Материал: Проектирование параллельно-последовательного аналого-цифрового преобразователя

Рисунок 8 - Дифференциальный усилитель на базе одного ОУ

Выходное напряжение, в случае когда R1 = R2 и R3 = R4, рассчитывается по формуле [8]:

Uвых = (U2 - U1) × (R3/R1). (14)

Максимально напряжение которое должен преобразовывать второй АЦП - 0,3 В, исходя из этого примем напряжение на выходе дифференциального усилителя равным 0,3 В. Подставив в формулу значения U1, U2 и Uвых, подберём значение сопротивления для резисторов R1 и R3.

,3 = (10 - 9,92) × (R3/R1), (15)

,3/0,08 = R3/R1, (16)

,75 = R3/R1. (17)

Из соотношения 16, возьмём сопротивление резисторов равное 3750 Ом и 1000 Ом, для третьего и первого резисторов соответственно.

В качестве параллельного АЦП будем использовать БИС КР1107ПВ5 (рисунок 9).

Рисунок 9 - Схема БИС КР1107ПВ5

Микросхема представляет собой 6-разрядный АЦП с ЭСЛ выходом и разрядом переполнения. Работой АЦП управляет тактовый сигнал. Выборка производится при низком уровне тактового сигнала. При положительном фронте тактового сигнала компараторы стробируются и через время Tпр на выходе АЦП появляется код, соответствующий значению аналогового сигнала. В таблице 4 указаны назначения его основных выходов.

Таблица 4 - Назначение основных выходов АЦП КР1107ПВ5

Принципиальная электрическая схема включения БИС КР1107ПВ5 представлена на рисунке 10, основные параметры АЦП - таблица 5.

Рисунок 10 - Принципиальная электрическая схема включения БИС КР1107ПВ5

Таблица 5 - Основные параметры АЦП КР1107ПВ5

В качестве ЦАП используем 8-и разрядную ИС ЦАП К1118ПА3 (рисунок 10). Типовая электрическая схема включения приведена на рисунке 11, основные параметры - таблица…

В таблице 6 указаны назначения основных выходов.

Таблица 6 - Назначение основных выходов ЦАП К1108ПА3

Рисунок 12 - Типовая электрическая схема включения ИС ЦАП К1118ПА3

Таблица 7 - Основные параметры ЦАП ИС ЦАП К1118ПА3

Для каждого АЦП необходим источник опорного напряжения (ИОН). Используем достаточно простую в реализации схему [2], погрешность её сигнала на выходе мала (≈ 1%). ИОН приведён на рисунке 13.

Рисунок 13 - Источник опорного напряжения

Выберем стабилитрон (VD1) - КС133А (Uвх= 5 В, Uст= 3 В, Iвых = Iст = 5 мА).

Рассчитаем сопротивления для источника опорного напряжения первого АЦП (Uоп1=9,92 В):

R2=(Uоп1 -Uст)/Iвых= 6,92/0,005=1384 Ом,(18)=Uоп1/Iвых= 9,6/0,005= 1984 Ом,(19)=(Uвх -Uст)/(Iвых+Iст)= 2/0,01=200 Ом.(20)

Рассчитаем сопротивления для источника опорного напряжения второго АЦП (Uоп2=0,3 В):

R2=(Uоп2 -Uст)/Iвых= 2,7/0,005=540 Ом,(21)

R3=Uоп2/Iвых= 0,3/0,005= 60 Ом,(22)=(Uвх -Uст)/(Iвых+Iст)= 2/0,01=200 Ом.(23)

Чтобы обеспечить считывание результата преобразования в ЭВМ потребуется параллельный регистр. В качестве регистра была выбрана микросхема 54AC821DM - 10-и разрядный параллельный регистр на D-триггерах (рисунок 14)[4], основные параметры, таблица 8.

Рисунок 14 - Регистр КР1531ИР22

Таблица 8 - Основные параметры регистра КР1531ИР22

3. Электрическое моделирование

Моделирование схемы проводилось в пакете программ схемотехнического моделирования MicroCap 9.0 при помощи справочной литературы [5]. В качестве объекта моделирования был взят дифференциальный усилитель. Для моделирования была выбрана модель операционного усилителя LM6365 с параметрами:

В программе MicroCap была создана схема, показанная на рисунке 15.

