ЦАП с собственным регистром памяти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Кафедра электрофизических установок и ускорителей

Курсовой проект

по электронным приборам ядерной физики

ЦАП с собственным регистром памяти

1. Задание

Курсовой проект посвящен проектированию цифро-аналогового преобразователя с собственным регистром памяти со следующими параметрами:

2. Блок-схема

Блок-схема устройства устройства показана на ртсунке 1

Рисунок 1. Блок-схема устройства

Амплитуда входного сигнала составляет 1,5В, это меньше уровня логической единицы цифровых микросхем, поэтому для входного сигнала необходим усилитель.

Масштаб выходного напряжения 10мВ/разряд, при десятиразрядном сигнале максимум выходного сигнала больше 5В, стандартного выходного напряжения большинства ЦАП. Поэтому требуется выходной усилитель.

Выбор микросхем.

Длина входного слова составляет 10 бит, это соответствует двоичному числу 10 разрядов. Максимальное число, поступающее на вход 1111111111. В десятичной системе это соответствует 2¹⁰-1 = 1023.

Масштаб выходного напряжения 10 мВ/разряд, максимальный сигнал составит 0,010*1023=10,23В.

В качестве цифро-аналогового преобразователя выбираем микросхему AD5311. Эта микросхема относится к группе AD53XX - ЦАП с последовательным интерфейсом, отличающиеся разрядностью. Микросхемы выпускаются в восьмиивыводных корпусах типа SOIC. Потребление тока в рабочем режиме 1.4 мА, в дежурном режиме 80-200нА. Напряжение питания 2,5…5 В.

Микросхемы AD5311 обмениваются данными с цифровыми сигнальными процессорами посредством трехпроводного сигнального интерфейса. Частота синхроимпульсов и, соответственно, кодовых импульсов должна быть не более 400 кГц. Уровень логической единицы от 2,5В.

Имеется схема сброса при включении питания (POR) для исключения ложных срабатываний при включения питания.

В устройствах используется резистивная архитектура, при последовательном вводе есть преимущества малой дифференциальной нелинейности (DNL) и малого времени установления выходного сигнала.

Структурная схема AD5311 показана на рисунке 1.

Опорное напряжение равно напряжению питания 5В.

Рисунок 3. Структурная схема AD5311

Основой ЦАП является коммутируемая резисторная линейка. Выходное напряжение ЦАП определяется по формуле

Где N - разрешение ЦАП, V_REF - опорное напряжение, D десятичный эквивалент бинарного кода, поступающего на вход ЦАП, диапазон значений для AD5314 составляет 0 … 1023.

Значение входного импеданса составляет 45 кОм. Сопротивление нагрузки выходного усилителя может составить до 2 кОм при емкости нагрузки до 500 пФ.

Данная микросхема выбрана для устройства, параметры которого указаны в задании, по следующим причинам:

· Разрядность микросхемы 10 бит соответствует разрядности, указанной в задании;

· Максимальная частота импульсов микросхемы 400 кГц, это превышает заданную частоту 200 кГц;

· Интерфейс микросхемы последовательный, это ЦАП с собственными регистрами памяти, что соответствует требованиям.

Напряжение сигнала, подаваемого на вход устройства, составляет 1,5 В. Это ниже уровня логической единицы, поэтому необходим входной усилитель.

Напряжение выходного сигнала превышает 10В, максимальная амплитуда выходного сигнала должна быть 10,23В. Это превышает напряжение, получаемое на выходе микросхемы. Поэтому необходим выходной усилитель.

Выбираем операционный усилитель LM321, который можно использовать для усиления входного и выходного сигнала. Максимальное напряжение питания составляет 32В, питание может быть биполярным или однополярным.

Для выполнения требований данного задания требуется стандартный источник напряжения +5В для усилителя на входе и источник +15В для усилителя на выходе.

Рисунок 4. Цоколевка микросхемы LM321

3. Принципиальная схема устройства

Для получения сигнала с заданными параметрами при наличии входного сигнала, указанного в условии, предложена структурная схема, показанная на рисунке. В качестве активных элементов усилителей выбраны счетверенные операционные усилители с однополярным положительным питанием.

Принципиальная схема разработана на основе структурной, показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электрическая принципиальная цифро-аналогового преобразователя преобразователь импеданс усилитель

4. Описание работы устройства

Микросхемы AD5301/AD5311/AD5321 управляются через интерфейс I2 посредством совместимой последовательной шины. ЦАПы подключены к этой шине в качестве ведомых устройств (тактовый сигнал не генерируется в микросхеме ЦАП, а обеспечивается интерфейсом микропроцессора).

Первый байт (8 битов) адресный, на него микросхема откликается сигналом готовности принять кодовое слово.

