Структурную схему можно представить так, как отображено на рисунке 12:

       

Рисунок 6 Структурная схема

       Основной  частью прибора является ЦАП МАХ504, который предназначен для преобразования входного цифрового кода в выходную аналоговую величину напряжения.

       Входной интерфейс поступает по шине «I2C» типа.

       Аналоговый  сигнал, выходящий из ЦАП, поступает  в операционный усилитель.

       Полная  структурная схема представлена в приложении А.

 

4 Разработка принципиальной схемы устройства

       Исходя  из разработанной структурной схемы, можно выделить следующие части  проектируемой схемы.

       Реализуем шину I2C, для этого к линии данных и синхронизации подводим провод питания.

       Цифро-аналоговый преобразователь должен преобразовывать цифровой код в аналоговое напряжение для дальнейшей обработки системами, оперирующими с аналоговыми сигналами.

       Аналоговый сигнал на выходе из ЦАП не превышает ±2,5 В, по заданию нужно ±5 В. Для усиления сигнала в схему включен операционный усилитель. Переводим ЦАП в биполярный режим соединяя резистор биполярного смещения с контактами опорного напряжения.

       Источник  питания должен служить для обеспечения  функционирования входящих в схему  устройств. Для упрощения схем питания  предполагается выбирать для использования  элементы с одинаковыми требованиями к питающим напряжениям.

       Полная  принципиальная схема представлена на приложении Б.

       4.1 Выбор цифро-аналогового преобразователя

       Критерием выбора ЦАП являются его параметры: число разрядов, быстродействие, точность, стоимость.

       Указанным в задании требованиям удовлетворяет  10 - разрядный ЦАП напряжения МАХ504.

ИС MAX504 являются экономичными, 10-ти разрядными ЦАП напряжения. Они предназначены  для питания от источника ±5 В. ИС MAX504 (с встроенным источником опорного напряжения) потребляет только 260 мкА.

ИС выпускается  в корпусах 14-Pin DIP и SO, имеет предустановленные  уровни смещения напряжения, усиления, и линейности, так что, дополнительная регулировка параметров не требуется.

Встроенный в MAX504 ОУ может быть сконфигурирован  для работы с коэффициентами усиления 1 или 2, а также, для работы с униполярным/биполярным выводом выходного напряжения. MAX504 также, может быть использован, как  четырех - квадратурный умножитель без необходимости подключения внешних резисторов или ОУ.

       Функциональная электрическая схема ЦАП МАХ504 показана на рисунке 7:

       

Рисунок 7 Функциональная электрическая схема ЦАП МАХ504

        Условное графическое обозначение показано на рисунке 8: 
 
 
 

Рисунок 8  Условное графическое обозначение МАХ504:

1 - Резистор биполярного смещения/усиления;

2 - Вход последовательных данных;

3 - Очистка. Асинхронная установка регистров DAC в нулевое состояние;

4 - Вход последовательного синхросигнала;

5 - Выбор кристалла. Активен низким уровнем;

6 - Выход последовательных данных для цепочечного включения;

7 - Цифровая  земля;

8 - Аналоговая земля;

9 - Вход опорного напряжения;

10 - Выход опорного напряжения 2,048 В;

11 - Отрицательное напряжение питания;

12 - Выход DAC;

13 - Положительное напряжение питания;

14 - Резистор обратной связи;

       4.3 Усиление выходного сигнала

       Для усиления выходного сигнала используем операционный усилитель. Для выбранной микросхемы ЦАП подходит ОУ.

Условное  графическое обозначение К574УД1А показано на рисунке 9:

Рисунок 9 Условное графическое обозначение К574УД1А [12]:

3 -  неинвертирующий вход;

2 -  инвертирующий вход;

6 – выход;

7 -  плюс источника питания;

4 - минус источника -питания;

5,1 - балансировки (коррекции смещения);

       4.4 Описание работы принципиальной схемы

       По  шине I2C, включающей в себя линию данных и канал синхронизации, с подведенным к ним питанием, на схему DD1 (ЦАП МАХ504) поступает код. В ЦАПе код преобразовывается в аналоговое напряжение 2В. Напряжение усиливается с помощью операционного усилителя  К574УД1А  (схема DA5) до 5 В. При помощи соединения резистора биполярного смещения с контактами опорного напряжения на выходе DA5 получаем дополнительное напряжение, равное по значению и противоположному по знаку напряжение старшего бита. На выходе ОУ получаем требуемое напряжение:-5 ÷ +5В.

