Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский Государственный университет путей сообщения

Кафедра “Автоматика и системы управления”

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С USB ВЫХОДОМ

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

“Электроника и схемотехника”

Студент гр. 24З

Г.О. Артюшин

Омск 2017



Реферат

Пояснительная записка содержит 32 страницы, 26 рисунков, 10 таблиц.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующий усилитель (СУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), конвертор, преобразователь DC-DC, гальваническая развязка, операционный усилитель (ОУ).

В ходе курсовой работы необходимо нарисовать функциональную и принципиальную схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выбрать микросхему АЦП в соответствии с вариантом, тип конвертора USB, преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2016, демонстрационные листы выполнены в пакете Microsoft Visio 2016, моделирование схем выполнено с помощью пакета Multisim 12.0



Задание

В ходе курсового проектирования необходимо разработать функциональную и принципиальную схему АЦП-преобразователя, рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот, выбрать микросхему АЦП, выбрать тип конвертора USB, рассчитать и выбрать преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнить моделирование схемы с помощью одного из программных пакетов схемотехнического моделирования.

Исходные данные для курсового проекта: максимальная амплитуда симметричного входного сигнала, динамический диапазон, напряжение синфазной помехи, верхняя частота спектра входного сигнала, количество входных сигналов, разрядность АЦП, выходной код АЦП - последовательный или параллельный приведены в таблице 1.

аналоговый цифровой преобразователь изоляция

Таблица 1- Исходные данные

Вари-ант	Тип АЦП	Раз-ряд-ность АЦП	Кол-во вхо-дов	ес max, мВ	Uсинф, мВ	D, дБ	fв, кГц	Тип ФНЧ	Дf, кГц	б1, дБ	б2, дБ
63	Пар.	8	2	200	150	20	19	Бат.	8.1	2	20



Содержание

• Введение
• 1. Выбор функциональной схемы устройства
• 2. Расчет аналоговой части
• 2.1 Определение коэффициентов
• 2.2 Расчет согласующего усилителя
• 2.3 Расчет активного фильтра нижних частот
• 3. Разработка цифровой части АЦП
• 3.1 Выбор микросхемы АЦП
• 3.2 Микросхемы гальванической изоляции
• 3.3 Преобразователи постоянного напряжения DC-DC
• 3.4 Конвертеры USB - последовательный интерфейс.
• 3.5 Счетчики
• 4. Моделирование схем в пакете Multisim
• 4.1 Моделирование согласующего усилителя (СУ)
• 4.2 Моделирования фильтра нижних частот (ФНЧ)
• 4.3 Частотные характеристики ФНЧ
• Заключение
• Библиографический список


Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему через интерфейс USB.

АЦП состоит из трех частей: аналоговой части, собственно АЦП в интегральном исполнении и цифровой части. При этом в аналоговой части осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП. Микросхема АЦП осуществляет преобразование входного аналогового сигнала в последовательный или параллельный цифровой код (в соответствии с заданием). Цифровая часть устройства выполняет преобразование цифрового кода с выхода АЦП в код, передаваемый на вход микропроцессорной системы по интерфейсу USB. Питание на АЦП подается от напряжения +2.5 В и интерфейса USB, все прочие постоянные напряжения в схеме вырабатываются с помощью преобразователей DC - DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.



1. Выбор функциональной схемы устройства

Микросхема АЦП может иметь несимметричный аналоговый вход, а датчик, сигнал с которого подается на АЦП - симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный согласующий усилитель, установленный на входе устройства (СУ). Его назначение - согласование симметричного сигнала и несимметричного входа, согласование сопротивлений источника сигнала и входного сопротивления АЦП, усиление полезного сигнала и подавление синфазной помехи.

Входной сигнал имеет паразитные высокочастотные составляющие, которые могут влиять на АЦП. Для их устранения на входе микросхемы АЦП устанавливаются фильтры нижних частот.

