АЦП с буферной памятью

Курсов.doc

1. Классификация и характеристики устройства 3
2. Разработка структурной схемы 4
3. Выбор элементной базы 6
4. Разработка функциональной схемы 12
Специальный раздел 14
1. Разработка принципиальной электрической схемы 14
2. Расчетная часть 16
2.1. Расчёт быстродействия 17
2.2 Расчет мощности потребляемой устройством 19
2.3. Расчет надёжности 20
Конструкторский раздел 21
1 Конструкция устройства 21
2 Сборка микросхем на плате 22
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 микро ЭВИ 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 много разрядностью. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи АЦП 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 АЦП еще более усилит тенденцию проникновения метода дискретно-непрерывного преобразования в сферу науки и техники. В настоящее время применяют три вида технологии производства АЦП: модульную гибридную и полупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИМС ЦАП и ИМС АЦП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем по-видимому в модульном и гибридном исполнении будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью.
1. Классификация существующих устройств
Классификация АЦП делится на 3 типа:
)АЦП последовательного приближения заключается в возможности организации синхронной и циклической работы производства уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде.
)АЦП считывания выполняет функцию параллельного преобразования входного напряжения в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) и с дополнением до двух (прямого или обратного).
)Интегрирующие АЦП предназначены для применения в измерительной аппаратуре различного назначения.
Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения точность – абсолютной погрешностью полной шкалы нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования tпрб т.е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе устанавливающегося кода.
По структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развёртывающего типа. Развёртывающие АЦП переводят аналоговый сигнал в цифровой последовательный начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. К этому типу можно отнести АЦП последовательного приближения со счётчиком.
К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойного интегрирования и параллельного действия. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того для построения схемы АЦП не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами.
2 Разработка структурной схемы
Схема АЦП с буферной памятью состоит из следующих блоков: генератор тактовых импульсов счётчик формирователь адресов буферную память составляет динамическое ОЗУ мультиплексор регистр последовательного приближения буферный регистр компаратор ЦАП и три логических элемента.
Генератор и счётчик формируют адресные коды в стартстопном или непрерывном режиме. Тактовая частота с которой производится дискретизация входного аналогового сигнала Ux зависит от динамических параметров элементов АЦП главным образом от времени установления ЦАП. С выхода микросхемы памяти мы снимаем восьмиразрядный цифровой код. Время одного измерения равно длительности установления на выходе буферного регистра цифрового кода отображающего значения амплитуды выборки входного сигнала Ux.
Структурная схема приведена на рисунке 1.
3 Выбор элементной базы
Микросхема КР537 РУ8
U1 B (H)=04 U0 B (L)=04
U2 B (L)=41 U0 B (H)=24
Микросхема имеет организацию 2К*8 бит (буквой К обозначают число равное 210=1024) и следовательно допускает запись или считывание информации восьмиразрядными словами (байтами).
Выбранные четыре бита информации параллельно проходят через разрядную схему и после усиления и формирования в выходном блоке появляются на обедненных входах – выходах. Все блоки работают одновременно и управляются сигналами выбора микросхемы CS записи – считывания WRRD либо их комбинацией вырабатываемой в блоке управления.
Микросхема К155ИР 17
СП1 – это схема двух четырех разрядных чисел имеет 11 входов четыре пары из них принимает четырехразрядных чисел А0 А3
и В0 В3 а три входа 1)
(АВ) 2) (А=В) 3) (А>В) необходимы для
увеличения емкости схемы (Рисунок 5).
Компаратор имеет 3 выхода: АВ А=В
Работа микросхемы таблица 5.
– общий 16 – напряжение питания.
14 2 1 7 9 10 11 4 5 8 – входы.
Входы сравнения данных
4 Разработка функциональной схемы
Устройство может работать в режимах измерения хранения измеренной информации и её вывода для индикации или регистрация в цифровой и аналоговой форме представления.
