Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Радиотехника»

Дисциплина «Электроника»

Курсовая работа

«Построение аналого-цифровых преобразователей»

Выполнил: Новиков И.В. 12-АСц-209

Проверил: Яковлев П.Б.

Санкт- Петербург

2014

Задание на курсовую работу

По исходным данным, приведенным в табл. 1--3, требуется:

1. Выполнить полную схему АЦП, описать работу предложенного АЦП, соответствующих выбранных микросхем и устройств, обеспечивающих работу АЦП. Построить временные диаграммы работы АЦП.

2. Рассчитать тактовый генератор для АЦП по исходным данным табл. 2.

3. В соответствии с табл. 3 выбрать конкретные базовые микросхемы, начертить их принципиальные схемы, описать работу и привести справочные данные, необходимые для расчета преобразователя уровней.

4. Выбрать схему преобразователя уровней (ПУ) и описать его работу.

5. Выбрать тип биполярных транзисторов для схемы ПУ, привести необходимые справочные данные выбранных транзистору

6. Рассчитать схему ПУ в заданном температурном диапазоне и подобрать резисторы по их номинальным значениям.

7. Рассчитать мощность, потребляемую ПУ от источника питания.

8. Построить на ЭВМ передаточную характеристику ПУ =f(U_BX) для номинальных параметров схемы.

9. Описать схему интегрального аналога ПУ, если он имеется.

Исходные данные: Таблица 1

Последняя цифра учебного шифра	Тип АЦП, основная интегральная микросхема
9	АЦП с преобразованием «напряжение - частота - двоичный код»

Таблица 2

Параметр	Последняя цифра учебного шифра
	0
Частота, ГЦ
Скважность	4
Длительность фронтов, мкс, не более	1
Амплитуда, В	3

Таблица 3

Первая цифра учебного шифра	Согласуемые элементы серии ИМС	Нагрузочная способность ПУ	Частота переключения F, МГц	Температурный диапазон, оС
2	ТТЛ-КМДП К155-К561	2	1	-10?70

Монтажная емкость С_м =50 пФ, входная емкость элементов С_вх =15 пФ

1. АЦП с преобразованием «напряжение - частота - двоичный код»

Входное напряжение, интегрируется с помощью интегрирующего операционного усилителя (ДА). Интегрирование продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не превзойдет уровень + U_on (или --U_on), при достижении которого один из аналоговых компараторов формирует выходной импульс.

Выходные импульсы используются для возврата интегратора в нулевое состояние при работе устройства управления (УУ) и ключей (К_к). Это приводит к тому, что величина, равная числу импульсов, генерируемых в секунду, т. е. 'частота, становится пропорциональной уровню входного сигнала Uвх Эти импульсы затем могут быть подсчитаны двоичным счетчиком в течение фиксированного интервала времени.

Результат счета, соответствующий концу этого интервала, пропорционален уровню входного напряжения.

Метод преобразования «напряжение--частота» реализован в ИМС КРП08 ПП1.

Рисунок 1. а) Блок схема АЦП на основе ПНЧ, б) структурная схема ПНЧ

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рис. 1б. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог - 1108ПП1).

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U_вх напряжение U_и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U_и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т_и, который управляет ключем.

Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I_оп в течение Т_и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.

Импульсы тока I_оп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением U_вх. В установившемся режиме

Отсюда следует

где U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I_оп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Ти, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на частоту ПНЧ.

Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик.

Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 1а. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т_отсч=1/f_отсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку.

Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т_отсч,

Здесь U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т_отсч.

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактируемый импульсами стабильной частоты D-триггер.

2. Расчет тактового генератора для АЦП

Исходные данные для расчета:

Частота, ГЦ
Скважность	4
Длительность фронтов, мкс, не более	1
Амплитуда, В	3

В качестве генератора тактовых импульсов удобно использовать микросхему



Рисунок 3.К155АГ3

Микросхема представляет собой два ждущих одновибратора с возможностью перезапуска, имеют по три входа запуска, три вывода С, RC и RI для подключения времязадающих цепей, прямой и инверсный выходы.

Условие запуска мультивибратора - изменение входных сигналов, в результате которого появляется следующее сочетание - хотя бы на одном из входов 3 или 4 - лог. 0, на входе 5 - лог.

1. Длительность импульса при основном варианте подключения времязадающей цепи, приведенном на рис. 4, составляет приблизительно

Если оба ждущих одновибратора в данной микросхеме включить по кольцевой схеме, то можно построить мультивибратор-автогенератор.

