Разработка аналогово-цифрового преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НИТУ МИСиС»

«ИТАСУ»

Курсовой проект

Информационные сети и телекоммуникации

Разработка аналогово-цифрового преобразователя

Выполнил Кузнецов С.Д.

Проверил Пушкарёв В.А.

Москва 2015 г.



Содержание

цифровой сигнал кодированный дискретизация

Введение

1. Определение числа уровней и шага квантования измеряемого параметра

2. Выбор кода и его параметров

3. Выбор параметров кодированного сигнала телеизмерения

4. Разработка предающего устройства системы ТИ с преобразователем поразрядного кодирования

Список литературы



Введение

Аналого-цифровые преобразователи (ADC -- Analog to Digital Converter) -- это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Аналого-цифровое преобразование используется в различных измерительных системах, в устройствах генерации и обработки сигналов, в компьютерных системах для хранения и обработки цифровых сигналов в соответствии с определенной программой и т. д. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой необходимо осуществить 3 операции: дискретизацию, квантование и кодирование. Дискретизация представляет собой преобразование непрерывного (аналогового) сигнала x(t) в последовательность отдельных его значений х(t_i), соответствующих некоторым фиксированным моментам времени t_i.

Частота дискретизации должна по меньшей мере в два раза превышать максимальную частоту в спектре преобразуемого аналогового сигнала x(t). Дискретизация осуществляется не мгновенно, а в течение конечного промежутка времени, что в итоге приводит к появлению так называемой апертурной погрешности.

Системы телеизмерения с дискретными сигналами по сравнению с системами телеизмерения с непрерывными сигналами имеют ряд достоинств. К ним относятся: более высокая помехоустойчивость передачи сигналов за счет применения помехоустойчивых кодов, удобство воспроизведения сигналов, удобство сочетания их с дискретными системами обратной информации и др.

Согласно заданию необходимо спроектировать передающее устройство системы телеизмерения (ТИ), служащее для преобразования измеряемых величин в кодовые телеизмерительные сигналы и передачи их в линию связи.

Здесь также предусматривается последовательная передача элементов каждого кодированного сигнала в линию связи, т.е. применяется временной метод разделения элементов сигнала.

Для образования кодовых комбинаций используется амплитудный импульсный признак.

Процесс разработки передающего устройства системы ТИ будет выполняться по следующим основным этапам:

1. Определение числа уровней и шаг квантования измеряемого параметра, подлежащего передаче.

2. Выбор кода и его параметров.

3. Выбор параметров кодирования сигнала телеизмерения.

4. Построение структурной схемы передающего устройства.

5. Построение принципиальной схемы передающего устройства.

В системах ТИ применение для передачи кодированных сигналов телеизмерения связано с необходимостью квантования непрерывно измеряемого параметра по уровню и времени.

На рис.1 показан график равномерного квантования измеряемого параметра х(t) по уровню и времени.

Рис. 1.

При квантовании по уровню и времени в дискретные моменты времени t₀, t₁ t₂ … мгновенные значения непрерывного сигнала заменяются ближайшими разрешенными дискретными уровнями 1,2,3,… При равномерном квантовании (см. рис.1) диапазон измерения непрерывного сигнала х(t) от х_min по х_max разбивается на N - 1 равных частей (N - число уровней квантования), т.е. шаг квантования ?х получается постоянным.

Общее число уровней квантования N будет определяться формулой



(1)

Очевидно, что при замене мгновенных значений непрерывного сигнала ближайшими дискретными уровнями возникает погрешность (погрешность квантования или дискретности).

Абсолютная погрешность квантования

,

где x_i - истинное (мгновенное) значение сигнала х(t) в момент времени t_i;

x_i'- ближайшее разрешенное дискретное значение сигнала х(t) в момент времени t_i;

Легко заметить, что

При равномерном квантовании, когда кривая сигнала х(t) проходит через середины интервалов ?х (рис.1) максимальная погрешность квантования

Относительная погрешность квантования



при

(2)

Из полученного выражения видно, что с увеличением числа уровней N (или с уменьшением шага квантования ?х) уменьшается погрешность д₀. Обычно шаг квантования ?х выбирается исходя из допустимой погрешности и мощности помех в канале связи. Выбранный шаг квантования должен быть в несколько раз больше возможного максимального значения помех.

В системах ТИ в процессе квантования каждому разрешенному дискретному уровню 1,2,3…(см рис.1) присваивается определенная кодовая комбинация выбранного кода, и затем передаются только эти значения с шагом квантования ?х, отстающие друг от друга на интервале времени ?t. При таком выборе очевидно, что общее число разрешенных дискретных уровней N измеряемого параметра х(t) равно общему числу кодовых комбинаций выбранного кода.

Если кодовые комбинации выбираются из обычного двоичного кода вида 2ⁿ, где n - число элементов каждой комбинации, то выражение (2) можно представить в следующей форме:

Если комбинации выбираются из помехозащищенного кода на одно сочетание с общим числом комбинаций N = C_n², то выражение (2) преобразуется в вид



1. Определение числа уровней и шаг квантования измеряемого параметра

При создании систем телеизмерения часто требуется разработать передающее устройство, обеспечивающее передачу непрерывного измеряемого параметра в пределах от х_min до х_max с заданной относительной погрешностью квантования д₀.

