Проектирование аналогово-цифрового преобразователя с USB-выходом

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Проектирование аналогово-цифрового преобразователя с USB-выходом

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»

Омск 2016



Реферат

Пояснительная записка содержит 24 страницы, 24 рисунка, 7 таблиц, 4 источника, 1 приложение.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), конвертор, согласующий усилитель (СУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), гальваническая развязка, преобразователь DC-DC, 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 MicrosoftWord 2010, приложение выполнены в пакете OmniGraffle, моделирование схем выполнено с помощью пакета Multisim.



Задание

В ходе курсового проектирования необходимо разработать функциональную и принципиальную схему аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот (ФНЧ), выбрать микросхему АЦП и 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 к курсовому проекту приведены в таблице ниже.

Таблица 1 - Исходные данные

Тип АЦП	Параллельный
Разрядность АЦП	8 бит
Количество входов	2
есmax	90 мВ
Uсинф	50 мВ
D	25 дБ
fв	13кГц
Тип ФНЧ	Чебышева
?f	4,4кГц
б1	2 дБ
б2	20 дБ



Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему. АЦП состоит из трех частей: аналоговой, собственно АЦП в интегральном исполнении и цифровой.В аналоговой части осуществляются усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП. Микросхема АЦП преобразует входной аналоговый сигнал 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. Напряжение питания +5 В подается на АЦП от интерфейса USB, постоянное напряжение других значений в схеме вырабатывается с помощью преобразователей DC-DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.



1. Функциональная схема устройства

Микросхема АЦП может иметь несимметричный аналоговый вход, а датчик, сигнал с которогоподается на АЦП, - симметричный выход, поэтому в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный согласующий усилитель (СУ), установленный на входе устройства. Назначение СУ - согласование симметричного сигнала и несимметричного входа, 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.

Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема

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.

Далее, на рисунке 2, представлена функциональная схема, с АЦП, имеющим параллельный тип выхода.

Рисунок 2 - Функциональная схема, соответствующая варианту

После разработки функциональной схемы, необходимо выбрать микросхему АЦП, выбор будет производиться по следующим параметрам:

частота дискретизации АЦП с учетом условия: , то есть частота дискретизации должна быть больше 260 кГЦ;

разрядность (8);

тип выхода (параллельный);

количество входов (2).

С учетом этих критериев, подходит микросхема Analog Devices 7825, исключением является наличие 4 входов, для устранения этой проблемы 2 входа будут заземлены.



2. Расчет аналоговой части АЦП

2.1 Определение коэффициента передачи аналогового тракта и коэффициента ослабления синфазного сигнала

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 AD7825 равно 2,5В. Суммарный коэффициент усиления находим по формуле:

,	(2.1.2)

где =1,2 - коэффициент запаса по усилению.

При величине входного сигнала, равным 90мВ, KZ=33.

Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот:

	(2.1.3)



Выберем величины следующим образом: =10,

2.2 Расчет согласующего усилителя

Для реализации согласующего усилителя (СУ) была выбрана микросхема операционного усилителя AD620А. Ниже, на рисунке 3 приведена его принципиальная схема.

Рисунок 3 - Принципиальная схема СУ

В данном СУ необходимо рассчитать - резистор для настройки коэффициента усиления СУ:

,	(2.2.1)

=5489 Ом, приводим эту величину к ряду E12, следовательно =5,6 кОм, после это пересчитываем =9,8, =3,4.

2.3 Расчет активного фильтра нижних частот

Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр Чебышева, основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

- верхняя граничная частота = 13 кГц;

- коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания

= 3,4;

- минимальное затухание в полосе пропускания б1= 2 дБ;

- максимальное затухание в полосе задерживания б2= 20 дБ;.

ширина переходного участка АЧХ Дf= 4,4 кГц.

Порядок фильтра рассчитывается по формуле 2.3.1:

(2.3.1)

После расчетов и округления мы получаем n=4.

Функциональная схема ФНЧ представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Функциональная схема ФНЧ

Определим коэффициенты передачи для каждого из звеньев: = 3,4*1=3,4.

В качестве принципиальной схемы ФНЧ выбираем схему с много петлевой обратной связью МОС. Принципиальная схема ФНЧ четвертого порядка с МОС представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема ФНЧ четвертого порядка с МОС

В таблице 2 приведены исходные данные для расчета ФНЧ

Таблица 2 - Исходные данные для расчета ФНЧ

	Порядок фильтра	Минимальное затухание в полосе пропускания б1, дБ	B	C
1 каскад	2	2	0,209	0,928
2 каскад	2	2	0,506	0,221

Номинальное значение емкостей C2 и C4 задается близкое к величине , расчет параметров был произведен в пакете Matlab, текст программы приведен на рисунке 6.

%1 kaskad

B=0.209;

C=0.928;

C2=1.5*10^-9

k1=3.4;

pi=3.14;

fv=13000;

%C1=(B^2*C2)/(4*C*(k1+1))

C1=4*10^-12;

R2=(2*(k1+1))/((B*C2+sqrt((B^2)*(C2^2)-4*C*C1*C2*(k1+1)))*2*pi*fv)

R1=R2/k1

R3=1/(C*C1*C2*R2*((2*pi*fv)^2))

%2kaskad

disp('2 kaskad');

B=0.506;

C=0.221;

C4=1.5*10^-9

k2=1;

pi=3.14;

fv=13000;

C3=(B^2*C4)/(4*C*(k2+1))

R5=(2*(k2+1))/((B*C4+sqrt((B^2)*(C4^2)-4*C*C3*C4*(k2+1)))*2*pi*fv)

R4=R5/k2

R6=1/(C*C3*C4*R5*(2*pi*fv)^2)

Рисунок 6 - Текст программы в Matlab

Результат работы программы приведен на рисунке 7.

>> filter

C2 = 1.5000e-09

R2 =3.2625e+05

R1 =9.5955e+04

R3 =8.2594e+04

2 kaskad

C4 =1.5000e-09

C3 =2.1723e-10

R5 =6.4553e+04

R4 =6.4553e+04

R6 =3.2276e+04

Рисунок 7 - Результат работы программы

Полученные емкости и сопротивления для всех конденсаторов приводятся к ряду Е12. В таблице 3 приведены полученные при расчете значения, а так же значения, приведенные к Е12.



Таблица 3 - Значения элементов фильтра, приведенные к ряду Е12

Параметр	Рассчитанное значение	Значение, приведенное к ряду Е12
R1, кОм	95,9	100
R2, кОм	326	330
R3, кОм	82,6	82
R4, кОм	64,6	68
R5, кОм	64,6	68
R6, кОм	32,3	33
C1, пФ	4	3,9
C2, нФ	1,5	1,5
C3, пФ	217	220
C4, нФ	1,5	1,5

После расчета данных параметров необходимо промоделировать ФНЧ в пакете схемотехнического моделирования Multisim.



3. Моделирование в Multisim

С помощью пакета «Multisim» моделируем согласующий усилитель и ФНЧ. В качестве значений резисторов и конденсаторов возьмем раннее рассчитанные значения. Схема моделирования представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема моделирования в Multisim

На вход согласующего усилителя подается сигнал с частотой 13кГц и входным напряжением 90мВ, а так же помехи: синфазное напряжение и напряжение шума. После усилителя сигнал уходит на ФНЧ, на котором происходит подавление паразитных высокочастотных составляющих.

Ниже, на рисунках 9 и 10, представлены осциллограммы входных и выходных сигналов на согласующем усилителе и ФНЧ.

Рисунок 9 - Входной(нижний) и выходной(верхний) сигналы на СУ

Рисунок 10 - Входной(нижний) и выходной(верхний) сигналы на ФНЧ

Как видно из рисунков, после прохождения зашумленным сигналом усилителя и ФНЧ он избавляется от шума, помех.

