Параллельно-последовательный аналого-цифровой преобразователь

Разработка и проектирование параллельно-последовательного аналого-цифрового преобразователя. Выбор основных элементов электрической схемы устройства, анализ его метрологических характеристик. Электрическое и функциональное моделирование схемы системы.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 16.10.2017
Размер файла 116,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

16

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"Омский государственный технический университет"

Кафедра "Автоматизированные системы обработки информации и управления"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему "Параллельно-последовательный аналого-цифровой преобразователь"

по дисциплине "Электротехника и электроника"

Преподаватель А.В. Никонов

Студент В.С. Пуцарь

Омск 2005

Реферат

Пояснительная записка 16 с., 11 рис., 3 табл., 10 источ.

АЦП, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, НАПРЯЖЕНИЕ-КОД, ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ

Предметом выполнения работы является параллельно-последовательный аналого-цифровой преобразователь.

Целью курсовой работы являлось выбор, проектирование и моделирование параллельно-последовательного аналого-цифрового преобразователя.

В процессе работы проводились расчеты на структурном уровне, выбор элементов электрической схемы, анализ метрологических характеристик, электрическое моделирование системы.

Основные технико-эксплуатационные показатели: обеспечен доступ со стороны внешней ЭВМ к результатам преобразования; режимы работы автоматический, время преобразования не более 0.1 с.

Степень внедрения - проектирование для учебных целей.

Эффективность определяется малым временем преобразования напряжения постоянного тока в цифровой код.

Содержание

  • Реферат
  • Введение
  • 1. Анализ и выбор направления проектирования
  • 1.1 Анализ современного состояния научно-технического уровня по тематике проектирования
  • 1.2 Выбор и обоснование направления проектирования
  • 2. Выбор и расчёт электрической схемы
  • 2.1 Расчёт функциональной схемы
  • 2.2 Расчет электрической схемы
  • Заключение
  • Список использованных источников

Введение

Современный компьютер с успехом может заменить стандартные измерительные и регистрирующие приборы, такие как вольтметры, самописцы, осциллографы, спектроанализаторы и т.п. Преимущества компьютера перед аналоговыми измерительными приборами поистине грандиозны:

- огромная вычислительная мощность;

- неограниченные возможности обработки и анализа данных;

- богатейшие возможности по представлению данных;

- удобство и универсальность хранения данных;

- легкая адаптация к условиям измерений и исследований;

- настраиваемый пользовательский интерфейс;

- возможность быстрого обновления и расширения.

Единственным ограничением на пути использования компьютера в области измерений и регистрации аналоговых сигналов является то, что компьютер не способен принимать аналоговые данные, так как является полностью цифровым устройством. Для решения этой проблемы существуют специализированные устройства - Аналого-Цифровые Преобразователи (АЦП), которые осуществляют преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму. АЦП имеют аналоговые входы для подключения источников сигналов и цифровые выходы для передачи преобразованных данных в компьютер. Компьютер, оснащенный программным обеспечением, осуществляет управление устройствами АЦП и принимает данные для последующей обработки и анализа.

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения.

аналоговый цифровой преобразователь

1. Анализ и выбор направления проектирования

1.1 Анализ современного состояния научно-технического уровня по тематике проектирования

Из обзора информационных материалов были выделены аналоги разрабатываемого устройства, которые выполняют схожие задачи. Это схема многоступенчатого параллельно-последовательного АЦП и схема многотактного параллельно-последовательного АЦП [1, 2].

В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве. В качестве примера на рисунке 1 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

Рисунок 1 - Схема двухступенчатого 8-ми разрядного АЦП

Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.

Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению Uвх (tj). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.

Рассмотрим пример 8-разрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типу многотактных (рисунок 2). Здесь процесс преобразования разделен во времени.

Рисунок 2 - Схема двухтактного 8-ми разрядного АЦП

Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного АЦП, квант h которого определяется величиной опорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен 2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h1=0,16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h2=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова.

Очевидно, что используемые в этой схеме 4-разрядные АЦП и ЦАП должны обладать 8-разрядной точностью, в противном случае возможен пропуск кодов, т.е. при монотонном нарастании входного напряжения выходной код АЦП не будет принимать некоторые значения из своей шкалы. Так же, как и в предыдущем преобразователе, входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения.