По заданным условия определяются число уровней (число комбинаций кода) N и шаг квантования ?х согласно уравнениям (2) и (1).

Число уровней квантования равно:

Шаг квантования равен:

Шаг квантования по выходу датчика:

2. Выбор кода и его параметров

При двоично-десятичном кодировании аналогично двоично-десятичной системе исчисления каждая цифра десятичного числа представляется четырехразрядным двоичным числом. Существует несколько наиболее важных типов двоично-десятичных кодов, в которых для представления цифр 0,1,2,…9 десятичного числа используются 10 различных четырехразрядных двоичных чисел из 16 (9,10). В системах ТИ нашел широкое распространение двоично-десятичный код типа 8421, где каждая цифра десятичного числа представляется соответствующим четырехразрядным двоичным числом.

Общее число комбинаций десятичного кода определяется выражением

N = 10n'

где n' - число элементов каждой комбинации кода.

При двоично-десятичном коде число элементов каждой комбинации

n = 4n'

и общее число комбинаций будет определяться выражением

N = 10n/4

Число элементов каждой комбинации двоично-десятичного кода определяется по выражению

n = 4Log10N

Здесь также общее число комбинаций кода равно общему числу дискретных уровней квантования измеряемого параметра.

По значениям N и n составляются все N = 10n/4 комбинаций кода.

n = 4Log10251?12



Составим все 251 комбинаций кода.

Как видно, каждая 126 комбинация двоично-десятичного кода будет содержать 12 элементов (разрядов). Число элементов в комбинации можно уменьшить, если учесть, что старший элемент (разряд) комбинации принимает только два значения 0 или 1 и для его представления можно использовать не четыре, а два двоичный элемент.

В результате каждая комбинация двоично-десятичного кода будет содержать всего 10 элементов. Составим все 251 комбинаций двоично-десятичного кода.

Составим все 251 комбинаций кода.

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

2. 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

3. 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

4. 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

5. 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1

6. 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0

50. 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0

51. 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1

100. 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

154. 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0

239. 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1

251. 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1

3. Выбор параметров кодированного сигнала телеизмерения

Согласно заданию в передающем устройстве применяется временной метод разделения элементов кодированного телеизмерительного сигнала. Для составления элементов кодовой комбинации используется амплитудный импульсный признак с количеством импульсных признаков m=2

При этом элемент «0» комбинации можно представлять, например, прямоугольным импульсом с нулевой (ОВ) амплитудой, а элемент «1» - прямоугольным импульсом.

Минимальную допустимую длительность элементов (импульсов) кодовой комбинации определим из условия

Длительность информационного импульса (0 или 1)

Применим циклическую синхронизацию.

В качестве синхронизирующего элемента (импульса) телеизмерительного сигнала используем прямоугольный импульс с амплитудой и длительностью.

Длительность разделительных пауз примем

Постоим временную диаграмму передачи одного кодированного сигнала (комбинации) телеизмерения (рис.2). Каждый телеизмерительный сигнал состоит из последовательности синфазирующего импульса СИ и ряда информационных импульсов 0 и 1.



Рис. 2

Время передачи (длительность цикла) одного сигнала телеизмерения Тu будет определяться выражением

4. Разработка предающего устройства системы ТИ с преобразователем поразрядного кодирования

В преобразователях времяимпульсного типа преобразование проводится условно в два этапа: не первом этапе происходит преобразование входного напряжения в пропорциональный ему временной интервал, на втором этапе происходит преобразование временного интервала в код. Реализация первого этапа, может производиться различными методами, среди которых наибольшее распространение получили методы сравнения с пилообразным и ступенчатым напряжение. Реализация второго этапа, т.е. измерения временного интервала, производится путем его заполнения счетными импульсами. Подсчет счетных импульсов осуществляется специальным счетчиком.

Структурная схема передающего устройства с применением времяимпульсного преобразователя показа рис.3



Рис. 3

Принципиальная схема передающего устройства с применением времяимпульсного преобразователя показа рис.4

Рис. 4

Здесь также используется временной метод разделения элементов сигнала телеизмерения. Применяется амплитудный импульсный признак и циклический метод синхронизации. При этом каждый кодированный сигнал телеизмерения имеет вид, показанный на рис.2. Схема работает следующим образом. При нажатии на кнопку Кп триггеры ТП и ТО переключаются в единичное состояние. Открывается И_i-1 и через него выходные импульсы генератора G₁ начинают поступать на вход распределителя Р₁. Выходные сигналы Р₁ поочередно перебрасываются в единичное состояние триггеры Т_i-1 - Т₀ регистра кода РК. Эти триггеры в свою очередь воздействуют на источник эталонных напряжений ИЭН, переключая эталонные напряжения, подобранные по двоичному закону. При этом на выходе ИЭН последовательно создаются эталонные напряжения:



2^i-1U₀, 2^i-2U₀,…, 2¹U₀, 2⁰U₀,

где i - число разрядов ИЭН;

U₀ - величина напряжения, соответствующая младшему разряду ИЭН.

