Преобразователь аналого-цифровой с последовательным приближением

Схема электрическая структурная.cdw

ПЗ.doc

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 2
Принцип работы АЦП последовательного приближения и структура аналого-
цифрового преобразователя 4
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 6
1 РАСЧЕТ ЧИСЛА РАЗРЯДОВ АЦП 6
2 РАСЧЕТ ЧАСТОТЫ ДИСКРИТИЗАЦИИ 7
ПРОЕКТИРОВАНИ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АЦП 9
1 ВХОДНОЙ ПОВТОРИТЕЛЬ 9
2 АНАЛОГОВЫЙ КОММУТАТОР 11
3 ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ 12
4 СХЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАКА 14
5 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АМПЛИТУДНЫХ ЗНАЧЕНИЙ (ПАЗ) 15
6 ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 17
7 МАСШТАБИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ И СХЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ПРЕДЕЛА
8 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕВЫПРЕМЛЕННОГО ЗАЧЕНИЯ (ПСЗ) 20
9 УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ - ХРАНЕНИЯ 22
10 АНАЛОГО–ЦИФРОВОЙ ПЕРОБРАЗОВАТЕЛЬ 23
11 ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЛОКА ВЫХОДНЫХ РЕГИСТРОВ 25
12 СХЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ 26
АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ АЦП 28
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 31
Разработать аналого–цифровой преобразователь с входным мультиплексором
устройством выборки–хранения автоматическим выбором пределов измерения
автоматической начальной предустановкой в исходное состояние
автоматическим циклическим выбором номера датчика различными видами
запуска (ручной от внешнего генератора от внутреннего генератора) со
следующими основными характеристиками:
– Пределы измерения напряжения В
– Класс точности (cd)
– Входное сопротивление не менее МОм
– Время измерения по одному каналу не более с
– Диапазон рабочих температур °С
– Непрерывный спектр входного сигнала имеет следующий вид:
Рисунок 1 - Спектр непрерывного входного сигнала
Способ преобразования выбирается исходя из требований по точности и
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) - служат для преобразования
исходной аналоговой величины в соответствующий ей цифровой эквивалент –
код являющейся выходной величиной преобразователя.
В данном проекте разработан АЦП поразрядного уравновешивания (иначе
последовательного приближения) который обладает сравнительно большим
быстродействием и точностью преобразования. Характеристики преобразования
АЦП приведены в техническом задании.
АЦП используются во всех областях науки и техники где необходима
обработка хранение измерение и преобразование аналоговых сигналов.
В курсовой работе разработаны структурная и принципиальная схемы АЦП
рассчитаны необходимое число разрядов и частота дискретизации рассчитаны
основные узлы АЦП: входные повторители схема выбора канала измерения
активный фильтр низших частот пиковый детектор автоматическая схема
выбора пределов измерения прецизионный выпрямитель схема определения
знака схема синхронизации.
цифрового преобразователя
Преобразователь последовательного приближения называемый в литературе
также АЦП с поразрядным уравновешиванием в настоящее время является
наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП [2]. В основе
работы этого АЦП лежит принцип дихотомии т.е. последовательного сравнения
измеряемой величины с 12 14 18 и т.д. от ее полной шкалы.
Структура АЦП представлена на Рисунке 2. В состав АЦП входят регистр
последовательного приближения (РПП) цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)
компаратор напряжений. Выходы РПП соединены с входами ЦАП. Компаратор
сравнивает входное напряжение преобразуемое в код и выходное напряжение
ЦАП. Выход компаратора соединен с входом РПП. Работа АЦП тактируется
импульсами с выхода генератора тактовых импульсов
Рисунок 2 – Структурная схема АЦП последовательного приближения
АЦП работает следующим образом. После подачи на РПП сигнала «Старт» и
прохождения 2 тактовых импульсов на выходе старшего разряда РПП
устанавливается 0 а на остальных выходах – 1 на выходе ЦАП формируется
напряжение равное половине преобразуемого диапазона входных напряжений.
