Федеральное
агентство по образованию
Государственное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«ТОМСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет
- Физико-технический
Направление
(специальность) - Ядерные
физика и технологии
Кафедра
- Физико-энергетические установки
РАЗРАБОТКА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
МОДУЛЯ АНАЛОГОВОГО ВЫВОДА
Пояснительная
записка к курсовому проекту
по курсу: «Электротехника и электроника»
Студент
гр.0870
_______________________ Судакова Н.В.
(подпись)
______________________
(дата)
Руководитель
______________________
Горюнов А.Г.
Доцент
(подпись)
______________________
(дата)
Томск
- 2009
Реферат
Курсовой
проект 45 страниц, 19 рисунков, 10 таблиц,
12 источников, 3 листов графического
материала (приложения).
Цель
работы: разработать электрическую принципиальную
схему модуля аналогового вывода, удовлетворяющего
требованиям технического задания
Ключевые
слова: цифро-аналоговый преобразователь,
шина SPI, операционный усилитель.
Задания:
- Разработать
функциональную и электрическую принципиальную
схему устройства.
- Подобрать
элементную базу
Курсовой
проект выполнен в текстовом редакторе
Microsoft Word, графическом редакторе Microsoft
Office Visio.
Содержание
Реферат 3
1
Введение 5
2
Обзор литературы 7
2.1
Цифро-аналоговый преобразователь 7
2.1.1
Общие сведения 7
2.1.2
Последовательные ЦАП 11
2.1.3
Формирование выходного сигнала в виде
напряжения 14
2.2
Шина I2C 16
2.3
Операционный усилитель 17
3
Разработка структурной схемы устройства 19
4
Разработка принципиальной схемы устройства 20
4.1
Выбор цифро-аналогового преобразователя 20
4.3
Усиление выходного сигнала 22
4.4
Описание работы принципиальной схемы 22
5
Расчет источников питания 24
5.1
Расчет источника питания на + 5 В 24
5.2
Расчет источника питания на - 5 В 28
5.3
Расчет источника питания на + 15(В) 32
5.4
Расчет источника питания на –15(В) 35
6
Заключение 39
7
Список использованной литературы 40
1 Введение
Целью
моего курсового проекта является
разработка модуля аналогового вывода.
Для того чтобы выполнить курсовой
проект я собираюсь сделать обзор
литературы по данной теме. Собираюсь
выделить главные элементы, разработать
структурную и принципиальную схемы
устройства, выбрать ЦАП. Также собираюсь
описать работу принципиальной схемы,
произвести ее расчет и расчет источников
питания. В конце я сделать вывод о проделанной
работе.
За
последнее десятилетие в мире
создано более сотни типов
ИС ЦАП и АЦП, отличающихся по функциональному
составу и назначению, конструктивным,
электрическим и эксплуатационным
характеристикам. Известно их применение
совместно с микропроцессорами
и микроЭВМ в составе устройств
сопряжения с объектами и интерфейса,
а также использование в качестве
самостоятельных функциональных элементов
в узлах и блоках РЭА.
Современный
этап характеризует большие и
сверхбольшие интегральные схемы ЦАП
и АЦП, обладающих высокими эксплуатационными
параметрами: быстродействием, малыми
погрешностями, многоразрядностью. Цифро-аналоговые
и аналого-цифровые преобразователи
находят широкое применение в
различных областях современной
науки и техники. Они являются
неотъемлемой составной частью цифровых
измерительных приборов, систем преобразования
и отображения информации, программируемых
источников питания, индикаторов на
электронно-лучевых трубках, радиолокационных
систем, установок для контроля элементов
и микросхем, а также важными
компонентами различных автоматических
систем контроля и управления, устройств
ввода-вывода информации ЭВМ. На их основе
строят преобразователи и генераторы
практически любых функций, цифроуправляемые
аналоговые регистрирующие устройства,
корреляторы, анализаторы спектра и т.
д. Велики перспективы использования быстродействующих
преобразователей в телеметрии и телевидении.
Несомненно, серийный выпуск малогабаритных
и относительно дешевых ЦАП еще более
усилит тенденцию проникновения метода
дискретно-непрерывного преобразования
в сферу науки и техники.
Цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП) предназначен для
преобразования числа, определенного,
как правило, в виде двоичного
кода, в напряжение или ток, пропорциональные
значению цифрового кода. Схемотехника
цифро-аналоговых преобразователей весьма
разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная
схема ЦАП по схемотехническим признакам.
Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых
преобразователей классифицируются по
следующим признакам:
- По виду выходного
сигнала: с токовым выходом и выходом в
виде напряжения;
- По типу цифрового
интерфейса: с последовательным вводом
и с параллельным вводом входного
кода;
- По числу
ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;
- По быстродействию:
умеренного и высокого быстродействия.
Рис. 1 Классификация
ЦАП
2
Обзор литературы
2.1
Цифро-аналоговый преобразователь
2.1.1
Общие сведения
Цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП) — устройство
для преобразования цифрового (обычно
двоичного) кода в аналоговый сигнал
(ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые
преобразователи являются интерфейсом
между дискретным цифровым миром
и аналоговыми сигналами.