Снимем ЛАЧХ и ЛФЧХ с помощью боде-плоттера, внешний вид ЛФЧХ приведен на рисунке 11.

Рисунок 11 - ЛФЧХ

Для определения правильности моделирования фильтра с ЛАЧХ ФНЧ снимем такие величины, как (рисунок 12), (рисунок 13) (рисунок 14) и сравним полученные параметры с расчетными (таблица 4).

Рисунок 12 - Определение



Рисунок 14 - Определение

Исходя из последних двух рисунков, определим = 4,9.

Таблица 4 - Сравнение параметров

Параметры	Заданные	Смоделированные
K, дБ	10,6	10,4
, кГц	13	13,5
,кГц	4,4	4,9



4. Выбор и описание цифровых блоков

4.1 Выбор микросхемы АЦП

преобразователь цифровой частота аналоговый

Раннее уже была выбрана микросхема АЦП Analog Devices 7825, ниже приведем основные параметры этой микросхемы (таблица 5), функциональную схему (рисунок 15) и разводку пинов (рисунок 16).

Таблица 5 - Параметры микросхемы AD7825

Частота преобразования	2 МГц
Число аналоговых входов	4
Интерфейс	Параллельный
Время преобразования	420 нс.
Напряжение питания	+ 3 - 5 В
Опорное напряжение	+ 2,5 В (внутреннее или внешнее)
Потребляемая мощность	24 мВт.
Число цифровых выходов	8
Общее число пинов	24

Рисунок 15 - Функциональная схема АЦП

Рисунок 16 - Разводка пинов микросхемы

Временные диаграммы микросхемы приведены на рисунке 17.

Рисунок 17 - Временные диаграммы

4.2 Блоки гальванической развязки

Одна из наиболее серьезных проблем, возникающих при передаче данных между электронными устройствами (или между различными узлами одного устройства), - несовпадение нулевых потенциалов этих устройств, так называемых «земель». Если непосредственно соединить земляные цепи разных устройств при помощи провода или экрана кабеля, то возникают паразитные контуры, по которым начинают проходить земляные токи. Они вызывают искажения сигналов, помехи, повышенный уровень излучения, а при большой разности земляных потенциалов могут приводить к повреждениям устройств. Кроме того, в некоторых применениях, например в медицинской аппаратуре, гальваническая связь может приводить к опасности поражения электрическим током. Поэтому для передачи сигналов между устройствами с различными земляными потенциалами линии связи должны иметь гальваническую развязку. Ее задача - обеспечивать передачу информации без искажений в условиях изменения земляных потенциалов устройств и наличия синфазных помех.

Так как входная часть АЦП должна быть изолирована от интерфейса USB, то необходимо использовать устройства с гальванической изоляцией. Для передачи цифровых сигналов можно использовать оптронные пары или микросхемы с импульсными трансформаторами, для передачи постоянного напряжения - блоки DC-DC.

4.2.1 Преобразователи постоянного напряжения

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

Выводы преобразователей указаны в табл. 3.2, а условное графическое обозначение микросхемы показано на рис. 3.8.

Преобразователи серии ТМА имеют в номенклатуре блоки с выходным напряжением +5 В и с двумя выходными -±15 В. Маркировка этих преобразователей следующая: первые две цифры - входное напряжение, третья и четвертая - выходное напряжение, последняя буква - количество выходных напряжений (S - одно, D - два). Для питания цифровых цепей и микросхемы АЦП рекомендуетсяприменять преобразователь ТМА0505S, для питания операционных усилителей - ТМА0515D. В таблице 6 приведены их параметры.

Таблица 6 - Параметры преобразователей

Модель	TMA0505S	TMA0515D
Входное напряжение	+5B +/-10%	+5B +/-10%
Выходное напряжение	+5В	+/- 15В
Выходной ток	200мА	+/- 35мА

Рисунок 18 - Условно-графическое обозначение преобразователя ТМА0505S

4.2.2 Цифровые изолирующие микросхемы

Фирма Analog Devices разработала и запатентовала технологию производства устройств под названием iCoupler. 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 5,5 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.