Компаратор сравнивает его с входным и если входное напряжение превышает
напряжение с выхода ЦАП на его выходе устанавливается 1 если меньше - на
выходе компаратора устанавливается 0. 3 тактовый импульс записывает
состояние выхода компаратора в выходной триггер старшего разряда и на
выходе следующего разряда РПП устанавливается 0 и снова компаратор
сравнивает входное напряжение и напряжение на выходе ЦАП. Далее процедура
повторяется со следующими разрядами РПП и после 18 такта на выходе РПП
образуется двоичный восьмиразрядный код преобразованного входного
напряжения и формируется сигнал «Готовность» сигнализирующий об окончании
преобразования и по которому производится запись кода в выходной регистр.
АЦП состоит из 16-канального блока входных повторителей коммутатора
входных каналов активного фильтра низких частот блока автоматического
выбора пределов измерения блока определения знака масштабирующего
усилителя прецизионного двухполупериодного выпрямителя устройства выборки-
хранения регистра последовательных приближений ЦАП компаратора схемы
управления тактового генератора.
Блок входных повторителей напряжения необходим для получения требуемого
входного сопротивления.
Схема определения знака составлена на компараторе который переключается
при переходе входного сигнала через ноль.
Схема выбора пределов измерения автоматически изменяет коэффициент
передачи т.е. приводит значение входного сигнала к основному пределу
измерения равному 3В.
Прецизионный выпрямитель среднего значения собран на двух операционных
Устройство выборки хранения выдает постоянное напряжение на входе АЦП в
течение времени преобразования.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
1 РАСЧЕТ ЧИСЛА РАЗРЯДОВ АЦП
Разрядность АЦП определяется исходя из заданного класса точности.
Согласно техническому заданию класс точности преобразователя равен
00.05. Пределы допускаемой относительной основной погрешности
преобразования определяются по формуле:
где с и d – безразмерные коэффициенты выраженные в процентах (даны в
техническом задании а Хmax – предел измерения (для заданного диапазона
изменения измеряемой величины это будет нормируемый основной предел 3В).
Относительная основная погрешность преобразования в конце шкалы прибора
не должна превышать 10%. Можно определить максимальный шаг квантования
Поскольку максимальный предел преобразователя равен 3В то максимальный
шаг квантования равен 30 мВ. Определим разрядность АЦП.
Округляем до m=7. По указаниям консультанта выбираем разрядность АЦП m=8.
Тогда шаг квантования будет равен
2 РАСЧЕТ ЧАСТОТЫ ДИСКРИТИЗАЦИИ
Для исключения потери информации после преобразования и устранения
избыточности информации в устройстве применяется фильтр низших частот
(ФНЧ). Спектральная характеристика ФНЧ должна быть такой чтобы в полосе
пропускания находилось не менее 95% от спектральной мощности входного
сигнала. Спектральная мощность оценивается по площади спектра. Строим
некомпактный спектр и аппроксимируем его синусойдой (Рисунок 3).
Рисунок 3 - Спектр сигнала
Расчет площади спектра проводим геометрически.
Площадь спектра состоит из трех областей S1S2 S3.
Разобъем площадь спектра на квадраты S1 квадрата=10*005=05 ед2.
Находим количество клеток: N=N1+N2+N3 N=2807 кл.
ФНЧ пропускает только 95% от Sспектра т.е. Sпропуск.= [pic] ед2 что
соответствует количеству квадратов N4 =[pic]кл.
N4-N=2807-267=137 кл. Откладываем справа 137 кл. и определяем
Частота дискретизации по теореме Котельникова:
где Кз - коэффициент запаса (по рекомендации консультанта примем
Кз=14) fв- верхняя граничная частота равная 170 кГц.
При преобразовании сигнала производится выпрямление его схемой
двухполупериодного преобразователя средневыпрямленных значений. Это требует
увеличить частоту дискретизации в 2 раза так как спектр становится шире в
Период дискретизации будет равен: [pic]мкс.
Частота дискретизации по теореме Бернштейна:
где Xmax - основной предел измерения fв- верхняя граничная частота
[pic]- погрешность аппроксимации при восстановлении сигнала по его
дискретным значениям. Примем равным шагу квантования h.
