Курсовая работа: Проектирование аналого-цифрового преобразователя с USB выходом

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский Государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине

«Электроника и схемотехника»

Проектирование аналого-цифрового преобразователя с usb выходом

Студент гр. 24М

А.В. Терентьев

Руководитель - ст. преподаватель

кафедры АиСУ

В.С. Циркин

Омск 2017

Реферат

Аналогово-цифровой преобразователь, согласующий усилитель, фильтр нижних частот, изолирующая цифровая схема, гальваническая развязка, конвертер USB, микросхема, синфазный сигнал, частотные характеристики, децибел.

Объектом разработки является аналогово-цифровой преобразователь с USB выходом.

Пояснительная записка выполнена впрограмме MicrosoftWord 2010. Графические материалы выполнены в программе MicrosoftVisio 2010.

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 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 +5 В интерфейса USB, все прочие постоянные напряжения в схеме вырабатываются с помощью преобразователей DC-DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.

фильтр усилитель сигнал преобразователь

Задание

В ходе курсового проектирования необходимо разработать функциональную и принципиальную схему АЦП, 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 представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные для курсового проекта

1. Тип АЦП - последовательный или параллельный

2. Разрядность АЦП

3. Количество входов

4. Амплитуда входного напряжения, мВ

5. Синфазное напряжение, мВ

6. Динамический диапазон, дБ

7. Частота высшей гармоники, кГц

8. Тип ФНЧ - Чебышева или Баттерворта

9. Ширина переходной области, кГц

10. Затухание в полосе пропускания, дБ

11. Пропускание в полосе задерживания, дБ

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 - Функциональная схема АЦП: СУ1 - СУ4 - усилители, ФНЧ1 - ФНЧ4 - фильтры нижних частот, АЦП - микросхема аналого-цифрового преобразователя, БГР - блок гальванической развязки, КОНВ - конвертер, DC-DC - преобразователь постоянного напряжения, USB - разъем интерфейса USB

Выбор элементов:

1) Частота дискретизации АЦП:

2) Выбор микросхемы АЦП:

Микросхема АЦП выбирается по следующим параметрам: число входов, разрядность, частота дискретизации, тип интерфейса. Заданным параметрам удовлетворяет микросхема AD7825 фирмы AnalogDevices. Ее параметры представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Параметры микросхемы AD7825

3) Выбор конвертера USB:

Выбираем конвертер, преобразующий выходной код АЦП в стандартный сигнал интерфейса USB. Так как интерфейс АЦП параллельный - выбираем микросхему FT245BM.

4) Выбор микросхем питания:

Для питания микросхемы АЦП необходимо напряжение +5 В. Для питания операционных усилителей, на которых строится аналоговая часть, необходимо два напряжения: -15 В и +15 В. Таким образом, необходим один преобразователь +5/+5 В и один преобразователь +5/±15 В. Выбираем микросхемы TMA0505S, TMA0515D.

5) Выбор селектора каналов:

Так как АЦП многоканальный, необходим селектор каналов, который позволит последовательно опрашивать каждый канал микросхемы АЦП. В качестве селектора каналов выбираем микросхему К155ИЕ5.

6) Выбор микросхемы гальванической развязки:

Для гальванической развязки выберем 2 микросхемы ADuM 1400 и одну микросхему ADuM 1402.

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:

,

где - максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, - шкала АЦП, которая определяется по паспортным данным микросхемы АЦП. Для выбранной микросхемы AD7825 при питании 5В также равна 5В.

Максимальная величина ЭДС датчика намного меньше шкалы АЦП, поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее чем:

где =1,2 - коэффициент запаса по усилению.

При величине входного сигнала 100 мВ, KZ= 60.

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

КZ=КСУ•КФНЧ.

Выберем для примера КСУ =10 и КФНЧ =6.

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*0,1/0,003=66,66

При амплитуде входного сигнала есmax= 100 мВ, динамическом диапазоне D = 30 дБ и синфазной помехе Uсинф= 100 мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно:

=0,003В

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

;

.

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. Современные микросхемы АЦП, как правило, имеют встроенные устройства выборки-хранения, поэтому нет необходимости дополнительно разрабатывать и рассчитывать эти блоки.

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:

Этим условиям удовлетворяет счетверенный операционный усилитель К1401УД2А:

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:

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:

Для нашего примера КСУ = 10, отсюда

.

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:

2.3 Расчет активного фильтра нижних частот

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 fВ - верхняя частота спектра сигнала датчика. Коэффициент передачи активного фильтра КФНЧ определен выше и равен 6.

В задании для курсовой работы оговариваются требования к АЧХ фильтра.

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

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 и малые габариты.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

- верхняя граничная частота = 7 кГц;

- коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания КФНЧ = 6;

- минимальное затухание в полосе пропускания ?1 = 0,5 дБ;

- максимальное затухание в полосе задерживания ?2 = 20 дБ;

- ширина переходного участка АЧХ ?f = 2,1 кГц.

Тогда минимальный порядок фильтра Чебышева рассчитаем по формуле

где n - порядок фильтра, ?1 - минимальное затухание в полосе пропускания, ?2 - максимальное затухание в полосе задерживания, ?f - ширина переходного участка АЧХ, ?с =. Находя ближайшее целое число, получим n = 6.

При n= 6 функциональная схема выглядит следующим образом:

Рисунок 2.1 - Функциональная схема ФНЧ шестого порядка

Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания