Проектирование аналого-цифрового преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии»

Кафедра «Электрическая связь»

Специальность 23.05.05 Системы обеспечения движением поездов

Специализация Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте

КУРСОВАЯРАБОТА

по дисциплине «Электроника»

на тему: «Проектирование аналого-цифрового преобразователя»

Обучающийся

Курс II, Группа АТ-726з

Новиков А.М.

Руководитель

подпись, дата Доц. Яковлев П.Б.

Санкт-Петербург, 2020



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии»

Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»

Специальность 23.05.05 Системы обеспечения движением поездов

Специализация Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте

Оценочный лист на курсовуюработу

по дисциплине

«Электроника»

Новиков Артём Михайлович

Тема: «Проектирование аналого-цифрового преобразователя»

Оценка курсового проекта

№ п/п	Материалы, предоставленные для оценки знаний, умений и навыков	Показатель оценивания	Критерии оценивания	Шкала оценивания	Полученные баллы
1	2	3	4	5	6
		1. Соответствие оформления проекта требованиям ГОСТ	Соответствует	1-10
			Не соответствует	0
		2. Соответствие содержания проекта требованиям, предъявляемым к проекту в методических указаниях по выполнению курсового проекта	Все требования к содержанию проекта выполнены	21-30
			Требования выполнены частично	1-20
			Содержание проекта не соответствует требованиям	0
		3. Обоснованность выводов и организационных решений соответствующими расчетами	Все предложенные выводы и принятые решения обоснованы	20
			Принятые решения частично обоснованы	15
			Принятые решения не обоснованы	0
№ п/п	Материалы, предоставленные для оценки знаний, умений и навыков	Показатель оценивания	Критерии оценивания	Шкала оценивания	Полученные баллы
		4. Новизна и оригинальность раскрытия теоретической части	Присутствуют элементы оригинальности и новизны	5
			Присутствуют элементы новизны	3
			Работа не является оригинальной и не содержит элементы новизны	0
		5. Соблюдение графика предоставления проекта	График соблюдался	5
			График не соблюдался	0
ИТОГО максимальное количество балло	70
Защита курсового проекта	Получены полные ответы на вопросы - 25-30 баллов;	30
	Получены достаточно полные ответы на вопросы - 20-24 баллов;
	Получены неполные ответы на вопросы или часть вопросов - 11-20 баллов;
	Не получены ответы на вопросы или вопросы не раскрыты - 0-10 баллов.
Итоговое количество баллов за курсовой проек	100
Итоговая оценка	«Отлично» - 86-100 баллов
	«Хорошо» - 75-85 баллов
	«Удовлетворительно» - 60-74 баллов
	«Неудовлетворительно» менее 59 баллов (вкл.)

Заключение: рецензируемый курсовой проект соответствует требованиям основной образовательной программы (23.05.05) специальности «Системы обеспечения движения поездов» по специализации «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте»

Итоговая оценка -

Руководитель	(подпись)	Яковлев П.Б.

«____» _________________ 20___ г.



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» (ФГБОУ ВО ПГУПС)

Факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии»

Кафедра «Электрическая связь»

Специальность 23.05.05 Системы обеспечения движения поездов

Специализация Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте

Календарный план выполнения и защиты курсовойработы по дисциплине «Электроника»

Новиков Артём Михайлович

Тема: «Проектирование аналого-цифрового преобразователя»

№ п/п	Наименование этапов	Планируемая дата	Фактическая дата	Подпись руководителя	Примечание
1	Выдача задания на курсовой проект
2	Сдача курсового проекта на первую проверку
3	Сдача курсового проекта на повторные проверки при необходимости
4	Допуск курсового проекта к защите
5	Защита курсового проекта

Руководитель	(подпись)	Яковлев П.Б.

«____» _________________ 20___ г.



ВВЕДЕНИЕ

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств вводавывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д. В настоящее время применяют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную и полупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИС) АЦП в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи с достаточно большой рассеиваемой мощностью. аналоговый цифровой преобразователь

Общие сведения об АЦП

Аналого-цифровые преобразователи являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедуру аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов можно разделить на две самостоятельные операции: дискретизацию и квантование. В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм



,

где aj - отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени; fj(t) - набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в качестве коэффициентов aj следует использовать мгновенные значения сигнала U(tj) в дискретные моменты времени tj=jt, а период дискретизации выбирать из условия

t=1/2Fm,

где Fm - максимальная частота спектра преобразуемого сигнала.

Классификация АЦП

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. Аналого-цифровые преобразователи делятся на: параллельные, последовательные (последовательного приближения, последовательного счета (следящие), интегрирующие (однотактные, многотактные, сигма-дельта, преобразователи частота-напряжение) и последовательно-параллельные (многотактные, многоступенчатые, конвеерные).



1. ОПИСАНИЕ АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ

Структурная схема АЦП последовательного приближения приведена на рис. 1.

Рис. 1- Структурная схема АЦП

АЦП состоит из:

· генератора тактовых импульсов ГТИ, состоящего из микросхемы DD1, резисторов R1-R3, конденсатора С1 и диодов D1-D2

· компаратора напряжения КН, включающего DA1

· логического устройства ЛУ, представленного микросхемой DD2

· регистра последовательного приближения: регистра сдвига, регистра запоминания

Принципиальная электрическая схема, построенная в соответствии со структурной схемой, приведена на рис. 2.



Рис. 2- Принципиальная электрическая схема АЦП

Алгоритм работы схемы: по команде «пуск» логическое устройство (ЛУ) подает первый импульс от генератора импульсов (ГТИ) в сдвигающий регистр (RGCдB) из п триггеров. Первый его триггер переключается и подает импульс в запоминающий регистр (RG)y, вызывая переключение триггера старшего разряда и появление на выходе 2""1 напряжения логической L. Этот же сигнал подается на вход старшего разряда ЦАП, и на его выходе появляется эталонное напряжение, равное 0,5 Е9Т. Это напряжение сравнивается с напряжением сигнала Ј/вх и, если Ј/вх>0,5Јэт, то ЛУ подает следующий, второй импульс на вход RGCAB. При этом в старшем разряде RGWB остается записанной 1, и далее этап сравнения повторяется. Таким образом, формируется цифровой код на выходе АЦП, начиная со старшего разряда.



Исходные данные

Тип АЦП	АЦП последовательного приближения с К1113ПВ1
Частота, f	3*10^5
Скважность	2
Длительность фронтов, мкс не более	2*10^-2 0,02
Амплитуда, В	8
Согласуемые элементы серии ИМС	ТТЛ - КМДП К155 - К176
Нагрузочная способность ПУ	2
Частота переключения, f	0,5
Температурный диапазон, Т	-10:70
Монтажная ёмкость элементов, См	50пФ
Входная ёмкость	15пФ

Микросхема К1113 ПВ1

Микросхема представляет собой функционально законченный 10-разрядный АЦП, сопрягаемый с микропроцессором (рис.3). Обеспечивает преобразование как однополярного напряжения (вывод 15 соединяется с выводом 16) в диапазоне 0...9,95 В, так и биполярного напряжения в диапазоне -4,975...+4,975 В в параллельный двоичный код.

Рис.3 - Микросхема К1113 ПВ1

Назначение выводов:

1 - девятый разряд;

2 - восьмой разряд;

3 - седьмой разряд;

4 - шестой разряд;

5 - пятый разряд;

6 - четвертый разряд;

7 - третий разряд;

8 - второй разряд;

9 - первый разряд;

10 - напряжение питания Uп1;

11 - гашение и преобразование;

12 - напряжение питания -Uп2;

13 - вход аналоговый;

14 - аналоговая "земля";

15 - управление сдвигом нуля;

16 - цифровая "земля";

17 - готовность данных;

18 - десятый разряд (младший);

В состав ИС входят ЦАП, компаратор напряжения регистр последовательного приближения (РПП), источник опорного напряжения (ИОН), генератор тактовых импульсов (ГТИ), выходной буферный регистр с тремя состояниями, схемы управления. Выходные каскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосредственно на шину данных микропроцессора.



2. РАСЧЁТ ТАКТОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Рис.4 Генератор тактовых импульсов

Генератор спроектирован на микросхеме К1554ЛН1. Частота её переключения (в соответствии с документацией) составляет 150 МГц или 6,7 нс, что вполне достаточно для формирования сигналов с длительностью фронтов не хуже 50 нс (по заданию).

Выходное напряжение логической «1» микросхемы КМОП-серии равняется напряжению её питания, т.е. +7В. Поскольку это значение равно указанному в задании, то дополнительный усилительный элемент на выходе логических микросхем не нужен.

По заданию частота генератора F = 200 кГц. Для генератора, приведённого на рис.6, частота рассчитывается по формуле

F = 0,55 (R2 + R3 + 2RVD) C1.

RVD = 1,5 кОм (среднее сопротивление p-n перехода кремниевого точечного диода). Рассчитаем номиналы элементов:

При С1 = 20 мФ номиналы R2 + R3 = 178 кОм.

Величина сопротивления резистора R1 устанавливается равной 160 Ом. Он необходим для ограничения тока через входные диоды элемента и уменьшения нагрузки на него.

Скважность, равная 6, достигается за счёт изменения соотношения номиналов резисторов R2 и R3 таким образом, чтобы на верхнее плечо приходилось 6/7 сопротивления резистора, тогда длительность разряда конденсатора составит 6/7 длительности импульса, а на зарядку будет приходиться только пятая часть. С процессами заряда и разряда конденсатора связаны длительности логической «1» и «0» на выходе генератора. Номинал R2 = 6/7 · 178 = 152,7 кОм, R3 = 25,3 кОм.



3. РАСЧЁТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УРОВНЕЙ

При непосредственном сопряжении ТТЛ ЛЭ с КМДП ЛЭ, выходные напряжения ТТЛ ЛЭ могут быть недостаточными для управления входами КМДП-элементов. Для напряжений токов и согласования уровней используется ПУ, указанное на рис. 7.

Рис. 5 Схема ПУ ТТЛ - КМДП

Если UВХ = U0ттл < eоб, то транзистор находится в режиме отсечки. Напряжение на коллекторе транзистора VТ, равное напряжению на выходе ПУ, должно быть больше уровня 1 КМДП-элементов U1КМДП.

Если UВХ = U1ТТЛ, то транзистор VT находится в режиме насыщения, и ток базы определяется следующим образом:

Если UВХ > eоб , то транзистор работает в активном режиме:



Если UВХ > ( eоб + Iбн Rб ), то VT находится в насыщении и UВЫХ = UКЭ Н .

3.1 ВЫБОР БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Необходимо задать условия выбора:

1. Частота переключения должна быть меньше граничной частоты транзистора: ѓПЕР ? ѓГР,

ѓГР ? 0.5 · 106 ГЦ

2. Напряжение насыщенного перехода эмиттер-коллектор не должно превышать U0ТТЛШ : UКЭ Н ? 0,2 В

Для дальнейших расчётов выберем транзистор КТ6117A (его аналог 2N5551). Его характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 1. Характеристики КТ6117А

IК МАХ	0,6	А
h21э	90-150
UКЭ Н	0,2	В
IКБ 0	0,05	А
Uкэ	160	В
Iк	0,02	А
Fгр	100	МГц

3.2 РАСЧЁТ РЕЗИСТОРОВ СХЕМЫ ПУ, РАСЧЁТ ПУ

Работоспособность схемы возможна при соблюдении условий относительно RК и RБ:



На формулах указаны:

, где Т = 45єС, Т* = 7єС, Т0 = 27єС

, , , , , , , , , , , .

При решении неравенств получены следующие значения:

Выбираем конкретные численные значения сопротивлений:

Схема ПУ в режиме отсечки:



Схема ПУ в активном режиме:

Схема ПУ в режиме насыщения:

UВХ > ( eоб + Iбн Rб )

3.3 РАСЧЁТ МОЩНОСТИ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПУ ОТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ



4. ОСЦИЛЛОГРАММА НА ВЫХОДЕ ПУ

В результате получаем осциллограмму на выходе ПУ и КМДП, приведённую на рис. 8.

Рис. 6 Осциллограмма на выходе ПУ и КМДП



5. ОПИСАНИЕ АНАЛОГА ПУ

Условно-графическое обозначение микросхемы-аналога приведено на рис. 9.

Рис. 7 Условно-графическое обозначение микросхемы ПУ

Микросхема К176ПУ5 предназначена для согласования выходов микросхем ТТЛ со входами микросхем КМОП. При напряжении питания 5 В на выводе 15 и 9...10 В на выводе 16 на входы микросхемы можно подавать сигналы с выходов микросхем ТТЛ, выходные сигналы будут соответствовать уровням микросхем КМОП. Минимальная длительность переключения составляет 0,9 мкс.



ВЫВОД

В данной курсовой работе был спроектирован аналого-цифровой преобразователь с использованием последовательного преобразования с К1113 ПВ1. В качестве генераторов была использована схема последовательно соединённых через RC цепь логических элементов. Рассчитаны параметры сопротивления и ёмкости элементов генератора тактовых импульсов. Рассчитан преобразователь уровней ТТЛ-КМДП. Построена передаточная характеристика преобразователя уровней.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Под ред. В. А. Лабунцова. -- М.: Энергоатом-издат, 1988, -- 320 с.

2. Физические основы электроники: методические указания по курсовой работе для студентов специальности 21.05.04 (130400.65) - "Горное дело" специализации « Электрификация и автоматизация горного производства», / А. П. Маругин. Уральский государственный горный университет. ? Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2015.? 15 с.

3. http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/1113/pv1.html

4.Опадчий Ю. Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для ВУЗов - М.: Горячая линия - Телеком, 2007 г. - 768 с.: ил.

5.Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП. М.: Энергоатомиздат, 2009. 320 с.

6.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С. В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1990. 496 с.

7.Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1983. 512с.

8.Гнатек Ю.Р. Справочник по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям. М.: Радио и связь, 1982. 551 с.

9.Мкртчян С.О. Преобразователи уровней логических элементов. М.: Радио и связь, 2010. 64 с.

10.Микропроцессоры. Кн. 2.: Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы / Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: Высшая школа, 2009.

Размещено на Allbest.ru

...