ПРОЕКТИРОВАНИ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АЦП
1 ВХОДНОЙ ПОВТОРИТЕЛЬ
Для обеспечения требуемого в техническом задании входного сопротивления
RВХ необходимо на вход каждого канала измерения включить повторитель
напряжения. Выберем следующую схему повторителя на операционном усилителе
(ОУ) где сигнал подается на инвертирующий вход (Рисунок 4):
Рисунок 4 - Входной повторитель напряжения
Данная схема обеспечивает стабильность коэффициента преобразования в
широком диапазоне частот а входное сопротивление полностью определяется
резистором R1. В данном случае R1 = Rвх = 1Мом. Коэффициент преобразования
схемы K = - R2R1. Для повторителя коэффициент преобразования равен 1
значит R2 = R1 = 1Мом.
Резистор R3 введен для уменьшения дифференциального постоянного
сигнала появляющегося на входе ОУ при температурных изменениях входных
В качестве ОУ DA1 возьмем К140УД26А (см. приложение А). Так как данный
ОУ имеет напряжение смещения UСМ ≤ 30 мкВ что на порядок меньше шага
дискретизации h=1176 мВ то коррекция 0 не обязательна.
Из стандартных рядов выберем номиналы резисторов:
R1 R2 R4 R5 R7 R8 R10 R11 R13 R14 R16 R17 R19 R20 R22
R23 R25 R26 R28 R29 R31 R32 R34 R35 R37 R38 R40 R41 R43 R44
R46 R47 : C2-29В-0125Вт-1 МОм±1% (ряд Е96) [3];
R3 R6 R9 R12 R15 R18 R21 R24 R27 R30 R33 R36 R39 R42 R45
R48: C2-33H-05Вт-05 МОм±1% (ряд Е96) [3].
2 АНАЛОГОВЫЙ КОММУТАТОР
В качестве аналогового коммутатора DA17 выберем микросхему MAX306 (см.
приложение Б) (Рисунок 5). Она служит для коммутации сигналов с входных
повторителей напряжения на фильтр низких частот. Выбор канала можно
производить циклически и в ручном режиме с помощью ключа SW1. В ручном
режиме номер канала задается с XS1 при этом SW1 находится в замкнутом
положении. Соответственно в разомкнутом – циклический режим. На адресные
входы поступает код который выставляется с счетчика DD8
Рисунок 5 – Коммутатор входных сигналов
3 ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ
В качестве ФНЧ выберем фильтр Баттерворта так как он имеет гладкую
спектральную характеристику без пульсации в зонах пропускания и
заграждения нормированная АЧХ имеет вид [6] :
где [p c – частота среза; n –
Применим фильтр Баттерворта на основе операционных усилителей со
структурой Саллена-Ки второго порядка. Частота среза фильтра fс вычислена
выше и составляет 170 кГц.
Рисунок 6 - Схема фильтра низших частот
В [6] рекомендуется следующий порядок расчета ФНЧ: А=1 b=14142;
Из стандартного ряда Е192 выберем номинал конденсатора С1=59 пФ.
Из стандартного ряда Е192 выберем номинал конденсатора С2=294 пФ.
R50= 2242 кОм. Из стандартного ряда Е96 выберем номинал резистора
R51= 226 кОм. Из стандартного ряда Е96 выберем номинал резистора
В качестве ОУ DA18 используем микросхему К140УД26А (см. приложение А).
Выбираем типы резисторов и конденсаторов:
С1: К10-52-П120-100В-59 пФ±05% (из ряда Е192) [4];
С2: К10-52-П120-100В-294 пФ±05% (из ряда Е192) [4];
R50: C2-33H-0125Вт-223 кОм±1% (из ряда Е96) [3];
R51: C2-33H-0125Вт-226 кОм±1% (из ряда Е96) [3];
4 СХЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАКА
В качестве определителя знака входного сигнала используем компаратор
DA23 (Рисунок 7). Его переключение происходит при переходе входного сигнала
через ноль. Для отслеживания этого события сигнал подаем на прямой вход
компаратора а инверсный заземляем. При положительном сигнале на входе
компаратора на его выходе будет логическая единица при отрицательном –
Рисунок 7 - Схема определения знака
В качестве компаратор DA23 используем - микросхему К521СА3 (см.