Микросхема АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Для гальванической развязки цифровых сигналов АЦП и интерфейса USB применяются блоки гальванической развязки, выполненные на оптронах или импульсных трансформаторах.

Преобразование цифрового кода с выхода микросхемы АЦП осуществляется с помощью конвертера, имеющего последовательный или параллельный вход, в зависимости от типа АЦП.

Обобщенная функциональная схема АЦП представлена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема АЦП

После разработки обобщенной функциональной устройства необходимо выбрать тип микросхемы АЦП, конвертер, тип и количество преобразователей DC-DC, тип и количество микросхем гальванической развязки и построить детальную функциональную схему АЦП.

Порядок выбора следующий:

1. Определяем частоту дискретизации АЦП. Требуемая частота дискретизации определяется выражением f_ДИСК?2f_ВЕРХ.

FВЕРХ=19 кГц,	(1)
fДИСК=38 кГц;	(2)

2. Выбираем микросхему АЦП по четырем критериям: частота дискретизации микросхемы (более 220 кГц), разрядность (8), количество входов (2), тип выходного интерфейса: параллельный. Параметрам задания подходит двухканальный АЦП AD9281 фирмы Analog Devices.

3. Выбираем конвертер, преобразующий выходной код АЦП в стандартный сигнал интерфейса USB. Для параллельного интерфейса был использован конвертер FT245R.

4. Определяем необходимые напряжения питания схемы. Входное напряжение питания схемы АЦП AD9281 равна 5 В. Максимальное Uвх=5 В. Опорное напряжение равно 2,5 В.

5. Выбираем микросхемы гальванической развязки. Рекомендуется взять микросхемы серии AduM1400 (2) и AduM1402 (1), имеющие 4 канала передачи цифрового сигнала. Количество микросхем определяется номенклатурой и направлением передаваемых цифровых сигналов.

Рисунок 2 - Детальная функциональная схема АЦП



2. Расчет аналоговой части

2.1 Определение коэффициентов

АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик - симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ).

Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда:

;	(2.1.1)

где - максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, - шкала АЦП, которая определяется по паспортным данным микросхемы АЦП. Для микросхемы AD9281 при питании 5 В также примерно равна 5В. Суммарный коэффициент усиления находим по формуле:

;	(2.1.2)

где =1,2 - коэффициент запаса по усилению. При величине входного сигнала, равным 200 мВ, K_Z = 30. Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот:

КZ = КСУ•КФНЧ ;	(2.1.3)

К_СУ = 10 и К_ФНЧ = 3.

Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

;	(2.1.4)

При амплитуде входного сигнала е_сmax= 200 мВ, динамическом диапазоне D = 20 дБ и синфазной помехе U_синф= 150 мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно:

	(2.1.5)
есmin= 0,002 В	(2.1.6)
Ko.o.c.= 15;	(2.1.7)

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:

;	(2.1.8)
	(2.1.9)

В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения.

2.2 Расчет согласующего усилителя

Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему, представленную на рисунке 2.

Рисунок 2 - Принципиальная схема согласующего усилителя

Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:

(2.2.1)



Этим условиям удовлетворяет счетверенный операционный усилитель КР142ЕН5А:

(2.2.2)

Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице. В этом случае резисторы R5R8 получаются одного номинала, что облегчает их подбор.

Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.

Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:

. (2.2.3)

Рекомендуемое значение , отсюда примем .

Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления резисторов R1 и R2. Примем его равным . Тогда номиналы резисторов R3 и R4 определим по формуле:

(2.2.4)

Для нашего примера К_СУ = 10, отсюда



(2.2.5)

Номиналы резисторов R3 и R4 определим из стандартного ряда Е12 и примем их равными R3=R4=22 кОм.

