7 (рис. 5).