Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

Текст:
Оригинальную работу скачивайте в *.zip формате

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ВЫБОР И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта
Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта
Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта
Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта
ВЫБОР И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.
В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют работой АЦП.
АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его нормальное функционирование.

ВЫБОР И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта
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).

Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра , где - верхняя частота спектра сигнала датчика.
В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому тип фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.
Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.
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 .
Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен быть включен мультиплексор.

СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 – устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта
Расчет технических требований будем производить в обратном порядке прохождения аналогового сигнала.
В качестве УВХ используем те принцип действия, которых основан на заряде емкости через ключ в течение интервала выборки и хранения накопленного значения в течение времени после отключения ключа. В качестве ключа используют как биполярные, так и полевые транзисторы. Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшими характеристиками, поэтому их применение предпочтительней.
Основными техническими характеристиками УВХ являются:
1. Коэффициент передачи в момент окончания выборки
2. Максимальные значения входного и выходного напряжений.
3. Входное и выходное сопротивления по аналоговому сигналу.
4. Относительные ошибки выборки и хранения .
5. Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.
6. Напряжение источников питания УВХ.

При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.
Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:
1. Верхняя граничная частота .
2. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
3. Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.
4. Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания.
5. Входное и выходное сопротивления.
6. Напряжение источников питания.
При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.
Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.
Фильтры Баттерворта, выполненные на ОУ, имеют . В нашем случае зададимся . Исходя из этого, можно определить требования к максимальной величине входного напряжения:

Для генерации импульсов выборки используем генератор сигналов прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают на управляющий вход УВХ.
В соответствии с заданием на проект за время хранения АЦП должен обработать сигналы с выходов 4 датчиков. Для управления мультиплексором, выполняющим переключение между датчиками используем счетчик (СТ). Два первых выхода счетчика подключены к адресным входам мультиплексора. Для генерации импульсов на запуск АЦП используем генератор запускающийся по заднему фронту импульса выборки (Г2). Этот генератор за время хранения должен выработать 4 импульса длительностью с интервалом .
Рисунок 3. Временные диаграммы.
В соответствии с заданием на проект пуск АЦП должен происходить спустя время после окончания импульса выборки. Для осуществления задержки используем генератор генерирующий импульс длительностью , по заднему фронту импульса от Г2,.
Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта
Для реализации узлов управляющего тракта наиболее удобно использовать микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы на основе этой технологии имеют достаточное быстродействие, низкое энергопотребление и наиболее удобный (в данной ситуации) набор логических функций.
Согласно заданию на проект амплитуда импульсов пуска АЦП составляет 8?12 В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ не превышает 5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению импульса пуска АЦП.
Для реализации генераторов импульсов выборки и пуска АЦП используем генераторы импульсов прямоугольной формы на основе мультивибраторов. Для реализации генератора задержки используем схему задержки на мультивибраторах.
Для питания узлов управляющего тракта потребуется напряжение:
Устройство выборки-хранения
Рисунок 6. Устройство выборки и хранения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают создавать микросхемы с более высокой степенью интеграции, предназначенные для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки и хранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов разрабатывают операционные узлы в виде БИС, способные обрабатывать аналоговую информацию без преобразования ее в цифровую форму.
Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные роботы.
В области преобразования данных основной движущей силой является стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону технологии КМДП, разработка преобразователей специального назначения и использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции погрешностей.
Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств, которые необходимы в микро-ЭВМ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи» по теме «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы» /Сост. А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.
2. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.
3. Микропроцессоры: В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В. Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш. Шк., 1986.
4. Цифровые и аналоговые интегральные схемы: Справ. Пособие / С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.; Под ред. С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985.
5. Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) - М. Патриот, 1993.