Зная суммарное сопротивление резисторов R1 и R2, равное , выберем значение R1 и R2 таким образом, чтобы имелась возможность изменять коэффициент усиления в пределах 20%. Выберем из стандартного ряда Е12 R1=2,2 кОм, R2=5,6 кОм. В этом случае при нахождении подстроечного резистора R2 в среднем положении суммарное сопротивление равно 5 кОм и есть возможность регулировки в пределах более 20%.

Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по формуле:

(2.2.6)

2.3 Расчет активного фильтра нижних частот

Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр Баттерворта, порядок фильтра рассчитывается исходя из требований к АЧХ.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

- верхняя граничная частота = 19 кГц;

- коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания = 3;

- минимальное затухание в полосе пропускания б₁ = 2 дБ;

- максимальное затухание в полосе задерживания б₂ = 20 дБ;

- ширина переходного участка АЧХ Дf = 10 кГц.

Порядок фильтра рассчитаем по формуле:

		(2.3.1)

где n - порядок фильтра, б₁ - минимальное затухание в полосе пропускания, б₂ - максимальное затухание в полосе задерживания, Дf - ширина переходного участка АЧХ, щ_с =. Находя ближайшее целое число, получим n = 7.

Следующим шагом при расчете фильтра нижних частот является разработка функциональной и принципиальной схем.

На функциональной схеме n = N1 + N2 + N3 + N4 = 2 + 2 + 2 + 1 = 7 - порядок ФНЧ, схема представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Функциональная схема ФНЧ

Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания = 3, определим коэффициенты передачи для каждого из звеньев: k1=5, k2=2, k3=1, k4=0.3.

В качестве принципиальной схемы ФНЧ выбираем схему на ИНУН. Принципиальная схема ФНЧ представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема ФНЧ четвертого порядка на ИНУН



Таблица 2 - Исходные данные для расчета ФНЧ

Тип ФНЧ	Порядок фильтра	Минимальное затухание в полосе пропускания б1, дБ	B	C
Баттерворт	7	2	0,445	1
			1,24	1
			1,8	1
			2	1

Номинальное значение емкости C₂ задается близкое к величине Ф.

(2.3.2)

Значение емкости C₁ выбираем из условия:

	(2.3.3)

Номиналы резисторов рассчитываются по формулам:

	(2.3.4)

Далее необходимо привести полученные значение к ряду Е12, результат в таблице 3.

Таблица 3 - Приведение значений к ряду Е12

	R1	R2	R3	R4	C1	C2
Расчетные значения				4859436
Е12	8.2 кОм	3.9 МОм	68 кОм	4.7 МОм	4.7 пФ	0,56 нФ
Расчетные значения				306994
Е12	15 кОм	82 кОм	27 кОм	330кОм	680 нФ	0,56 нФ
Расчетные значения	25021	19266	32495	50042
Е12	27 кОм	18 кОм	33 кОм	47 кОм	22 нФ	0,56 нФ
Расчетные значения	159235	47770	14331
Е12	150 кОм	48 кОм	15 кОм		0.56 нФ



3. Разработка цифровой части АЦП

3.1 Выбор микросхемы АЦП

Микросхема АЦП выбирается по следующим критериям: максимальная частота дискретизации, количество аналоговых каналов, разрядность АЦП, выходной код АЦП - параллельный.

Возьмем четырехканальную микросхему АЦП AD9281 фирмы Analog Devices, которая подходит для заданного варианта. Схема представлена на рисунке 6.

а) б)

Рисунок 6 - а) Функциональная схема AD9281,

б) Расположение выводов AD9281

Таблица 4 - Назначение выводов AD9281

Номер вывода	Обозна-чение	Назначение
7-22	D0B-D0B D0A-D0A	Выводы данных.
1, 2	AINA AINB	Аналоговый вход
5, 24, 27	GND	Вывод заземления
2	VREF	Вход, выход опорного напряжения
6, 23	VDD,	Цифровой выход источник питания 3 и 5 B
4, 25	VD	Аналоговый 5 В источник питания
26	ENCODE	Кодировка часов АЦП
3	PWRDN	Выбор функции выключения питания

АЦП AD9281 может работать в двух режимах.