Типы
ЦАП:
- Широтно-импульсный
модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный
источник тока или напряжения периодически
включается на время, пропорциональное
преобразуемому цифровому коду, далее
полученная импульсная последовательность
фильтруется аналоговым фильтром низких
частот. Такой способ часто используется
для управления скоростью электромоторов,
а также становится популярным в Hi-Fi аудиотехнике;
- ЦАП
передискретизации, такие как дельта-cигма
ЦАП, основаны на изменяемой плотности
импульсов. Передискретизация позволяет
использовать ЦАП с меньшей разрядностью
для достижения большей разрядности итогового
преобразования; часто дельта-сигма ЦАП
строится на основе простейшего однобитного
ЦАП, который является практически линейным.
На ЦАП малой разрядности поступает импульсный
сигнал с модулированной плотностью импульсов
(c постоянной длительностью импульса,
но с изменяемой скважностью), создаваемый
с использованием отрицательной обратной
связи. Отрицательная обратная связь выступает
в роли фильтра высоких частот для шума
квантования. Большинство ЦАП большой
разрядности (более 16 бит) построены на
этом принципе вследствие его высокой
линейности и низкой стоимости. Быстродействие
дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч
отсчетов в секунду, разрядность — до
24 бит. Для генерации сигнала с модулированной
плотностью импульсов может быть использован
простой дельта-сигма модулятор первого
порядка или более высокого порядка как
MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением
частоты передискретизации смягчаются
требования, предъявляемые к выходному
фильтру низких частот и улучшается подавление
шума квантования;
- Взвешивающий
ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого
двоичного кода соответствует резистор
или источник тока, подключенный на общую
точку суммирования. Сила тока источника
(проводимость резистора) пропорциональна
весу бита, которому он соответствует.
Таким образом, все ненулевые биты кода
суммируются с весом. Взвешивающий метод
один из самых быстрых, но ему свойственна
низкая точность из-за необходимости наличия
набора множества различных прецизионных
источников или резисторов. По этой причине
взвешивающие ЦАП имеют разрядность не
более восьми бит;
- Цепная R-2R
схема является вариацией взвешивающего
ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются
в специальной схеме, состоящей из резисторов
с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет
существенно улучшить точность по сравнению
с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно
просто изготовить набор прецизионных
элементов с одинаковыми параметрами.
Недостатком метода является более низкая
скорость вследствие паразитной емкости;
- Сегментный
ЦАП содержит по одному источнику тока
или резистору на каждое возможное значении
выходного сигнала. Так, например, восьмибитный
ЦАП этого типа содержит 255 сегментов,
а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные
ЦАП имеют самое высокое быстродействие,
т.к. для преобразования достаточно замкнуть
один ключ, соответствующий входному коду;
- Гибридные
ЦАП используют комбинацию перечисленных
выше способов. Большинство микросхем
ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного
набора способов является компромиссом
между быстродействием, точностью и стоимостью
ЦАП.
Общие
характеристики:
- ЦАП находятся
в начале аналогового тракта любой системы,
поэтому параметры ЦАП во многом определяют
параметры всей системы в целом. Далее
перечислены наиболее важные характеристики
ЦАП.
- Разрядность
— количество различных уровней выходного
сигнала, которые ЦАП может воспроизвести.
Обычно задается в битах; количество бит
есть логарифм по основанию 2 от количества
уровней. Например, однобитный ЦАП способен
воспроизвести два (21) уровня, а восьмибитный
— 256 (28) уровней. Разрядность тесно связана
с эффективной разрядностью (англ. ENOB —
Effective Number of Bits), которая показывает реальное
разрешение, достижимое на данном ЦАП.
- Максимальная
частота дискретизации — максимальная
частота, на которой ЦАП может работать,
выдавая на выходе корректный результат.
В соответствии с теоремой Шенона-Найквиста
(известной также как теорема Котельникова),
для корректного воспроизведения аналогового
сигнала из цифровой формы необходимо,
чтобы частота дискретизации была не менее,
чем удвоенная максимальная частота в
спектре сигнала. Например, для воспроизведения
всего слышимого звука, спектр которого
простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы
звуковой сигнал был дискретизован с частотой
не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает
частоту дискретизации звукового сигнала
44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала
понадобится ЦАП, способный работать на
этой частоте. В дешевых компьютерных
звуковых картах частота дискретизации
составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные
на других частотах, подвергаются передискретизации
до 48 кГц, что частично ухудшает качество
сигнала.
- Монотонность
— свойство ЦАП увеличивать аналоговый
выходной сигнал при увеличении входного
кода.
- THD+N (суммарные
гармонические искажения + шум) — мера
искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом.
Выражается в процентах мощности гармоник
и шума в выходном сигнале. Важный параметр
при малосигнальных применениях ЦАП.
- Динамический
диапазон — соотношение наибольшего и
наименьшего сигналов, которые может воспроизвести
ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр
связан с разрядностью и шумовым порогом.
Статические
характеристики:
- DNL (дифференциальная
нелинейность) характеризует, насколько
приращение аналогового сигнала, полученное
при увеличении кода на 1 младший значащий
разряд (МЗР), отличается от правильного
значения.
- INL (интегральная
нелинейность) характеризует, насколько
передаточная характеристика ЦАП отличается
от идеальной. Идеальная характеристика
строго линейна; INL показывает, насколько
напряжение на выходе ЦАП при заданном
коде отстоит от линейной характеристики
выражается в МЗР.
- Усиление.
- Смещение.