Быстродействие рассмотренного многотактного АЦП определяется полным временем преобразования 4-разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП с погрешностью, не превышающей 0,2.0,3 кванта 8-разрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входит в общее время преобразования дважды.

За прототип можно взять многоступенчатый АЦП так как при прочих равных условиях преобразователь такого типа оказывается быстрее многотактного преобразователя, рассмотренного выше.

1.2 Выбор и обоснование направления проектирования

Рассмотрим прототип (рисунок 1) и проанализируем один такт его работы. Согласно ТЗ, проектируемое устройство должно работать в автоматическом режиме. Поэтому в прототип необходимо добавить генератор строб-импульсов, который обеспечит автоматический режим работы.

Кроме того, согласно ТЗ проектируемое устройство должно обеспечить считывание результата преобразования в ЭВМ. С этой целью на выходе нужно установить параллельный регистр.

Входное сопротивление 50 Ом обеспечим введя в схему узел согласования.

В итоге функциональная схема проектируемого параллельно-последовательного АЦП будет выглядеть, как показано на рисунке 3.

16

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Функциональная схема параллельно-последовательного АЦП

2. Выбор и расчёт электрической схемы

2.1 Расчёт функциональной схемы

Проведём назначение требований узлам функциональной схемы (рисунок 3) в соответствии с техническим заданием. Для всякого преобразователя аналоговой величины в код расчет структуры начинается с определения числа уровней квантования Nx max или числа разрядов n АЦП:

Nx max = Xm / Дk, (1)

где Xm - максимальное значение входной величины;

Дk - шаг квантования.

Разрядность АЦП n определяется как:

n=logaNx max, (2)

где а - основание системы счисления АЦП.

Число разрядов округляется до ближайшего большего целого значения n ? logaNx max.

Суммарную погрешность устройства представим двумя составляющими:

, (3)

где дмет - погрешность метода, реализуемого в устройстве (преобразования аналоговой величины в дискретную);

динст - инструментальная погрешность, обусловленная неидеальностью применённых функциональных узлов.

По техническому заданию погрешность преобразования не более 0,5 %. Для разделения суммарной погрешности на методическую и инструментальную, на основе знания возможностей и параметров современной функциональной и элементной базы электронных устройств, распределим суммарную погрешность следующим образом:

;

.

Тогда максимально допустимый погрешностью шаг квантования находим по формуле:

. (4)

Определим необходимое количество уровней квантования для проектируемого АЦП:

Nx max = Xm/k +1= 1000/3,5 ? 286. (5)

Определим минимальное количество разрядов АЦП, которое может обеспечить рассчитанное число уровней квантования.

, (6)

или . Возьмем n=9.

Будем использовать структуру АЦП с 2-мя группами: 5 двоичных разряда в первой и 4 во второй группе.

При кванте АЦП в 3,5 мВ и числе разрядов n=9, максимальное значение входного напряжения которое он сможет зарегистрировать определяется:

Uвх max = (2n-1) Чk = (29-1) Ч3,5=1788,5 [В]. (7)

Рассчитаем опорные напряжения для каждого АЦП. Максимальное напряжение которое должен преобразовать второй АЦП найдём следующим образом:

(24-1) *3,5=52,5 [мВ]. (8)

Это и будет опорное напряжение для второго АЦП. Для первого же АЦП найдем по формуле (9).

Uоп 1=Uвх max - Uоп 2=1788,5-52,5=1736 [мВ]. (9)

По ТЗ преобразование сигнала должно происходить за 10 мкс. Тогда частота генератора строб-импульсов определяется по формуле:

f = 1/t = 1/10 мкс. = 100 кГц. (10)

Быстродействие параллельно-последовательного АЦП определяется главным образом быстродействием его узлов: 2-х параллельных АЦП и ЦАП. Примем ограничения на каждый из этих узлов:

tпр узла = tпр /3 ? 3 [мкс]. (11)

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.