Режим 1 - режим высокоскоростной работы АЦП.

Рисунок 7 - Временная диаграмма работы в режиме 1

Когда АЦП работает в данном режиме, не происходит отключения питания в период между преобразованиями. Таким образом, этот режим позволяет увеличивать показатели производительности. должен принимать высокий потенциал до окончания преобразования, т.е. до опрокидывания в низкий уровень. Новое преобразование не может начаться, пока не пройдет 30 нс после окончания чтения (время t3 на диаграмме).

Режим 2 - режим автоматического отключения питания.

При работе АЦП в этом режиме питание автоматически отключается по окончании преобразования. Сигнал на протяжении всего преобразования и по его окончании имеет низкий потенциал и продолжает таким оставаться даже, когда стал высоким, т.е. приблизительно через 100 нс после окончания преобразования. Отключение питания происходит максимум через 530 нс после принятия сигналом низкого уровня, когда принимает высокий потенциал. Включение питания происходит по переднему фронту импульса сигнала. Параллельный интерфейс работает и при отключенном питании. Чтение может происходить и в то время, пока сигнал низкого уровня, как показано на рисунке, и когда происходит отключение питания.

Рисунок 8 - Временная диаграмма работы в режиме 2

Параллельный интерфейс АЦП AD9281 8-разрядный. На рисунке 9 приведена диаграмма синхронизации работы параллельного интерфейса.

Рисунок 9 - Временная диаграмма синхронизации работы параллельного интерфейса

До опрокидывания в низкий потенциал на адресных входах уже должен начать формироваться адрес следующего коммутируемого канала. Срез импульса переводит устройство в режим хранения, тем самым начиная преобразование. Когда преобразование завершено, сигнал окончания преобразования () опрокидывается в низкий уровень, сообщая о том, что новые преобразованные данные помещены в выходной регистр АЦП. имеет низкий потенциал максимум в течение 110 нс. переводится в высокий уровень фронтом импульса высокого потенциала сигнала . Сигналы и должны иметь низкий потенциал, чтобы преобразованные данные могли передаться на шину данных. Можно оставить в низком состоянии, а данные считывать, используя сигнал .

3.2 Микросхемы гальванической изоляции

Analog Devices разработали технологию производства устройств под названием iCoupler (ADuM 140x). Главным их достоинством по сравнению с оптическими изоляторами является более высокая скорость передачи данных. Кроме того, у них при одинаковых скоростях заметно меньше потребляемая мощность. А при создании двунаправленных, гальванически развязанных линий передачи данных их применение вместо оптических изоляторов позволяет в несколько раз сократить габариты и стоимость узлов гальванической развязки. Наиболее многочисленная группа устройств, в которых используется технология iCoupler - это цифровые изоляторы (digital isolators). Они предназначены для построения гальванически развязанных линий передачи цифровых сигналов. Как на входах, так и на выходах этих устройств не требуется дополнительных балластных или нагрузочных резисторов или каких-либо других деталей. Как входная, так и выходная части устройства могут работать при напряжении питания от 3 до 5 В. При этом значения питающих напряжений по обе стороны изолирующего канала не зависят друг от друга и могут быть как одинаковыми, так и разными. Таким образом, изоляторы iCoupler в дополнение к гальванической развязке могут обеспечивать преобразование цифровых уровней. Заметим, что при питании 5В значения входных логических порогов близки к стандартным уровням ТТЛ.

Для параллельного АЦП будем использовать микросхему AduM 1400 и 1402. Изображены на рисуноке 11.

