КФНЧ =6, определим коэффициенты передачи для каждого из звеньев:
В качестве принципиальной схемы ФНЧ выбираем схему с ИНУН.
Принципиальная схема ФНЧ шестого порядка с ИНУН представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - принципиальная схема ФНЧ шестого порядка на ИНУН
Таблица 2.1 - Исходные данные для расчета ФНЧ
|
Тип ФНЧ |
Порядок фильтра |
Минимальное затухание в полосе пропускания ?1, дБ |
B |
C |
|
|
Чебышева |
6 |
0,5 |
0,155 |
1,023 |
|
|
0,424 |
0,590 |
||||
|
0,579 |
0,156 |
Все три каскада, представляющие собой ФНЧ 2-го порядка на ИНУН, параметры рассчитываются по приведенным ниже формулам.
Номинальное значение емкости C2 задается близким к величине
Значение емкости C1 выбирается исходя из выражения:
Значения резисторов рассчитываются по формулам:
Используя исходные данные и формулы для B= 0,155, C= 1,023, коэффициент передачи равен 3 получим:
C1 = 2 пФ, С2 = 1.43нФ, R1 = 11120Ом, R2 = 15185456Ом, R3=22794865Ом, R4=45589730 Ом.
Используя исходные данные и формулы для B= 0,424, C= 0,59, коэффициент передачи равен 2 получим:
C3= 0.3 пФ, С4= 1.43нФ, R5=20223Ом, R6 = 836903Ом, R7=1714253Ом, R8=1714253 Ом.
Используя исходные данные и формулы для B = 0,579, C = 0,156, коэффициент передачи равен 1 получим:
C5= 38.4 нФ, С6= 1.43нФ, R9=77784 Ом, R10 = 77789Ом, R11=155573Ом, R12=155573Ом.
Таблица 2.2 - Подгонка R и C к ряду Е12
|
Параметр |
Рассчитанное значение |
Значение, приведенное к ряду Е12 |
|
|
R1, кОм |
11 |
12 |
|
|
R2, кОм |
15185 |
15000 |
|
|
R3, кОм |
22795 |
22000 |
|
|
R4, кОм |
45590 |
47000 |
|
|
R5, кОм |
20 |
22 |
|
|
R6, кОм |
836 |
820 |
|
|
R7, кОм |
1714 |
1800 |
|
|
R8, кОм |
1714 |
1800 |
|
|
R9, кОм |
78 |
82 |
|
|
R10, кОм |
78 |
82 |
|
|
R11, кОм |
156 |
150 |
|
|
R12, кОм |
156 |
150 |
|
|
C1, нФ |
2000 |
2200 |
|
|
C2, нФ |
1.43 |
1.5 |
|
|
C3, нФ |
300 |
330 |
|
|
C4, нФ |
1.43 |
1.5 |
|
|
C5, нФ |
38.4 |
39 |
|
|
C6, нФ |
1.43 |
1.5 |
3. Расчет цифровой части АЦП
3.1 Микросхема АЦП
Рисунок 3 - Функциональная схема АЦП AD7825
Микросхема имеет четыре канала, частота дискретизации - 2 МГц, разрядность - восемь, выходной интерфейс - параллельный. Напряжение питания VDD лежит в диапазоне от 3 до 5 В, внешнее опорное напряжение VREF = 2,5 В. Микросхема выполнена по КМОП-технологии. Типичная схема подключения микросхемы к внешней шине показана на рисунке 3.1, временные диаграммы - на рисунке 3.2.
Рисунок 3.1 - Типичная схема подключения АЦП AD7825
Рисунок 3.2 - Временные диаграммы работы АЦП AD7825
Микросхема имеет восемь каналов, выбор которых осуществляется по входам А0-А2. Для последовательного опроса каналов можно использовать трехразрядный счетчик. Фрагмент схемы, показывающий подключение АЦП к конвертеру USB и реализацию селектора каналов, показан на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 - Подключение АЦП к конвертеру USB
3.2 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.
3.2.1 Преобразователи постоянного напряжения
Преобразователи постоянного напряжения DC-DC предназначены для передачи постоянного напряжения и гальванической изоляции. Преобразователи выпускаются с различными номиналами входных и выходных напряжений. Рассмотрим преобразователи фирмы TRACO, имеющие входное напряжение +5 В.
В таблице 3.1 указаны выводы преобразователей, а на рисунке 3.4 показано условное графическое обозначение микросхемы.
Преобразователи серии ТМА имеют в номенклатуре блоки как с выходным напряжением +5 В, так и с двумя напряжениями ±15 В. 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. В таблице 3 указаны преобразователи серии ТМА.
Таблица 3 - Преобразователи ТМА
|
Тип преобразователя |
Входное напряжение, В |
Выходное напряжение, В |
Максимальный выходной ток, мА |
Коэффициент полезного действия, % |
|
|
TMA0505S |
5±10 % |
5 |
200 |
71 |
|
|
TMA0512S |
12 |
80 |
78 |
||
|
TMA0515S |
15 |
65 |
78 |
||
|
TMA0505D |
±5 |
±100 |
72 |
||
|
TMA0512D |
±12 |
±40 |
78 |
||
|
TMA0515D |
±15 |
±30 |
79 |
Таблица 3.1 - Выводы ТМА
|
Вывод |
Одиночный преобразователь |
Сдвоенный преобразователь |
|
|
1 2 4 5 6 |
+Vin (Vcc) -Vin (GND) -Vout Не используется +Vout |
+Vin (Vcc) -Vin (GND) -Vout Common +Vout |
Необходимо выполнить проверку по входному и выходному току преобразователей. Преобразователи серии ТМА имеют выходной ток соответственно 200 мА при 5 В и 30 мА при 15 В. Для проверки необходимо посчитать потребляемый ток по цепям +5 и ±15 В, после этого делать вывод о возможности применения преобразователей выбранного типа.