Таблица 1 - Требования к основным узлам

Наименование параметров

Обозначение

Единицы измерения

Значение параметров узлов схемы

ИОН 1

ИОН 2

АЦП 1

АЦП 2

ЦАП

Генератор строб-импульсов

Регистр

Входные

Uвх мах

В

Выходные

Uвых мах

В

1736

52,5

Временные и частотные

частота

кГц

100

время преобразования

Не более 3

Не более 3

Не более 3

Прочие

число разрядов

шт.

Не менее 5

Не менее 4

Не менее 5

Не менее 9

основание системы счисления

2

2

2

2

2.2 Расчет электрической схемы

По команде "Пуск" приходит в действие генератор строб-импульсов. В качестве генератора выберем генератор на элементах 2И-НЕ (рисунок 4), как наиболее простой в реализации, при необходимых параметрах [3]. Возьмем генератор с частотой 100 кГц. Сопротивление R4 выбирается в пределах от 320 Ом до 600 Ом, в данном случае выберем 390. Для уменьшения аппаратной погрешности используем кварцевый генератор. В качестве микросхем 2И-НЕ используем К155ЛА18.

Рисунок 4 - Схема генератора строб-импульсов

Для обеспечения входного сопротивления 50 Ом будем использовать узел согласования который изображен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Узел согласования

В качестве источника опорного напряжения был взят ИОН достаточно простой в реализации погрешность его сигнала на выходе мала (<<1%) [2]. Такой ИОН изображен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Источник опорного напряжения

Выберем стабилитрон (VD1) - КС133А (U= 3 В, I=5 мА).

Рассчитаем сопротивления для источника опорного напряжения первого АЦП (Uвых=1736 мВ):

R2= (Uвых - Uст) /Iвых= 1,264/0,005=252,8 Ом (12)

R3=Uвых/Iвых= 2/0,005=347,2 Ом (13)

R1= (Uвх - Uст) / (Iвых+Iст) = 2/0,01=126,4 Ом (14)

Рассчитаем сопротивления для источника опорного напряжения первого АЦП (Uвых=52,5 мВ):

R2= (Uвых - Uст) /Iвых= 1,264/0,005=589,5 Ом (15)

R3=Uвых/Iвых= 2/0,005=10,5 Ом (16)

R1= (Uвх - Uст) / (Iвых+Iст) = 2/0,01=294,75 Ом (17)

В качестве параллельного АЦП будем использовать БИС КР1107ПВ5 (рисунок 7) [4].

Рисунок 7 - Схема БИС КР1107ПВ5

Микросхема представляет собой 6-разрядный АЦП с ЭСЛ выходом и разрядом переполнения. Работой АЦП управляет тактовый сигнал. Выборка производится при низком уровне тактового сигнала. При положительном фронте тактового сигнала компараторы стробируются и через время Tпр на выходе АЦП появляется код, соответствующий значению аналогового сигнала. В таблице 2 указаны назначения его основных выходов.

Таблица 2 - Назначение основных выходов АЦП КР1107ПВ5

Выход

Назначение

IAS

Входной аналоговый сигнал

ITS

Тактовый вход

1

Опорное напряжение Uоп

2

Опорное напряжение - Uоп

D0

Разряд переполнения

D1

Выход 1 (младший разряд)

D2-D5

Выходы 2 - 5

D6

Выход 6 (старший разряд)

AG

Аналоговая земля

DG

Цифровая земля

В качестве ЦАП используем 6-ти разрядную БИС К1108ПА3 (рисунок 8) [4].

Рисунок 8 - ЦАП К1108ПА3

В таблице 3 указаны назначения основных выходов.

Таблица 3 - Назначение основных выходов ЦАП К1108ПА3

Выход

Назначение

1

Вход 1 (младший разряд)

2-5

Входы 2-5

6

Вход 6 (старший разряд)

-U

Напряжение питания - Uп

U

Напряжение питания +Uп

9-10

Опорные напряжения

Uвых

Аналоговый выход

14

Общий

Чтобы обеспечить считывание результата преобразования в ЭВМ потребуется параллельный регистр. В качестве регистра была выбрана микросхема 54AC821DM - 10-разрядный параллельный регистр на D-триггерах (рисунок 9) [4].