При наличии на входе Измерение сигнала 1 АЦП с частотой тактовых импульсов выбирает значения напряжения аналогового сигнала Ux и преобразует их в восьмиразрядный цифровой код снимаемый с выхода буферного регистра. Микросхема памяти включена параллельно цепи преобразования и находится в режиме записи. Цифровые сигналы с выхода компаратора поступают на вход микросхемы памяти и поразрядно записываются в накопитель по мере изменения адресов. Эта информация может быть сохранена заданное время при снятии разрешения со входа «Измерение». Микросхема в этом случае находится в режиме считывания но мультиплексор при отсутствии сигнала разрешения «Вывод» закрывает её выход для считывания.
В режиме вывода микросхема памяти включена через мультиплексор в цепь преобразования считываемых с её выхода по мере возрастания адресов сигналов в восьмиразрядный параллельный код на выходе буферного регистра и в соответствующий ему аналоговый уровень напряжения на выходе ЦАП. Выходные сигналы можно подать на регистрирующее устройство и индикатор например на экране осциллографа. В режиме вывода измерительной информации из накопителя мультиплексор исключает из цепи преобразования компаратор следовательно изменения его состояния под воздействием сигнала на входе Ux не влияют на вывод информации.
Схема функциональная представлена на рисунке 11.
1 ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ.
Компаратор DA1 преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Цифровой сигнал с выхода компаратора поступает на микросхему памяти. Формирование адреса для микросхемы памяти происходит следующим образом. Генератор собранный на микросхеме DD1 вырабатывает тактовые импульсы с частотой F0 которые поступают на вход счётчика собранного на микросхемах DD2- DD4 и на стробирующий вход регистра DD8. С выхода счётчика 12 – разрядный адрес поступает на входы данных микросхемы памяти.
Таким образом информация поступающая на вход данных микросхемы памяти записывается под управляющим сигналом WRITE в память микросхемы. С её выхода сигнал поступает на логический элемент ВВ7 с которого сигнал идёт на регистр сдвига DD8 который преобразует последовательный код в параллельный 8- ми разрядный код. Далее с выхода регистра временного хранения DD9 этот код поступает на цифровые выходы и на входы данных аналого- цифрового преобразователя DA1 который преобразует цифровой сигнал в аналоговый.
2.1 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ.
Надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции сохраняя свои эксплутационные показатели в течении требуемого промежутка времени.
Надежность схем должна обеспечивается правильным набором элементов правильным их соединением согласованием параметров грамотной эксплуатацией.
Для каждого элемента определяем минимальное среднее и максимальное значение интенсивности отказов.
Интенсивность отказов
Суммарное значение интенсивности отказов определяется по формулам.
где Ni – число элементов одного типа.
m – число типов элементов.
lmax =Ni liomax = (852+098+24+225) 10-6=
lcp = Ni liocp =(12+056+24+225) 10-6 =
lmin = Ni liomin =(0114+014+24+025)10-6=
Расчет вероятности безотказной работы в течение времени.
Pmax = e -lmin t = 0. 9415 l - интенсивность отказов
Pcp = e -lcp t = 0. 8989 е – натуральный логарифм =2.71
Pmin = e -lmax t = 0. 695 t – время испытаний
Наработка на отказ показывает какое количество часов схема будет работать без поломок.
2.2 РАСЧЕТ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ.
При построении схемы учитывается суммарное время прохождения сигнала через элементы.
Средняя задержка распространения сигнала (tзд ср) – это наиболее распространенный параметр характеризующий быстродействие логических интегральных схем и он определяется как время задержки переднего и заднего фронтов выходного напряжения.
tзд01 – время переключения каждого элемента из положения 0 в 1.
tзд10 – время переключения из 1в 0.
Определяем среднее время задержки распространения сигнала.
Находим общую задержку сигнала.
t = 40+23+100+40+20+120+32+22 = 307 нс
F= = 1 307 = 325 МГц
2.3РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ.
Рассчитываем мощность для каждой микросхемы а также общую мощность.
Определяется по формуле.
Pпот. = мощность всех элементов
Расчеты сведены в таблицу.
Суммарная мощность устройств равна;
Р = 3(430)+173+165+330+234+250+152+320=29 Вт
КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ.
Технические условия на сборку изделия:
Установленные размеры и радиусы гибких выводов электрорадиоэлементов обеспечить инструментом.
Установку элементов производить по ОСТ 4.010.030-81 шаг координатной сетки 05мм.