При тактовом импульсе ГТИ, на выходе ИЭН возникает эталонное напряжение U_эi-1, пропорциональное весу старшего разряда ИЭН (U_эi-1 = 2^i-1 U₀). На схеме сравнения напряжения U_эi-1 сравнивается с измеряемым напряжением U_х. Если U_эi-1 > U_х, то на выходе СС формируется сигнал, который через соответствующий открытый элемент совпадения И_i-1 переводит триггер старшего разряда Т_i-1 РК в нулевое состояние. Этот триггер в ИЭН отключается соответствующее эталонное напряжение U_эi-1. Если же U_эi-1 < U_х, то на выходе СС не формируется сигнал и триггер Т_i-1 РК остается в единичном состоянии. При этом на выходе ИЭН остается эталонное напряжение U_эi-1. Очередной тактовый сигнал G₁ через Р₁ устанавливает в единичное состояние триггер Т_i-2 РК, который в ИЭН включает эталонное напряжение U_эi-2 следующего разряда. На СС измеряемое напряжение U_х сравнивается с суммой эталонных напряжений двух разрядов (U_эi-1 + U_эi-2). Если U_эi-1 + U_эi-2 > U_х, то СС через открытый элемент И_i-2 и Т_i-2 в ИЭН отключает эталонное напряжение U_эi-2. При этом в следующем такте через триггер Т_i-3 РК в ИЭН включается эталонное напряжение U_эi-3 и на СС U_х сравнивается с суммой U_эi-1 + U_эi-3.

Если U_эi-1 + U_эi-2 < U_х, то в ИЭН остается напряжение U_эi-2 и в очередном такте на СС U_х будет сравниваться с суммой U_эi-1 + U_эi-2 + U_эi-3 и т.д.

Описанный процесс продолжается до окончания сравнения эталонными напряжениями всех разрядов ИЭН.

В конце цикла сравнения на триггерах Т_i-2 - Т₁ регистра кода записано двоичное число, эквивалентное измеряемому напряжению U_х.

В конце цикла сравнения общее эталонное напряжение



где а_j - коэффициент, равный нулю или единице в зависимости от результатов сравнения.

После окончания сравнения следующий тактовый сигнал G₁ создает рабочий сигнал на n-1 выходе Р, который перебрасывает триггер пуска ТП в нулевое состояние.

Выходные сигналы шин 1,2,…,n-3 распределителя Р1 поступают на соответствующие входы элементов И_l-1,И_l-2,…,И_l через которые информационные импульсы 0 и 1 кодированного сигнала телеизмерения, образованные на триггерах Т_i-1 - Т₀, последовательно во времени посылаются в линию связи, амплитудный импульсный признак информационным элементам 0 и 1 придает формирователь информационных импульсов ФИИ.

Сигнал с выхода n-2 распределителя Р поступает на вход формирователя синфазирующих импульсов ФСИ, на выходе которого образуется синфазирующий импульс.

В данной схеме предусмотрен непрерывный режим работы. Для останова работы схемы нажимают на кнопку Ко. При этом триггер ТО переходит в нулевое состояние, закрывается элемент И_i+2 и прекращается доступ выходных импульсов генератора В данной схеме в процессе преобразования измеряемого параметра U_х эквивалентное ему двоичное число в виде кодовой комбинации образуется на триггерах Т_i-1 - Т₀ поразрядно (поэлементно). В таких условиях элементы (импульсы) 0 и 1 кодовой комбинации РК можно посылать в линю связи поочередно (последовательно во времени) в моменты их образования без использования распределителя Р₂.

Временная диаграмма (см. рис.5) составлена для случая, когда измеряемое входное напряжение Uх = 10В.



Рис. 5

В качестве схемы сравнения СС можно использовать элементы элементы Т-203 (рис.5,а) из серии «Логика Т», субблок НО-1 (рис.5,б) из серии «Спектр», интегральные микросхемы на элементах КIYT221 (рис.5,в) или на элементах КIYT401А (рис.6).

Рис. 6



В качестве генератора пилообразных напряжений можно использовать схемы собранные не интегральных операционных усилителях KIУТ40IА (рис.7,в) и KIУТ40IБ (рис.7,г).

Рис. 7

В качестве генератора тактовых импульсов лучше всего использовать микросхему К176ЛА7 (рис.8)

Рис. 8

Для необходимой нам частоты выбираем R=300(Ом) и C=9.2(мкФ) состав счетчика и распределителя входят генераторы тактовых импульсов, счетчик тактовых импульсов, и основной элемент дешефратор 8-ми разрядный (рис.9)



Рис. 9



Список литературы

1. Балакай В.Г. и др. Интегральные схемы АЦП и ЦАП. М.:Энергия, 1978.

2. Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах М.:Советское радио, 1976.

3. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным микросхемам. М.:Энергия, 1978

4. Шрайбер Г. Справочник по микросхемам. Том 2 ДМК Пресс 2005

5. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы, М.:Металлургия, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...