преобразователь генератор транзистор



Рисунок 4. Принципиальная схема генератора тактовых импульсов

Таблица 2. Назначение выводов К155АГ3

Номер вывода	Назначение
1	выход
2,8,12,13	свободные
3,4,5	входы
6	выход
7	общий
9,10,11	для подключения времязадающей цепи
14	напряжение питания

Рассчитаем цепь тактового генератора. Сопротивление резистора R1 может находиться в пределах 1.5...43 кОм, емкость конденсатора С1 - любая. В качестве резистора возьмем последовательно соединенный постоянный резистор номиналом 34,8 кОм и построечный номиналом от 10 до 24кОм.

Согласно исходных данных, частота есть величина, обратная периоду, отсюда период колебаний будет равен:



Следовательно, длительность импульса будет равна:

Скважность - это величина, равная отношению периода и длительности импульса, следовательно:

Отсюда, найдя длительность импульса с учетом скважности,

найдем длительность паузы:

Имея длительность паузы и импульса получим значения параметров RC элементов генератора.

Принимая С1 = С2 = 0.01 мкФ, получим:

3. Выбор и описание микросхем

Согласно реализации основной микросхемой должна стать КР1108ПП1.

ПНЧ включает в себя усилитель А1, компаратор А2, одновибратор, источник стабильного тока Iо, аналоговый ключ S и выходной транзистор.

Для построения ПНЧ схему следует дополнить двумя конденсаторами С1,С2 и двумя резисторам R1,R2. Элементы R1, С1 и А1 образуют интегратор, конденсатор С2 задает длительность импульса одновибратора j=kC2, где к определяеться характеристиками микросхемы (в VFC32 Iо=1мА, к=75кОм).

Импульсы тока Iо уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением Vвх.

ТVвх/R1=kC2Iо

Оттуда:

F=1/T=Vвх/(kIоR1C2)

Отсюда следует, что стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от внешних элементов R1,C2 и внутренних параметров к, Iо микросхемы.

Кроме того для обеспечения высокой линейности преобразования конденсатора С1 необходимо выбирать с малой утечкой и малым коэффициентом диэлектрической абсорбции (полипропиленовый, полистироловый, поликорбонатовый).

Диапазон входных токов задается равным 0,25Iо, а резистор R1 устанавливает входное напряжение от 0 до Vвх=max0,25IоR1

ПНЧ содержит открытый каскад с выходным коллектором. Напряжение питания этого каскада выбирается из условия согласования с последующими цифровыми цепями. Допустимый ток его достаточен для управления светодиодом оптрона или обмоткой импульсного трансформатора в схемах гальвонической изоляции аналоговых входов.

Рисунок 5. Типовая схема включения и диаграммы сигналов ПНЧ VFC32

При расширении диапазона измерения входной частоты все заметнее проявляться конечное время переключения аналоговых ключей, что выражается в интегральной нелинейности преобразования. Ее минимальная погрешность 0,01% достигается в узком диапазоне частот 0-10 кГц. В расширенном диапазоне 0-500 кГц погрешность нелинейности увеличивается до 0,2%.

4. Разработка преобразователя уровней

Согласно задания на курсовой проект, нам необходимо разработать схему преобразователя уровней между микросхемами КМДП ТТЛ типов.

Рисунок 6. Принципиальная схема преобразователя уровней

Основные параметры, необходимые для построения преобразователей уровня, приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Параметр, единица измерения	Элементная база
	ТТЛ	КМДП
E, В
, В
, В
, мА
, мА
, мА
, мА
, В

Схема ПУ работает следующим образом.

Если Uвх = U0кмдп еоб, транзистор VT находится в режиме отсечки. Поскольку к выходу ПУ подключены n ТТЛ-элементов, то через резистор Rк протекает не только ток коллекторного перехода Iкб о транзистора VT, но и n токов I1вх ттл. Напряжение на коллекторе транзистора VT, равное напряжению на выходе ПУ, должно быть больше уровня логической 1 ТТЛ-элементов U1ттл

Если Uвх = U1кмдп, то транзистор VT должен находится в режиме насыщения, т.е.

Обычно стараются создать степень насыщения транзистора S = 1,5 3; при больших S существенно снижается быстродействие ПУ.

5. Выбор биполярного транзистора

Для использования в преобразователе уровня выберем биполярный транзистор КТ202А.

Параметры транзистора приведены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры КТ202А

ТИП	B1-B2/Iк /мА	Fт МГц	Cк/Uк пф/В	Cэ/Uэб пф/В	tр нс	Uкэ/(Iк/Iб) В/(мА/мА)
КТ203А	9-/1	5	10/5	10/0.5	1000	0.5/(10/1)

ТИП	Uкб В	Uкэ/R В/кОм	I0, мА	Uэб В	Iкм/Iкн мА/мА	Pк мВт	Пер
КТ202А	15	15	1	10	20/	15	P-N-P

6. Расчет схемы ПУ, подбор номиналов резисторов

Значения резисторов Rк и Rб определяются из условий двухсторонних ограничений, изложенных ниже.