В данном проекте мы воспользовались микросхемой ADuM1402 и ADuM1400, они представлены на рисунках 19,20.

Рисунок 19 - Микросхема ADuM 1400

Рисунок 20 - Микросхема ADuM 1402



4.3 Конвертер USB - параллельный интерфейс

В качестве конвертера используется микросхема FT245RL, которая характеризуется наличием на входе параллельного интерфейса.

Основные характеристики микросхемы FT245RL:

на одной микросхеме USB на реализуется параллельный FIFO двунаправленный интерфейс передачи данных;

весь протокол USB обрабатывается на чипе. Программирование прошивки не требуется;

полностью интегрированная 1024 бит EEPROM память для хранения дескрипторов устройств и конфигурации FIFO ввода / вывода;

полная интеграция согласующих резисторов USB;

скорость передачи данных до 1Mbyte / сек;

наличие внутренней памяти - 128 байт буфера приема и 256 байт буфера передачи данных с использованием технологии сглаживания для обеспечения высокой пропускной способности;

встроенный конвертер +3,3В для USB I / O;

встроенный преобразователь уровня на FIFO на интерфейс для сопряжения с внешним логическим входом для напряжений +1.8В и +5В.

Рисунок 21 - Функциональная схема микросхемы

Рисунок 22 - Разводка пинов микросхемы

4.4Цифровой счетчик

Микросхема двоичного счетчика К155ИЕ5.

Рисунок 23 - Условное графическое обозначение К155ИЕ5

Где 1 - вход счетный С2; 2 - вход установки 0 R0(1); 3 - вход установки 0 R0(2); 4,6,7,13 - свободные; 5 - напряжение питания +Uп; 8 - выход Q3; 9 - выход Q2; 10 - общий; 11 - выход Q4; 12 - выход Q1; 14 - вход счетный C1.

Таблица 7 - Электрические характеристики микросхемы К155ИЕ5

Номинальное напряжение питания	5 В 5 %
Выходное напряжение низкого уровня при Uп=4,75 В	не более 0,4 В
Выходное напряжение высокого уровня при Uп=4,75 В	не менее 2,4 В
Напряжение на антизвонном диоде при Uп=4,75 В	не менее 1,5 В
Входной ток низкого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -1,6 мА
Входной ток низкого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более -3,2 мА
Входной ток высокого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -0,04 мА
Входной ток высокого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более 0,08 мА
Ток входного пробивного напряжения по входам установки в 0 и счетным входам С1 и С2	не более 1 мА
Ток потребления	не более 53 мА
Время задержки распространения при включении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
Время задержки распространения при выключении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
Ток короткого замыкания приUп=5,25 В	-18...57 мА



Заключение

В ходе курсовой работы была разработана функциональная и принципиальная схема 8 разрядного аналого-цифрового параллельного преобразователя (АЦП) с двумя входами. Рассчитаны параметры согласующих усилителей и фильтров нижних частот. Выбрана микросхема АЦП, выбран тип конвертора USB, выбраны преобразователи DC-DC и микросхема гальванической изоляции, выполнено моделирование схемы с помощью пакета Multisim 12 и сравнение заданных параметров с моделированными.



Библиографический список

1 Чижма С.Н. Проектирование аналогово-цифрового преобразователя с USB-выходом: Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»/ОмГУПС. Омск, 2009г. 37с.

2 Чижма С.Н. Проектирование активных фильтров на операционных усилителях: Методические указания к курсовому проектированию./С.Н.Чижма.ОмГУПС, 2013г. 33с.

3 Рынок микроэлектроники [Электронный ресурс] - Режим доступа:http://gaw.ru

4 Продукты [Электронный ресурс] - Режим доступа:http://www.analog.com/ru/products.html

Размещено на Allbest.ru

...