5 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АМПЛИТУДНЫХ ЗНАЧЕНИЙ (ПАЗ)
Для работы схемы автоматического выбора пределов измерения необходимо
простейший пиковый детектор с ОУ DA19 (активный преобразователь амплитудных
Сигнал с ФНЧ поступает на пиковый детектор где запоминается максимальное
амплитудное значение сигнала. Далее это значение подается на сторожевые
компараторы схемы выбора предела измерения которая определяет коэффициент
усиления исходя из уровня сигнала.
Схема пикового детектора представлена на Рисунке 8.
Рисунок 8 - Пиковый детектор
ПАЗ работает следующим образом. Преобразуемое переменное напряжение
подается на неинвертирующий вход ОУ DA19. Если Uвх > 0 диод VD1 смещается
в прямом направлении подключая С3 к выходу ОУ DA19. Конденсатор С3
заряжается до амплитудного значения Uвх с постоянной времени определяемой
емкостью С3 и малым выходным сопротивлением ОУ DA19 с единичной
отрицательной обратной связью. При уменьшении Uвх диод VD1 смещается в
обратном направлении отключая С3 от выхода усилителя. Скорость разряда
определяется значениями конденсатора С3 и резистора R52. Диод VD2 фиксирует
выходное напряжение ОУ DA19 на уровне равном –Uд что уменьшает время
необходимое для перехода от режима разряда конденсатора С3 к режиму
заряда. Погрешность преобразования определяется неидеальностью ОУ DA19
конечным значением обратного сопротивления диодов и наличием тока утечки
конденсатора С3. Номинал конденсатора С3 определяется исходя из того что
постоянная времени ПАЗ должна быть примерно в 3 раза больше чем частота
где [pic] - постоянная времени разряда ПАЗ.
Примем R52=2 кОм тогда [pic] [пФ].
В качестве ОУ DA19 используем микросхему К140УД26А (см. приложение А)
в качестве VD1 и VD2 выбираем диоды типа КД512А [12].
Выберем резистор и конденсатор следующих типов и номиналов:
R52: C2-33Н-025Вт-2 кОм±1% (ряд Е96) [3];
C3: К71-6-300В-175 пФ±5% (ряд Е96) [4].
6 ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Для схемы автоматического выбора предела измерения и микросхемы ЦАП
требуются опорное напряжения 3В. Используем микросхему AD780 (см.
приложение Л) её выходное напряжение +3В. Схема источника опорного
напряжения изображена на Рисунке 9.
Рисунок 9 - Источник опорного напряжения на 3В
Выберем конденсатор следующих типов и номиналов:
С4: К10-52-П120-100В- 1 мкФ±05% (из ряда Е192) [4];
Схема автоматического выбора предела измерения служит для приведения
значения входного сигнала к основному пределу 3 В посредством масштабного
усилителя. Схема выполняющую эту функцию приведена на Рисунке 10.
Рисунок 10 - Масштабирующий усилитель со схемой автоматического выбора
Сигнал с выхода ПАЗ поступает на инвертирующие входы компараторов DA21
DA22 которые замыкают или размыкают ключи DA25 код с выходов
компараторов который определяет предел измерения идет на выходные
Опорное напряжение задается источником опорных напряжений DA20 и равно
В. Если Uвх менее 0.01В то оба компаратора открыты если находится в
пределах 0.01 0.1В DA21 открывается и DA21 закрывается если более 0.1В
то оба компаратора закрыты. Исходя из этого условия определим значения
резисторов R53 R54 и R55.
Примем R55=100 Ом тогда R54=9* R55=900 Ом R53=290* R55=29 кОм.
) Предел 1В когда Uвх≤1В то на выходе обоих компараторов логический
ноль и в цепь ОС DA24 включаются R58 и R*59 при этом коэффициент передачи
К должен быть равен 3:
Примем номинал резистора R56=1 кОм
R58=3*09=27 кОм R59*=3*02=06 кОм.
) Предел 01В когда Uвх≤01В то на выходе компаратора DA21
логическая единица а на выходе компаратора DА22 логический ноль и в цепь
ОС DA24 включаются R60 и R*61 при этом коэффициент передачи К должен быть
R60=30*09=27 кОм R61*=30*02=6 кОм.