Рисунок 11 - Микросхема гальванической изоляции AduM 1400



Таблица 5 - Обозначение выводов AduM 1400

VDD1	Напряжение питания 1
GND1	Земля 1
VIA	Логический вход А
VIB	Логический вход В
VIC	Логический вход C
VID	Логический вход D
NC	Не подключен
VE2	Питание 2
VOD	Логический выход D
VOC	Логический выход C
VOB	Логический выход B
VOA	Логический выход А
GND2	Земля 2
VDD2	Напряжение питания 2

Рисунок 12 - Микросхема гальванической изоляции AduM 1402

Таблица 6 - Обозначение выводов AduM 1402

VDD1	Напряжение питания 1
GND1	Земля 1
VIA	Логический вход А
VIB	Логический вход В
VOC	Логический выход C
VOD	Логический выход D
VE1	Питание 1
VE2	Питание 2
VID	Логический вход D
VIC	Логический вход C
VOB	Логический выход B
VOA	Логический выход А
GND2	Земля 2
VDD2	Напряжение питания 2

3.3 Преобразователи постоянного напряжения DC-DC

Преобразователи постоянного напряжения DC-DC предназначены для передачи постоянного напряжения и гальванической изоляции. Преобразователи выпускаются с различными номиналами входных и выходных напряжений. В качестве примера приведем преобразователи фирмы TRACO, имеющие входное напряжение +5 В.

Рисунок 13 - Характеристики преобразователей ТМА

Рисунок 14 - Условное графическое обозначение ТМА0505S, ТМА0515S и их выводы

Преобразователи серии ТМА имеют в номенклатуре как блоки с выходным напряжением +5В, так и с двумя напряжениями ±15В. Маркировка этих преобразователей следующая: первые две цифры - входное напряжение, третья и четвертая цифры - выходное напряжение, последняя буква - количество выходных напряжений: S - одно, D - два. Для питания цифровых цепей и микросхемы АЦП можно использовать ТМА0505S, для питания операционных усилителей - ТМА0515D.

3.4 Конвертеры USB - последовательный интерфейс

В качестве конвертера используется микросхема FT245R, которая характеризуется наличием на выходе последовательного интерфейса.

Основные характеристики микросхемы FT245R:

1) однокристальный двунаправленный преобразователь USB-FIFO;

2) буфер приема данных 384 байта с программируемым тайм-аутом по приему, буфер передачи 128 байт;

3) совместимость со спецификациями USB 1.1 и USB 2.0;

4) совместимость с интерфейсами хост контролеров UHCI/OHCI/EHCI;

5) напряжение питания от 4,4 до 5,25 В и интегральный стабилизатор напряжения 3,3В;

6) встроенная схема формирования сигналов “Сброс”;

7) встроенный умножитель частоты на 48МГц;

8) возможность программирования микросхем EEPROM с протоколом Microwire под управлением USB;

9) встроенный преобразователь уровней FIFO и управляющих сигналов.

Функциональная схема представлена на рисунке 15.



Рисунок 15 - Функциональная схема FT245R

Описание функциональных блоков

LDO регулятор генерирует напряжение 3,3 В для питания USB Transceiver, передающего байты выходного буфера в USB. Это требует реализуя внешнюю развязку, присоединить конденсатор к выходу 3,3 В регулятора. Это также дает напряжение 3,3 В на выход RSTOUT#. Основная функция этого блока - питание USB-трансивера и блока Reset Generator, по сравнению с функцией питания внешнего электронного устройства. Однако, если это необходимо, к этому выходу может быть и подключено внешнее электронное устройство, рассчитанное на 3,3 В и не потребляющее тока более чем 5 мА.

USB-трансивер обеспечивает передачу блоков информации с полной скоростью по USB-кабелю через интерфейсы USB1.1/1.0. Выходной драйвер обеспечивает напряжение 3,3 В, сигнализируя о скорости нарастания выходного напряжения, пока дифференциальный приемник и два простых приемника обеспечивают прием данных USB, определение условий SEO и USB reset.

USB DPLL блокирует входящую NRZI USB информацию и обеспечивает раздельную синхронизацию и передачу информационных сигналов от блока SIE.