 

5 Расчет источников питания

       5.1 Расчет источника питания на + 5 В

       Определим максимальный ток нагрузки для источника питания на +5 В. Величина токов ИС:

• ток, потребляемый ИС МАХ504       0,26 мА
• ток, потребляемый шиной I2C               5,6 мА

       Итого Σ=5,86 мА.

       Дано:  U_H=5(В) - требуемое напряжение нагрузки, I_H^max=0,00586(A) - максимальный ток нагрузки, U_ВХ=220(В) - входное напряжение блока питания, частота входного напряжения f=50(Гц) , допустимое отклонение питающего напряжения a=0,01, т.е. ±1%.

       Для питания радиоаппаратуры часто  используется схема стабилизатора  напряжения на базе интегральной микросхемы DA1, двухполупериодного мостового выпрямителя VD1, сглаживающего конденсатора C1 и понижающего сетевого трансформатора T1 (рисунок 10, где U_I-напряжение первичной обмотки, U_II-напряжение вторичной обмотки, U_VD1-падение напряжения на диодном мосте, U_C1-напряжение на конденсаторе С1, U_DA1-падение напряжение на микросхеме DA1).

Рисунок 10 Принципиальная схема источника постоянного напряжения

       Выбираем  микросхему стабилизатора DA1:

       Характеристики  данной микросхемы должны удовлетворять  следующим условиям

    (5.1)

   (5.2)

       Выбираем  в качестве DA1 микросхему типа КР142ЕН5А с параметрами, указанными в таблице 1.

       Таблица 1 Параметры микросхемы КР142ЕН5А [9]

         

       Данная  микросхема удовлетворяет условиям (5.1) и (5.2).

       Рассчитываем  минимально необходимую величину постоянного  напряжения U_C, которая требуется для работы .

 (В)   (5.3)

       Таким образом, напряжение на конденсаторе С1 никогда не должно падать ниже уровня 7,5(В).

       Рассчитываем  емкость конденсатора

       Напряжение  на конденсаторе С1 имеет вид (рисунок 11):

Рисунок 11 Напряжение на конденсаторе

       Пусть ∆U_C1=1(B). Конденсатор можно рассчитать по следующей формуле

                                                                (5.4)

       Формула справедлива только для двухтактной  схемы выпрямления.

                                              (5.5)

       При этом минимально необходимое амплитудное  значение напряжение на конденсаторе U_C1 составит:

            (5.6)

       Рассчитываем  минимальное амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора :

   (5.7)

       где U_VD1=1,4(В) - падение напряжения на диодном мосте VD1, оно рассчитывается как сумма падения напряжений на двух открытых диодах и равна 0,7·2=1,4(В).

       Рассчитываем  минимальное действующее значение на вторичной обмотке

                    (5.8)           

       Рассчитываем  номинальное действующее значение напряжения на вторичной обмотке, т.е. при U_ВХ=220(В):

       (5.9)

       Выбор трансформатора T1.

       В данной схеме к трансформатору предъявляются  следующие требования:

 (5.10)

 (5.11)

       Выбираем  трансформатор T1 типа ТПК2-12 [9] со следующими характеристиками:

       Таблица 2 Параметры трансформатора ТПК2-12

         

       Для трансформатора выбранного типа условия  (5.10) и (5.11) выполняются.

       С учетом параметров выбранного трансформатора рассчитываем максимальное амплитудное  значение напряжения на конденсаторе С1:

    (5.12)

       Напряжение  не превышает 15(В) – максимально возможного входного напряжения стабилизатора DA1. Кроме того, зная точно , определяем тип конденсатора C1: выбираем электролитический конденсатор марки К50-6 [5], макимальное напряжение 16 (В), емкость 2000 (мкФ).

       C1: К50-6 – 2000 мкФ – 16В

       Рассчитываем  мощность, выделяемую на микросхеме DA1:

    (5.13)