) Предел 001В когда Uвх≤001В то на выходе обоих компараторов
логическая единица и в цепь ОС DA24 включаются R62 и R*63 при этом
коэффициент передачи К должен быть равен 300:
R62=300*09=270 кОм R63*=300*02=60 кОм.
В качестве ОУ DA24 используем микросхему К140УД26А (см. приложение A)
в качестве компараторов DA21 DA22 используем микросхему К521СА3 (см.
приложение B) в качестве аналогового ключа DA25 микросхему КР590КН5(см.
приложение Г). Для коррекции смещения нуля выбранного ОУ введем
сопротивление балансировки R64.
Выберем резисторы следующих типов и номиналов:
R53: C2-29В-0125Вт-287 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R54: C2-29В-0125Вт-887 Ом±1% (ряд Е96) [3];
R55: C2-29В-0125Вт-100 Ом±1% (ряд Е96) [3];
R56: C2-29В-0125Вт-1 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R57: C2-29В-0125Вт-487 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R58: C2-29В-0125Вт-267 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R59*: CП5-2ВА-05Вт-604 Ом±1% (ряд Е96) [3];
R60: C2-29В-0125Вт-267 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R61*: CП5-2ВА-05Вт-604 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R62: C2-29В-0125Вт-267 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R63*: CП5-2ВА-05Вт-604 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R64: CП5-16ВА-025Вт-10 кОм±5% (ряд Е6) [3];
8 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕВЫПРЕМЛЕННОГО ЗАЧЕНИЯ (ПСЗ)
ПСЗ необходим для преобразования переменного напряжения в постоянное
пропорциональное его средневыпрямленному значению так как цифро-аналоговый
преобразователь выдает однополярное положительное напряжение.
В качестве преобразователя средневыпрямленных значений выберем
двухполупериодный выпрямитель с заземленной нагрузкой [6]. Его схема
представлена на Рисунке 11.
Рисунок 11 - Преобразователь средневыпрямленного значения
Выходное напряжение на ОУ DA27 равно
При выполнении условия:
выходное напряжение будет однополярным и пропорциональным
средневыпрямленному значению входного переменного напряжения.
Возьмем R72 = 198 кОм R73* = 220 Ом тогда R72+R73* = 22 кОм.
Для того чтобы коэффициент усиления ОУ DA27 равнялся 1 необходимо
Сопротивление R70 найдем из условия:
В качестве выпрямительных элементов VD3 VD4 используются импульсные ВЧ
диоды типа КД522А [13]. Сопротивление R68 должно быть в 100-200 раз больше
прямого сопротивления диодов VD3 VD4. Возьмем R68 = 220 Ом.
Коэффициент усиления ОУ DA26 для положительной полуволны входного
сигнала должен быть 1 для чего необходимо выполнение условия R65 = R68 =
Сопротивление R34 находится из условия:
Для устранения напряжения смещения 0 включим в цепь внешней
балансировки ОУ DA27 резисторы R71.
В качестве ОУ DA26 и DA27 используем микросхему К140УД26А (см.
R65 R68: C2-29В-0125Вт-221 Ом±1% (ряд Е96) [3];
R66: C2-33H-025Вт-110 Ом±1% (ряд Е96) [3];
R71: CП5-16ВА-025Вт-10 кОм±5% (ряд Е6) [3];
R69 R67: C2-29В-0125Вт-221 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R70: C2-33H-025Вт-732 Ом±1% (ряд Е96) [3];
R72: C2-29В-0125Вт-196 кОм±1% (ряд Е96) [3];
R73*: CП5-2ВА-05Вт-220 Ом±5% (ряд Е6) [3].
9 УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ - ХРАНЕНИЯ
Схему выборки-хранения построим по параллельной структуре для того
чтобы исключить время выборки из цикла преобразования АЦП тем самым
повысить быстродействие системы. Схема представлена на Рисунке 12.