6 МГц-овый резонатор генерирует тактовые импульсы частотой 6 МГц. Импульсы тактовой частоты приходят на множитель частоты. Можно использовать внешний 6МГц-овый кварцевый или керамический резонатор.

Множитель частоты преобразует импульсы 6 МГц-ового резонатора в импульсы с частотой 12 МГц для SIE, USB protocol engine, FIFO. Также он вырабатывает частоту 48 МГц для USB DPLL.

Serial Interface Engine (SIE) выполняет преобразование информации из протокола USB в протокол серийного порта и наоборот. Трансляция производится с использованием методов stuffing/un-stuffing и CRC5/CRC16 generation/сhecking.

USB Protocol Engine управляет потоком информации от USB для контроля над конечной точкой. Оно управляет нижним уровнем протокола USB, создаваемым контроллером USB и командами для функционального контроля параметров FIFO.

FIFO буфер приема (128 байт). Информация передается от хоста USB к FIFO через выход USB в буфер приема FIFO и возвращается оттуда чтением FIFO с использованием RD#.

FIFO буфер передачи (384 байта). Информация, записанная на вход, попадает в буфер передачи при установке WR#. Из буфера она передается хосту после отправки им запроса к конечной точке.

FIFO контроллер управляет передачей информации между внешними FIFO интерфейсами и FIFO буфером приема и передачи.

RESET генератор переключения обеспечивает надежный сброс питания устройства до включения питания внешней микросхемы. В дополнение, вход RESET# и выход RSTOUT# обеспечивают возможность сброса другим устройствам FT245R сбрасывать другие устройства соответственно. В течение сброса RSTOUT# устанавливается в "нуль", в противном случае - выход имеет потенциал 3,3 В, обеспечивающийся установленным на плате регулятором. RSTOUT# может быть использован для контроля внезапного отключения на USBDP прямо тогда, когда задержанному USB это необходимо. RSTOUT# может быть “0” когда около 5 мс питающее напряжение превышает 3,5 В и генератор запущен, и RESEТ# находится в “1”. RESET# должен быть соединен с питающим напряжением (VCC), если не требуется сброс микросхемы от внешнего устройства или внешнего генератора.

Интерфейс EEPROM. Хотя FT245R может работать без EEPROM, дополнительная внешняя память 93C46 (93C56 или 93C66) может быть использована для установки собственных значений параметров USB, таких как USB VID, PID, Serial Number, Product Description Strings и Power Descriptor для OEM приложений. Другие параметры, контролируемые EEPROM, содержат удаленное включение устройства, изохронный режим передачи, программное отключение питания и дескриптор USB 2.0.

EEPROM должна иметь 16-ти битную расширенную структуру, такую как MicroChip 93LC46B или с подобными возможностями, 1Мб/сек скорости, питающим напряжением от 4,35 до 5,25 В. EEPROM может быть запрограммирована на микросхеме (программатором) или через USB с использованием утилит, доступных на сайте FTDI.



Рисунок 16 - Выводы FT245R

Таблица 7 - Назначение выводов

Рисунок 17 - Временная диаграмма цикла чтения

Рисунок 18 - Временя диаграмма цикла записи

Рисунок 19 - Схема подключения USB конвертора



3.5 Счетчики

В качестве счетчика используем микросхему ТТЛ - типа К155ИЕ5. Микросхема представляет собой два независимых D-триггера, срабатывающих по положительному фронту тактового сигнала.