Рисунок 3.4 - Условное графическое обозначение ТМА0505S
3.2.2 Цифровые изолирующие микросхемы
Для гальванической развязки узлов радиоэлектронной аппаратуры традиционно использовались трансформаторы и оптические изоляторы. С совершенствованием технологий появилась возможность упаковывать в обычные корпуса микросхем индуктивные элементы и передавать данные через магнитное поле внутри корпуса. Фирма AnalogDevices разработала и запатентовала технологию производства таких 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 многоканальных, и особенно двунаправленных, гальванически развязанных линий передачи данных их применение вместо оптических изоляторов позволяет в несколько раз сократить габариты, потребляемую мощность и стоимость узлов гальванической развязки.
Наиболее многочисленная группа устройств, в которых используется технология iCoupler - это цифровые изоляторы (digitalisolators). 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. Выходные напряжения при любом питании приближаются к уровням питающих напряжений (КМОП-уровни). В одном корпусе цифрового изолятора iCoupler может быть от одного до четырех каналов. Эти каналы могут быть как однонаправленными, так и разнонаправленными. На рисунке 11 изображены микросхемы гальванической изоляции ADuM1400 и ADuM1402 соответственно, первая из которых - однонаправленная, вторая - двунаправленная.
а)
б)
Рисунок 3.5 - Микросхемы гальванической изоляции ADuM 1400(а), 1402(б)
3.3 Конвертеры USB
Конвертер USB-параллельный интерфейс FT245BM характеризуется следующими параметрами:
- однокристальный двунаправленный преобразователь USB - FIFO;
- буфер приема данных 384 байта с программируемым таймаутом по приему, буфер передачи - 128 байт;
- совместимость со спецификациями USB 1.1 и USB 2.0;
- совместимость с интерфейсами хост-контроллеров UHCI/OHCI /EHCI;
- напряжение питания от 4,4 В до 5,25 В и интегрированный стабилизатор напряжения 3,3 В;
- встроенная схема формирования сигнала "Сброс";
- встроенный умножитель частоты 6 МГц - 48 МГц;
- возможность программирования микросхем EEPROM с протоколом Microwire под управлением USB;
- встроенный преобразователь уровней FIFO и управляющих сигналов для управления 5 В и 3,3 В логикой.
Основное описание. FT245BM предоставляется как простой выгодный метод передачи информации между периферийным устройством и хостом со скоростью до 1 Мб/с. Это простое, разработанное по принципу FIFO устройство, легко соединяет любой микроконтроллер или микропроцессор с портами ввода-вывода. Передать данные от периферии к компьютеру можно просто добавив биты для записи в модуль при низком значении сигнала TXE#. Если буфер передачи (384 байта) переполнен или происходит сохранение заранее переданных байт, устройство устанавливает TXE# в 0 до момента, когда некоторое число байт из очереди будет передано через USB на хост. TXE# переходит в 1 после каждого записанного байта.
Когда хост передает данные к периферии через USB, микросхема устанавливает выход RXF# в низкий уровень, позволяя периферийному устройству информацию о том, что как минимум один бит информации доступен для чтения. Периферийное устройство может считать байт информации в любое время, пока бит RXF# установлен в 0. После каждого прочитанного байта RXF# переходит в 1.
При использовании драйверов FTDI - виртуальный COM-порт периферийное устройство для программных приложений выглядит как стандартный COM порт. Команда установки скорости игнорируется - микросхема передает информацию с максимально возможной скоростью, несмотря на установки программных приложений.
Альтернативными являются драйверы FTDID2XX, позволяющие программным приложениям получать доступ к устройству напрямую через объявленнуюDLL, встроенную в API. Подробную информацию о VCP и D2XX драйверах можно найти на сайте фирмы FTDI.
Упрощенная функциональная конвертера FT245BM схема представлена на рисунке 12.
Рисунок 3.6- Функциональная схема FT245BM
Описание функциональных блоков. LDO регулятор генерирует напряжение 3,3 В для питания USBTransceiver, 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 ResetGenerator, 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 USBreset.
USBDPLL блокирует входящую NRZIUSB информацию и обеспечивает раздельную синхронизацию и передачу информационных сигналов от блока SIE.
Резонатор 6 МГц генерирует тактовые импульсы частотой 6 МГц. Импульсы тактовой частоты приходят на множитель частоты. Можно использовать внешний 6МГц-ый кварцевый или керамический резонатор.
Множитель частоты преобразует импульсы 6МГц-го резонатора в импульсы с частотой 12 МГц для SIE, USBprotocolengine, FIFO. Также он вырабатывает частоту 48 МГц для USB DPLL.
SerialInterfaceEngine (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.