Рисунок 12 - Схема выборки-хранения
Выпрямленное напряжение поступает с ПСЗ на входы УВХ DA28 и DA29
которые работают в парафазном режиме; также в парафазном режиме работает и
ключ DA30 который подключает выходы УВХ ко входу компаратора АЦП. УВХ и
ключ стробируются управляющими импульсами с схемы синхронизации.
Время хранения УВХ равняется времени преобразования АЦП:
На выходе УВХ поставим сглаживающую RC-цепочку параметры которой
выбираются из условия:
где [pic] т.е. [pic].
Возьмем R74=100 Ом тогда C7=1961 пФ.
В качестве УВХ DA28 и DA29 возьмем микросхему 1100СК2 (см. приложение
Д) ключ DA30 – микросхема КР590КН5 (см. приложение Г).
Выберем резисторы и конденсаторы следующих типов и номиналов:
R74: C2-29В-0125Вт-100 Ом±1% (ряд Е96) [3];
С5С6: К10-52-П120-100В- 1 нФ±05% (из ряда Е192) [4];
C7: К71-6-300В-196 пФ±1% (ряд Е96) [4].
10 АНАЛОГО–ЦИФРОВОЙ ПЕРОБРАЗОВАТЕЛЬ
АЦП реализован на следующих элементах: 8-разрядный регистр для
последовательного приближения (РПП) DD9 (микросхема ТТЛ 74502 см.
приложение Е) ЦАП с токовым выходом DD10 (микросхема DAC908 см.
приложение Ж) преобразователь ток-напряжение (ПТН) на ОУ DA32 (микросхема
КР154УД4А см. приложение И) компаратор DA31 (микросхема MAX912 см.
приложение З). Схема АЦП представлена на Рисунке 13.
Рисунок 13 - Схема АЦП последовательного приближения
Зная частоту дискретизации рассчитываем частоту тактовых сигналов
подаваемых на тактовые входа РПП и ЦАП.
Время преобразования АЦП рассчитывается исходя из того что каждый
разряд устанавливается за два такта и плюс к этому время необходимое для
старта и сигнала завершения преобразования [pic].
где [pic] – время преобразования [pic] – период тактовой частоты
[pic] – частота дискретизации.
R75: C2-29В-0125Вт-2 кОм±01% (ряд Е96) [3];
R76*: CП5-2ВА-05Вт-33 Ом±5% (ряд Е6) [3];
C8: К71-6-300В-01 мкФ±5% (ряд Е96) [4].
11 ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЛОКА ВЫХОДНЫХ РЕГИСТРОВ
Код преобразования АЦП необходимо выдавать на выход лишь после того
как РПП закончит свой цикл преобразования. По сигналу Qcc идет запись в
выходные регистры. Код полученный в результате предыдущего цикла
необходимо держать на выходе в течение всего следующего цикла
преобразования. Данную функцию выполняют выходные регистры DD11 DD12. В
качестве выходных регистров выбираем микросхему К555ИР22 [11].
Схема включения выходных регистров представлена на Рисунке 14.
Рисунок 14 - Схема включения блоков выходных регистров
Выходной код имеет 15 разрядов:
D0 D7 – 8-разрядный выходной код;
D8D9 – предел измерения: 00 – предел 1В
– запрещенная комбинация
D10 – знак : 1 – положительный
D12 D14 – 4-разрядный код номера канала измерения.
12 СХЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ
Частота работы АЦП равна 19 МГц полный цикл преобразования составляет
тактов (105 мкс). В качестве генератора DD4 тактовой частоты возьмем
ГК200-ТС (см. приложение К) этой частотой тактируется РПП DD9. Схема
синхронизации состоит из двух 4-х разрядных счетчиков дешифратора RS-
триггера и ключа 2-И. Схема синхронизации представлена на Рисунке 15.
Рисунок 15 – Схема синхронизации
Стробирование УВХ и выбор каналов датчиков будем производить по сигналу
на выходе Q6 дешифратора DD6.
