Курсовая работа: Проектирование аналого-цифрового преобразователя с USB выходом

Для первого звена (B=1,000и C=1,000) с коэффициентом передачи 5 рассчитаем значение емкости C₁ и значения резисторов:

С₁=0,22*10^-10Ф;

R₁=32*10³ Ом;

R₂=1,872*10³ Ом;

R₃=42,13*10³ Ом;

R₄=168,5*10³ Ом.

Для второго звена (B= - и C=1,000) с коэффициентом передачи 1 Значение емкости C₃ выбирается близким к значению Ф. При этом значения сопротивлений определяются по формулам:

Если k = 1, то R₆ = ? (разрыв), а R₇ = 0:

С₃=0,056*10^-10 Ф;

R₅=16*10³ Ом;

Таблица 3 - Приведение значений к ряду Е12

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 AD7825 фирмы Analog Devices, которая подходит для заданного варианта.

а) б)

Рисунок 6 - а) Функциональная схема AD 7825,

б) Расположение выводов AD 7825

Таблица 4 - Назначение выводов AD7825

АЦП AD7825 может работать в двух режимах. Использование того или иного режима зависит от состояния сигнала по прошествии приблизительно 100 нс после окончания преобразования.

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 AD7825 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 .

Рисунок 10 - Типовая схема подключения АЦП к МП или МК

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 5,5 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.

Рисунок 11 - Микросхема гальванической изоляции AduM 1400

Таблица 5 - Обозначение выводов AduM 1400

Рисунок 12 - Микросхема гальванической изоляции AduM 1402

Таблица 6 - Обозначение выводов AduM 1402

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 6МГц - 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.