Рисунок 15 - Схема моделирования дифференциального усилителя

Моделирование проводилось в 2 этапа: первый это вычисление погрешности работы дифференциального усилителя из-за напряжения смещения, и второе, это увеличение погрешности вычисления, при изменение температуры (стандартная температура 20˚С).

Из теоретического расчёта, схема с параметрами: R1 = R2 = 1 кОм, R4 = R3 = 3,75 кОм,= 10 В и V1 = 9,92 В, на выходе должна выдавать напряжение равное 0,3 В.

Рисунок 16 - Результат электрического моделирования

По результатам анализа видно что дифференциальный усилитель имеет небольшую погрешность. Это связано со смещением нулевого напряжение. Рассчитаем погрешность:

ε = ((300 - 299,979)/300) × 100% ≈ 0,007%.(24)

Таким образом погрешность дифференциального усилителя составила примерно 0,007%.

Следующее моделирование было с изменением температуры. Температура изменялась от +15 до +20˚С, с шагом 1˚С. Анализ проводился так же в режиме Transient Analysis. Результат анализа представлен на рисунке 17.

Рисунок 17 - Результат электрического моделирования

Из рисунка видно, среднее смещение напряжения на 1 ˚С составляет 16 мкВ

4. Анализ метрологических характеристик

Для подтверждения работоспособности проекта разработанного последовательно-параллельного АЦП приведем его основные характеристики.

Входное сопротивление не менее 1000 Ом обеспечивается за счёт добавления в схему узла согласования. Время преобразование 5 мс обеспечивается быстродействием отдельных функциональных узлов схемы: обоих АЦП, ЦАП, генератора импульсов и дифференциального усилителя. Входное сопротивление не менее 1 кОм обеспечивается значение входного сопротивления на узле согласования. В ходе расчётов было определено что максимальное значение входного напряжение может быть больше чем требуемое по ТЗ и составляет 10,22 В.

Суммарная погрешность, не учитывая пренебрежительно малые, определяется следующими факторами:

)        Аддитивные, состоит из максимального значения погрешности дискретности, принятой на этапе расчёта функциональной схемы ∂ = 0,2%. Этот недостаток невозможно устранить, ни при каких видах аналого-цифрового преобразования.

То есть суммарная аддитивная погрешность не превышает 0,2%.

)        Мультипликативные составляющие суммарной погрешности возникают из-за малой нестабильности частоты генератора строб импульсов;

-       погрешность за счёт смещения напряжения нуля у операционных усилителей сведена к нулю путём использования высокоскоростных усилителей с очень маленькой погрешность преобразования;

-       температурная погрешность всех функциональных узлов (погрешность возникающая при изменение температурного режима работы). В ходе моделирования была выявлена очень маленькая температурная погрешность дифференциального усилителя. Температурными погрешностями АЦП и ЦАП так же можно пренебречь.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта был разработан параллельно-последовательный аналого-цифровой преобразователь, соответствующий требованиям технического задания.

Был проведен анализ справочной литературы, в ходе которого были найдены аналоги и прототип, на основе которого и был разработан данный АЦП.

Опираясь на [6] и [7] были составлены функциональная и принципиальная схемы функционального генератора.

С помощью ППП MicroCap 9 был проведен анализ одного из узлов схемы - дифференциальный усилитель, установивший погрешность данного узла, и подтвердивший правильность подбора отдельного компонента данного устройства.

Список использованных источников

1. Никонов А.В. Основные узлы цифровых измерительных устройств: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - 52 с.

. Никонов А.В. Электротехника и электроника: Конспект лекций. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. Ч. 2. - 84 с.

. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - 512 с.

. Никонов А.В., Никонова Г.В. Разработка электрических функциональных устройств: Методич. указания для курсового проек-я по "Электротехн. и электронике". - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 66 с.

. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. - М.: Советское радио, 1974 - 288 с.

. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги: Справочник. - М.: НТЦ Микротех, 1998. - 376 с.

. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электрические чертежи и схемы. - М.; Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

. Федорков Б.Г. Телец В.А, Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

. Кончаловский В.Ю. Цифровые измирительные устройства: Учебное пособие для вузов - М.: Энергоатомиздат, 1985 - 304 с.