где: - минимальное напряжение питания при заданном допуске;

Где Сн = nСвх + См, См = 50 пФ

- монтажная емкость, Свх. = 15 пФ входная емкость элементов, n=1.

Для нахождения суммы и используем следующее выражение:



где: Т* - приращение температуры, при которой обратный ток I0(Т0) удваивается (Т* (8 10) С для германия и Т* (6 - 7) С для кремния);

Т - температура, при которой определяют ток I0; I0(Т0) - ток I0 при некоторой исходной температуре Т0,

Подставляя значения в формулы, получаем:

Отсюда:

Таким образом, выбираем номинал сопротивления резистора из стандартного ряда, отсюда Rk=2.4 мОМ.

Рассчитаем значение RБ:

Так как величину сопротивления RБ рекомендовано выбирать максимальной, примем RБ=24 мОм.

7. Расчет мощности, потребляемой ПУ

Определим мощность, потребляемую ПУ. Если Uвх = U0ттл, то VT находится в режиме отсечки, и через резистор Rк протекает ток nI1вх кмдп + Iкб о, который будет максимальным при наибольшей заданной температуре.

Поэтому мощность, которую ПУ потребляет от источника питания ? в состоянии логической 1 на выходе, равна:

Если Uвх = U1ттл, то VT насыщен, и мощность, потребляемая ПУ в соответствии логического 0 на входе, с учетом (5) равна:

Таким образом, мощность, потребляемая ПУ в состоянии логической единицы, равна:

Мощность, потребляемая в состоянии логического нуля:

8. Расчет и построение передаточной характеристики

Статические свойства схемы ПУ наглядно отражаются ее передаточной характеристикой - зависимостью Uвых = f(Uвх).

Для построения передаточной характеристики необходимо зависимость Uвых от изменения температуры по следующим формулам:

Uвых = Е - (nI1вх ттл + Iкб о)Rк

Где

При Т=250С.

Передаточная характеристика изображена на рисунке 7.

Определяя значение напряжения:

U+п = U-пор - U0ттл макс U-п = U1 ттл макс - U0 пор,

Определяя по графику, получаем:

U+п = U-пор - U0ттл макс =3.5 В

U-п = U1 ттл макс - U0 пор=4.5 В.



Рисунок 7. Передаточная характеристика ПУ

9. Интегральный аналог ПУ

Микросхема К561ПУ4 содержит 6 преобразователей уровня от КМОП-логики к ТТЛ, которые могут быть использованы также в качестве буферных усилителей.

Микросхема К561ПУ4 имеет мощные выходы и может работать на 2 ТТЛ-входа серий К155(74xx).

На входах микросхемы К561ПУ4 отсутствуют защитные диоды, что позволяет подавать на её входы напряжение, большее напряжение питания.

Основные характеристики К561ПУ4 (при +25oC):

Напряжение питания (Uпит)	+3..+15V
Параметры при Uпит=	+5V	+10V
Ток потребления (статический)	< 3µA	< 5µA
Выходное напряжение лог. "0", не более	0,05V	0,05V
Выходное напряжение лог. "1", не менее	4,95V	9,95V
Входное напряжение лог. "0", не более	0,95V	2,9V
Входное напряжение лог. "1", не менее	3,6V	7,2V
Входной ток лог. "0"/"1"	< 0,2µA
Выходной ток лог. "0", не менее	3mA	8mA
Выходной ток лог. "1", не менее	1,25mA	1,25mA
Время нарастания 0/1	<240nS	<110nS
Время спада 1/0	<280nS	<140nS
Рабочий диапазон температур	-10oC..+70oC
Корпус	DIP-16
Аналоги	CD4050BE MC14050BCP Заменяет К176ПУ3

Заключение

В курсовом проекте разработан аналого-цифровой преобразователь с преобразованием «напряжение - частота - двоичный код» на основе микросхем отечественного производства.

Произведены расчеты преобразователя уровней, его потребляемой мощности, построена передаточная характеристика.

Литература

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств.-М.: Додэка хх1, 2007.

2. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.3,4,5.-М.: Радиософт, 2008.

3. Микросхемы ЦАП и АЦП. Справочник+СД.-М.: Додэка хх1,2008.

4. Миловзоров О.В. Электроника. Гриф МО РФ.-М.: Высшая школа, 2008.

5. Наундорф У. Аналоговая электроника. Основы, расчет, моделирование.-М.: Техносфера,2008.

6. Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций. -СПб.: Корона принт, 2004.

7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: В 2-х томах.-М.:Додэка хх1,2008.

8. Ю.А. Мячин Справочник. 180 аналоговых микросхем.-М.:1993.

Размещено на Allbest.ru

...