Ключ SW2 осуществляет выбор генератора между внешним и внутренним. В
автоматическом режиме работы ключ SW3 находится в нижнем положении тем
самым сигнал Qcc (завершение преобразования) с выхода РПП объединяясь с
тактовой частотой GN на элементе DD2.2 будет запускать РПП по новому
циклу. В верхнем положении ключа SW3 осуществляется разовый запуск РПП с
помощью кнопки SB1. Для этого предусмотрена схема дребезга на RS-триггере
DD7. Инверторы DD3 необходимы для согласования прямых и инверсных входов
R78 R79: C2-29В-0125Вт-10 кОм±01% (ряд Е96) [3];
Начальной предустановкой в исходное состояние требуют все счетчики и
генератор тактовой частоты. Необходимо при подаче питания на АЦП
сформировать импульс длительностью времени установления выходной частоты
тактового генератора равный 5с. Схема сброса представлена Рисунке 16.
Рисунок 16 - Схема автоматического сброса
При подаче питания конденсатор С9 заряжается через резистор R80 до
напряжения +5В тем самым формируется импульс сброса. Длительность
вырабатываемого импульса tСБР = 5с через параметры схемы она определяется
Зададимся С9 = 220 мкФ тогда:
Возьмем элементы схемы следующих типов и номиналов:
С9: К10-9-М47-25В-220 мкФ±5% (ряд Е24) [4];
R80: С2-33Н-0125Вт-154 кОм±5% (ряд Е24) [3];
АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ АЦП
Погрешность входного повторителя.
а) Погрешность обусловленная нестабильностью коэффициента усиления
где КU – коэффициент усиления напряжения ОУ К140УД26А (см. приложение
А) – коэффициент обратной связи.
Абсолютная погрешность коэффициента усиления:
Относительная погрешность:
б) Погрешность от наличия напряжения смещения (аддитивная):
где Uсм = 30мкВ – напряжение смещения ОУ К140УД26А (см. приложение А).
Погрешность фильтра низких частот.
Погрешности устройства выборки-хранения.
а) Погрешность УВХ обусловленная изменением напряжения за время
хранения на накопительном конденсаторе (аддитивная)
где Vразр – скорость разряда накопительного конденсатора (см.
б) Погрешность недозаряда конденсатора (мультипликативная).
Погрешности цифро-аналогового преобразователя
а) Погрешность квантования:
б) дифференциальная нелинейность LD=±05h имеет случайный характер и
является аддитивной погрешностью:
в) погрешность шкалы считаем пренебрежимо малой.
Погрешность компаратора.
Обусловлена порогом нечувствительности компаратора (аддитивная).
Суммирование погрешностей отдельных узлов устройства производим по
алгебраическому закону так как эти погрешности некоррелированные.
((АДД=(ВХП+(ФНЧ+(ПСЗ+(УВХ+(ЦАП+(КОМП=
03+0003+0003+00014+06+005=06604%
((мульт = (УВХ = 01%.
Определим коэффициенты c и d:
В результате проектирования разработан АЦП последовательного
приближения со следующими техническими характеристиками:
- пределы измерения напряжения: 10-2 В; 10-1 В 1В;
- количество каналов измерения: 16;
- входное сопротивление: 1Мом;
- полоса пропускания: 170 кГц;
- частота дискретизации: 952 кГц;
- время измерения по одному каналу: 105*10-6с;
- класс точности: 0760400134
что соответсвует требованиям технического задания.
Аналоговые измерительные устройства: Учеб.пособие В. Г. Гусев А.
В. Мулик; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа 1996. – 147 с.: ил.
Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных
устройств. 2-е изд. испр. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI» 2007. – 528
Гендин Г.С. Все о резисторах: Справочник. – М.:Горячаялини-
Телеком1999. ППЗУ-192.: ил. – (Массовая радиобиблиотека; 1239).
Справочник по электрическим конденсаторам М. Н. Дьяконов В. И.
Карабанов В. И. Присняков и др.; Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. Ф.
Смирнова. — М.: Радио и связь 1983. — 576 е.; ил.
Гусев В. Г. Гусев Ю. М. Электроника: Учеб.пособие для
приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. школа
Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.
– 2-е изд. перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние 1988.
Усатенко С.Т. Каченюк Т.К. Терехова М.В. Выполнение электрических
схем по ЕСКД: Справочник. - 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Издательство
стандартов 1992. – 316 с.