Рисунок 9 - Регистр КР1531ИР22

Электрическое моделирование

Моделирование схемы проводилось в пакете программ схемотехнического моделирования Micro-Cap 8.0 при помощи справочной литературы [5]. Для моделирования был взят источник опорного напряжения, подаваемого на АЦП 1. В программе MicroCap была создана схема, показанная на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема моделирования источника опорного напряжения

Моделирование проводилось в режиме Transient Analysis. Результаты моделирования представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Результат электрического моделирования

Из рисунка 11 видно, что источник опорного напряжения соответствует поставленной задаче, т.е. выдает напряжение 1.736 В.

Анализ метрологических характеристик

Для подтверждения работоспособности проекта разработанного АЦП приведем его основные характеристики.

Время преобразования 10 мкс обеспечивается малым времением преобразования в параллельных АЦП и ЦАП, а так же частотой генератора строб-импульсов 100 кГц.

Входное сопротивление 50 Ом обеспечивается за счёт добавления в схему узла согласования.

Погрешность преобразования 0,5% обеспечивается шагом квантования и разрядностью АЦП, рассчитанными с учетом инструментальной погрешности и суммарной погрешности преобразования сигнала в функциональных узлах, не превышающей метрологической погрешности.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта был разработан параллельно-последовательный аналого-цифровой преобразователь, соответствующий требованиям технического задания.

Был проведен анализ справочной литературы, в ходе которого были найдены аналоги и прототип, на основе которого и был разработан данный АЦП.

Опираясь на [6] и [7] были составлены функциональная и принципиальная схемы функционального генератора.

С помощью ППП Micro Cap 8 был проведен анализ одного из узлов схемы - ИОН, подтвердивший правильность подбора отдельного компонента данного устройства.

Список использованных источников

1. www.gaw.ru/html. cgi/txt/doc/adc/index. htm. - Аналого-цифровые преобразователи.

2. Гиттис Э.И., Пискунов Е.Д. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Энергоиздат, 1981.

3. Никонов А.В. Основные узлы цифровых измерительных узлов: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - 50 с.

4. www.shema.ru - Анатомия электроники.

5. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-CAP V. - М.: ТОО "СОЛОН", 1997. - 273 с.

6. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1982. - 496 с.

7. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электрические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

8. Никонов А.В. Методические аспекты построения измерительных устройств: Учебное пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - 52 с.

9. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

10. Основы метрологии и электрические измерения: Учеб. пособие для вузов/ Под ред.Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Анализ справочной литературы, рассмотрение аналогов и прототипов аналого-цифрового преобразователя. Составление функциональной и принципиальной схемы функционального генератора. Описание метрологических характеристик. Выбор дифференциального усилителя.

    курсовая работа [460,4 K], добавлен 23.01.2015

  • Описание работы однополярного аналого-цифрового преобразователя. Расчет эмиттерного повторителя и проектирование схемы высокочастотного аналого-цифрового преобразователя. Разработка печатной платы устройства, технология её монтажа и проверка надежности.

    курсовая работа [761,6 K], добавлен 27.06.2014

  • Основные структуры, характеристики и методы контроля интегральных микросхем АЦП. Разработка структурной схемы аналого-цифрового преобразователя. Описание схемы электрической принципиальной. Расчет надежности, быстродействия и потребляемой мощности.

    курсовая работа [261,8 K], добавлен 09.02.2012

  • Расчет тактовой частоты, параметров электронной цепи. Определение ошибки преобразования. Выбор резисторов, триггера, счетчика, генераторов, формирователя импульсов, компаратора. Разработка полной принципиальной схемы аналого-цифрового преобразователя.

    контрольная работа [405,1 K], добавлен 23.12.2014

  • Расчет источника опорного напряжения для схемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выбор компаратора, составление счетчика. Принцип работы АЦП. Получение полосового фильтра. Граничная частота входных сигналов. Перевод сигнала в аналоговую форму.

    курсовая работа [925,5 K], добавлен 05.11.2012

  • Алгоритм работы аналого-цифрового преобразователя. USB программатор, его функции. Расчет себестоимости изготовления стенда для исследования преобразователя. Схема расположения компонентов макетной платы. Выбор микроконтроллера, составление программы.