Формовка и установка ЭРЭ производится с соблюдением технических требований предъявляемых стандартами и техническими условиями на конкретные типы ЭРЭ. Расстояние между элементами между элементами и платой должно быть не менее 05мм. Высота установки элементов не должна превышать габаритного размера субблока.
ПОС-61 ГОСТ 21931-76.
Допускается наличие лаковых перемычек под микросхемами.
Позиционные обозначения элементов даны условно.
Покрытие (после контроля)- лак ЭП-730.9-УХЛ4.2ГОСТ 20824-81 кроме поверхности Б вилки XI.
Маркировать порядковый номер субблока первую букву наименования предприятия-изготовителя и последние две цифры года выпуска краской МКЭ белой по ОСТ 4ГО.054.205 УХЛ4. Шрифт 3 по НО.010.070.
2. РАЗРАБОТКА ПЛАТЫ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА.
2.1. Габаритные размеры платы
На чертежах приводятся габаритные размеры платы.
Расстояния между центрами печатных проводников контактов разъемов должны составлять 254 мм.
Платы должны изготавливаться из фольгированного стеклотекстолита толщиной 16 мм (отклонение не больше 02 мм). Коробление платы не должно превышать 13 мм на всей длине платы. Максимальная высота компонентов на собранной плате не должна превышать 10 мм.
2.2. Выбор технологического процесса изготовления печатных
Химический метод. При химическом методе изображение каким-либо способом например фотографическим офсетным или сеточным наносят на фольгированный диэлектрик закрепляют а затем металл с незащищённых участков удаляют химическим травлением. Этот способ по сравнению с другими характеризуются высокой производительностью однако неудобен тем что при его использовании отверстия остаются не металлизированными.
Электрохимический метод. При электрохимическом методе изображение наносят на изоляционное основание в котором затем сверлят или пробивают отверстия. На следующем этапе изготовления плату полностью покрывают слоем электропроводящего материала например серебра или графита. На обе стороны платы наносят негативное изображение схемы в виде защитного покрытия. После этого плату погружают в ванну меднения в которой медь осаждается на незащищённые участки и в отверстия. После меднения защитный слой и плёнку электропроводящего материала удаляют механически или в специальном растворе.
2.3. Технические условия на изготовления печатной платы.
Плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79 группа
Класс точности 3 по ОСТ 4.010.019-81.
Плату изготовить комбинированным негативным методом.f
Шаг координатной сетки 05 мм.
. Ширина заштрихованных проводников в свободных местах
не менее 2 мм в узких местах не менее 15 мм.
. Предельные отклонения размеров между осями двух любых ламелей (внутри групп) ±01 мм.
. Сдвиг ламелей расположенных одна под другой относительно их продольной оси не более 02 мм.
. Величина деформации (изгиб и скручивание) печатной платы не более 04 мм на 100мм длины.
Незадействованные ламели не выполнять.
Шероховатость поверхностей ламелей л125 .
Маркировать. Шрифт 25 по НО.010.070.
Соблюдением минимально допустимых расстояний между
печатными элементами и сохранением электрических связей.
Допускается нарушение металлизации в отверстиях к которым подходит печатный проводник.
Клеймить штамп ОТК и дату изготовления краской МА-514 черной УХЛ4 на свободном месте.
Материал-заменитель: стеклотекстолит ФС-2-35-15 ТУ16-503271-80
В отдельных узких местах допускается зазор между элементами проводящего рисунка выполнять не менее 015мм.
В курсовом проекте разработан аналого цифровой преобразователь с буферной памятью.
Разработаны и построены такие схемы как структурная функциональная схема электрическая принципиальная. Произведены расчеты надежности быстродействия и потребляемой мощности.
Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. Минск: Энерготомиздат 1985г.
Шило В.П. Популярные цифровые микросхемы. Минск: Радио и связь 1989 г.
Якубовский С.В. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Минск: Радио и связь 1989г.
Тарабрин Б.В. Интегральные микросхемы. – Минск: Радио и связь 1984г.
О.Н.Лебедев Применение микросхем памяти в электронных устройствах.

сх.п.dwg