Кодовое слово составляет 16 битов. Первые четыре бита зарезервированы для команд. Далее следуют 12 информационных битов. Два последних бита пустые, поскольку микросхема является одним из вариантов серии микросхем с максимальной длиной кодовой последовательности 12 бит. На рисунке 4 показаны адресные импульсы, импульсы управляющих команд, импульсы кодовой последовательности. После завершения кодовой последовательности на выходе появляется напряжение, пропорциональное кодовому числу. Минимум через 1,3мкс микросхема готова к приему нового кода.

Рисунок 6. Временная диаграмма для микросхемы АD5311.

Интерфейс микросхемы двухпроводный. Вход SCL - предназначен для тактовых импульсов

На вход SDA подаются кодовые импульсы. После приема адресных битов, командных битов и информационных битов сдвиговый регистр заполняется, информация передается на внутренний регистр-защелку, на резистивную матрицу и буферный усилитель. Напряжение на выходе обновляется. Через 1,3мкс после передачи кода на регистр-защелку микросхема готова к приему новой последовательности.

В схеме используются неинвертирующие операционные усилители. Входной усилитель предназначен для увеличения входных импульсов с 1,5В до уровня логической единицы. Выбираем коэффициент усиления 3. Тогда к резисторному делителю предъявляются требования:

Выбираем номиналы резисторов: R9=20 кОм, Rос=10 кОм. Исходя из этого соотношения, выбираем резисторы для трех каналов входного усилителя.

Амплитуду выходного напряжения рассчитаем из условий квантования выходного сигнала.

Опорное напряжение на ЦАП равно 5В,

Uоп =1024*0,004=4.096В

Максимальное напряжение на выходе микросхемы

Umax =5 -

Коэффициент усиления выходного усилителя

K=10.23/4.995=2,05

Для формирования опорного напряжения из стандартного U=5В применяется резистивный делитель. Параметры делителя: постоянное сопротивление 10кОм и переменное сопротивление 10кОм. Вход опорного напряжения защищен конденсаторами 10 мкФ и 0,1мкФ.

Выходной неинвертирующий усилитель должен увеличить амплитуду импульсов в 2,05 раза. Тогда к резисторному делителю предъявляются требования:

Для возможности точной настройки напряжения, в резисторном делителе используем переменный резистор: R9=15 кОм переменный),

R=10 кОм. Исходя из этого соотношения, выбираем резисторы для четырех каналов выходного усилителя.

В схеме используются два источника питания: +5В и +15В. Источник +5В используется для питания микросхемы ЦАП и входного операционного усилителя. Для формирования выходного напряжения, превышающего 10В, используется выходной операционный усилитель с источником питания +15В.

Для нормальной работы цифро-аналогового преобразователя нужно исключить влияние импульсных помех, которые могут проникать по цепям питания. Особое внимание уделяется стабильности опорного напряжения, поскольку оно прямо влияет на значение выходного напряжения. С целью устранения помех устанавливают конденсаторы для фильтрации высокочастотного шума. Шум может быть наведен на дорожки источника питания при срабатывании переключателей или в результате изменений на выходе ЦАП. Шунтирующие конденсаторы помогают свести к минимуму влияние этих источников шума.

Для лучшей фильтрации используются два шунтирующих конденсатора параллельно: 0,1 мкФ (керамический) и 10 мкФ (танталовый).

Играет роль конструктивное расположение конденсаторов. Их располагают близко к точкам подачи питания на плату. Источник питания должен соответствовать требованиям по низкому уровню наводимых помех.

Выводы

В данной работе выполнена разработка цифро-аналогового преобразователя с заданными характеристиками. В результате анализа исходных данных принято решение использовать микросхему ЦАП с последовательным интерфейсом AD5311. Поскольку уровень входного сигнала меньше логической единицы, в схему включен входной усилитель. Амплитуда выходных сигналов ЦАП меньше требуемой величины, поэтому в схему включен выходной усилитель. Для усилителей выбрана микросхема LM321 -операционный усилитель.

Выбрано опорное напряжение для ЦАП и коэффициенты усиления операционных усилителей. Выполнены расчеты резисторных делителей, обеспечивающий необходимые коэффициенты усиления.

На основании полученных результатов составлена схема электрическая и перечень элементов.

Литература

1. В.А. Прянишников "Электроника: курс лекций", Санкт-Петербург 1998, "Корона принт"

2. Под ред. И.И. Четвертакова, "Резисторы (справочник)", Москва 1981, "Энергоиздат"

3. Цифро-аналоговый преобразователь https://3d-diy.ru/wiki/components/tsifro-analogovyy-preobrazovatel-tsap/

4. М.Н. Дьяконов и др. "Справочник по электрическим конденсаторам", Москва 1983, "Радио и связь".

5. "Каталог по конденсаторам", СССР Москва 1976, "Внешторгиздат"

6. Цифро-аналоговые преобразователи семейства AD53XX. https://eu.mouser.com/datasheet/2/609/AD5301_5311_5321-278762.pdf

7. Микросхема LM3211 https://www.chipdip.ru/product/lm321mf-nopb-3

Приложение

Перечень элементов

Размещено на Allbest.ru