    дипломная работа [3,2 M], добавлен 18.05.2012

  • Сущность электрооптического эффекта Керра. Распространение света в анизотропной среде. Расчет узлов электрической принципиальной схемы и элементов входного усилителя. Определение элементов аналого-цифрового преобразователя и его включение с индикаторами.

    курсовая работа [826,4 K], добавлен 28.12.2014

  • Разработка структурной схемы устройства. Изучение принципиальной электрической схемы устройства с описанием назначения каждого элемента. Характеристика программного обеспечения: секции деклараций, инициализации микропроцессора и основного цикла.

    курсовая работа [260,3 K], добавлен 14.11.2017

  • Особенности архитектуры и принцип работы конвейерных аналого-цифровых преобразователей. Использование цифровой корректировки для устранения избыточности. Схемы КМОП ключа, выборки-хранения, компаратора, умножающего цифро-аналогового преобразователя.

    курсовая работа [2,4 M], добавлен 06.02.2013

  • Выбор типа аналого-цифрового преобразователя на переключаемых конденсаторах. Структурная схема сигма-дельта модулятора. Генератор прямоугольных импульсов. Действующие значения напряжений и токов вторичных обмоток трансформатора, его параметры и значения.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 08.03.2016

  • Аналого-цифровой преобразователь, разрешение и типы преобразования. Точность и ошибки квантования. Частота дискретизации и наложение спектров. Подмешивание псевдослучайных сигналов и передискретизация. Основные аппаратные характеристики микроконтроллера.

    дипломная работа [635,4 K], добавлен 23.03.2013

  • Разработка функциональной схемы. Назначение основных элементов коммутатора и принцип их работы. Последовательно-параллельный и параллельно-последовательный преобразователи, стробирующие регистры и дешифратор. Речевое и адресное запоминающие устройства.

    курсовая работа [939,6 K], добавлен 27.04.2011

  • Аналого-цифровой преобразователь - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код. Современные типов архитектуры АЦП. Основа дискретизации непрерывных сигналов. Схемы параллельных, последовательных, двухступенчатых, сигма-дельта АЦП.

    доклад [709,1 K], добавлен 18.01.2011

  • Проектирование системы аналого-цифрового преобразования быстроизменяющегося аналогового сигнала в параллельный восьмиразрядный код, разработка ее структурной и принципиальной схемы. Основные элементы системы и порядок их взаимодействия, принцип работы.

    курсовая работа [88,1 K], добавлен 14.07.2009

  • Разработка функционального электрического устройства блока источников опорного напряжения. Выбор и расчет элементов электрической схемы. Мостовой выпрямитель, сглаживающий фильтр, ключ. Электрическое моделирование, анализ метрологических характеристик.

    курсовая работа [465,1 K], добавлен 08.08.2014

  • Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов. Анализ преобразователей последовательных кодов в параллельный. Преобразователи с распределителями импульсов. Разработка преобразователя пятнадцатиразрядного последовательного кода.

    курсовая работа [441,5 K], добавлен 09.12.2011

  • Понятие аналого-цифрового преобразователя, процедура преобразования непрерывного сигнала. Определение процедур дискретизации и квантования. Место АЦП при выполнении операции дискретизации. Классификация существующих АЦП, их виды и основные параметры.

    курсовая работа [490,2 K], добавлен 27.10.2010

  • Ознакомление с устройством преобразователя аналоговых сигналов в цифровые. Описание регистра управления и статуса устройства. Расчет коэффициента деления частоты тактового генератора микроконтроллера. Сборка схемы светодиодного индикатора напряжения.

    лабораторная работа [277,3 K], добавлен 18.10.2015

  • Представление чисел в дополнительном двоичном коде. Номенклатура арифметических операций в цифровом фильтре. Назначение аналого-цифрового преобразователя. Амплитудно-частотная характеристика рекурсивного фильтра. Составление схемы лабораторного макета.

    реферат [215,6 K], добавлен 14.02.2016

  • Состав и технические характеристики цифрового термометра, его преимущества перед другими. Особенности функционирования термометра, функциональная и принципиальная схемы. Полупроводниковые терморезисторы и интегрирующий аналого-цифровой преобразователь.

    курсовая работа [493,2 K], добавлен 07.01.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.