Микросхемы АЦП и ЦАП. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI» 2005. –
Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦПЦАП. – М.: Техносфера 2006. –
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник С. Я.
Якубовский Л. И. Ниссельсон В. И. Кулешова и др.; Под ред. С. Я.
Якубовского. – М.: Радио и связь 1990. – 496 с.: ил.
Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд.
испр.-Челябинск: Металлургия Челябинское от. 1989.-352с.:-(Массовая
радиобиблиотека. Вып.1111)
Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства: Учебное пособие
для вузов. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. школа 1981. – 335 с.:
Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы:
Справочник А. И. Аксёнов А. В. Нефедов А. М. Юшин; Под ред. А. И.
Аксёнова. – М.: Радио и связь 1993. – 135 с.: ил.
Изм. Лмст № Докум. Дата
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

(ГОТОВАЯ)Схема электрическая принципиальная - копия - копия.cdw

Аналоговую и цифровую земли объединить на минусовой
клемме источника питания +5В
Питание микросхем в соотвествии с таблицей;
Установить коэффициент передачи аналоговой части схемы равным
подстроечным резистором R71 по инструкции НО.286.234.2 ТУ
Смещение нуля мсх DA24 выставить не более 15 мкВ подстроечным
резистором R64 по инструкции НО.452.164.2-1 ТУ;
*Номинал подобрать при настройке по инструкции НО.134.567.8 ТУ;
Монтаж элементов выполнить пайкой волной по интсрукции
НО.122.864.6.ТУ на установке "Гладиолус-2М".
''Выбор генератора''

(3)ПЭ.cdw

(1)ПЭ.cdw

К10-52-П120-100В-59 пФ
К10-52-П120-100В-294 пФ
К10-52-П120-100В-1 мкФ
К10-52-П120-100В-1 нФ
К10-86-Н30-33В-01 мкФ
К10-9-М47-25В-220 мкФ
DA1 DA16DA18DA19DA24
ГК200-ТС-2Е-9HR-190M-A-КМОП-5В-[Z10]

ПРИЛОЖЕНИЯ.doc

Операционный усилитель К140УД26 АМ
Прецизионный 16-ти канальный аналоговый мультиплексор MAX306
Прецизионный компаратор напряжений К521СА3
Четырехканальный аналоговый ключ К590КН5
Устройства выборки и хранения аналогового сигнала К1100СК2
-Разрядный регистр для последовательного приближения в АЦП (аналог
Цифро-аналоговый преобразователь DAC908
Быстродействующий прецизионный компаратор MAX912
Сверхбыстрый операционный усилитель КР154УД4А
Микросхемы относится к классу операционных усилителей (ОУ) общего
применения с хорошими динамическими параметрами обеспечивающими широкий
частотный диапазон при полном использовании динамического диапазона
выходных сигналов. При этом динамические параметры обеспечиваются без
применения внешних элементов компенсации. Одновременно эти ОУ обладают
хорошими статическими параметрами (малые входные токи большие коэффициент
усиления и подавление синфазного сигнала). Микросхемы имеют защиту от
короткого замыканию по выходу работают в широком диапазоне питающих
напряжений. Микросхемы отличается от стандартных ОУ малым потреблением при
нормальной нагрузочной способности. Такое сочетание динамических и
статических параметров позволяет эффективно применять эти ОУ в самых
различных областях. Отличные параметры ОУ достигнуты за счет современной
технологии изготовления и оригинальных схемотехнических решений.
Важнейшие характеристики
Оптимизация статических и динамических характеристик
Защита от перегрузки по входу и выходу
Низкие искажения (AB выходной каскад)
Низкое потребление (0.12 мА)
Низкое смещение (0.5 мВ и 2.5 нА)
Частота единичного усиления 1 МГц
Прецизионный кварцевый генератор ГК200-ТС
Источник опорного напряжения AD780
Временные диаграммы работы

(2)ПЭ.cdw

R25R26R28R29R31R32R34R35
R37R38R40R41R43R44R46R47
R3R6R9R12R15R18R21R24
R27R30R33R36R39R42R45R48
R1R2R4R5R7R8R10R11R13
R14R16R17R19R20R22R23