Рисунок 20 - Корпус микросхемы К155ИЕ5

Таблица 8 - Назначение выводов микросхемы

Обозначение вывода	Назначение
С1	Счетный вход
С2	Счетный вход
R0&	Установка в 1
R0	Установка в 0
Q1	Выходы
Q2
Q3
Q4

Таблица 9 - Электрические параметры К155ИЕ5

№	Электрические параметры	Значение
1	Номинальное напряжение питания	5 В 5 %
2	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,4 В
3	Выходное напряжение высокого уровня	не менее 2,4 В
4	Напряжение на антизвонном диоде	не менее -1,5 В
5	Входной ток низкого уровня по входам 2,4,10,12 по входам 1,3,11,13	не более -1,6 мА не более -3,2 мА
6	Входной ток высокого уровня по входам 2,12 по входам 4,3,11,10	не более 0,04 мА не более 0,08 мА
7	Входной пробивной ток	не более 1 мА
8	Ток короткого замыкания	-18…-55 мА
9	Ток потребления	не более 30 мА
10	Потребляемая статическая мощность на один триггер	не более 78,75 мВт
11	Время задержки распространения при включении	не более 40 нс
12	Время задержки распространения при выключении	не более 25 нс
13	Тактовая частота	не более 15 мГц



4. Моделирование схем в пакете Multisim

4.1 Моделирование согласующего усилителя (СУ)

В пункте 2.2 была приведена СУ. При моделировании схемы согласующего усилителя значения резисторов возьмем так же из пункта 2.2. Схема моделирования СУ представлена на рисунке 21.

Рисунок 21 - Схема согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот

СУ подавляет синфазную помеху и усиливает входной сигнал (рисунок 22).



Рисунок 22 - Входной и выходной сигналы СУ

4.2 Моделирования фильтра нижних частот (ФНЧ)

В пункте 2.3 была приведена схема активного фильтра нижних частот. При моделировании схемы значения резисторов и ёмкостей возьмём так же из пункта 2.3. Схема моделирования активного фильтра нижних частот представлена на рисунке 21.

ФНЧ необходим для подавления паразитных высокочастотных составляющих и усиления входного сигнала.



Рисунок 23 - Сигнал на выходе ФНЧ

4.3 Частотные характеристики ФНЧ

Для АЧХ ФНЧ необходимо выразить К_ФНЧ в децибелах, он будет равен.

Определяем частотные характеристики ФНЧ.

Рисунок 24 - К_ФНЧ =9,114 дБ на АЧХ ФНЧ



Рисунок 25 - f_{верхняя}=18,266 кГц на АЧХ ФНЧ

Рисунок 26 - f = 8.3 кГц на АЧХ ФНЧ

Таблица 10 - Параметры ФНЧ

Параметры	k, дБ	fB, кГц	Дf, кГц
Заданные	9.5 дБ	19	8.1
Моделированные	9.1 дБ	18,26	8.3

Значения полученные с помощью расчета и с помощью модели в пределах погрешности.



Заключение

В результате выбора и расчета всех элементов была спроектирована принципиальная схема АЦП, приведенная в приложении. Рассчитаны параметры согласующего усилителя и фильтра нижних частот. Выбран тип конвертора USB, рассчитаны и выбраны преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнено моделирование схемы с помощью пакета Multisim. На выходе этой схемы был получен цифровой сигнал, на ее вход был подан аналоговый. Это означает, что данная схема выполняет свою задачу и преобразует один тип сигнала в другой.

Небольшие отличия результатов моделирования от исходных и рассчитанных данных объясняются погрешностью в вычислениях.



Библиографический список

1 Чижма, С.Н. Проектирование активных фильтров на операционных усилителях: Методические указания к курсовому проекту / С. Н. Чижма. Омский институт инженеров железнодорожного транспорта, 1992. 46 с.

2 Чижма С.Н. Проектирование аналогово-цифровых преобразователей с USB выходом / С. Н. Чижма. Омский государственный университет путей сообщения, 2008. 35 с.

3 Сервер микроэлектроники http://www.gaw.ru

4 Analog Devices http://www.analog.com/ru

5 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов/ ОмГУПС, Омск, 2005. 28с

6 Волович Г.О. Схемотехника аналоговых и цифро-аналоговых электронных устройств./Г.О Волович, М:Издательский дом “Додека-XXI”, 2007. 528 с.

Размещено на Allbest.ru

...