Особенности выбранной реализации АЦП

Введение

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. АЦП находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных устройств, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем и т.д.

Принцип работы АЦП зависит от метода преобразования. По алгоритму преобразования основные методы преобразования, используемые в микросхемах АЦП, делятся на:

- последовательные;

- параллельные;

- последовательно-параллельные.

Критериями выбора АЦП являются его параметры: число разрядов, быстродействие, точность, стоимость. Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного действия, однако, они также самые сложные и самые дорогие. АЦП последовательного счета имеют самое низкое быстродействие.

Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения. Хотя быстродействие у данных АЦП среднее, эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.

В данном курсовом проекте разработан АЦП последовательного приближения. Выбор основан на соответствии быстродействия и других параметров этого АЦП техническому заданию.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4,1/8 и т.д. от ее возможного максимального значения. Это позволяет для m-разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за m последовательных шагов приближения (итераций) вместо 2m–1 при использовании единичных приближений и получить существенный выигрыш в быстродействии. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов.

 

 

Особенности выбранной реализации АЦП

Проектируемый АЦП является аналого-цифровым преобразователем поразрядного уравновешивания и построен на базе регистра последовательных приближений.

АЦП состоит из входного повторителя, активного фильтра низких частот, схемы автоматического выбора пределов измерения и определения знака, масштабирующего усилителя, двухполупериодного выпрямителя среднего значения, устройства выборки-хранения, преобразователя напряжение-код.

Входной повторитель необходим для обеспечения требуемого входного сопротивления.

Активный фильтр создает конечный спектр входного сигнала.

Схема определения знака построена на компараторе, который переключается при переходе входного сигнала через ноль.

Схема выбора пределов измерения автоматически изменяет коэффициент передачи, т.е. приводит значение входного сигнала к основному пределу измерения, равному 3 В.

Выпрямитель среднего значения дает на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного напряжения.

Устройство выборки-хранения, хранит постоянное напряжение на входе ЦАП в течение времени преобразования.

Преобразователь напряжение – код, основной узел проектируемого устройства, который осуществляет преобразование методом поразрядного уравновешивания.

Расчёт общих параметров АЦП

Расчёт верхней частоты входного сигнала

В цифровой измерительной технике для определения энергетически (и информационно) значимой части спектра сигналов принято пользоваться понятием верхней частоты спектра f_верх, которая определяет 95 % энергии низкочастотной части спектра. По этой частоте с помощью ФНЧ соответствующего порядка ограничивается полоса пропускания тракта преобразования измерительного сигнала, отсекаются высшие малозначащие гармоники и фиксируются значения параметров сигнала, подлежащего аналого-цифровому преобразованию.

180

80

40

Рисунок 2.1 – Спектр входного сигнала

В данной курсовой работе спектр входного сигнала является некомпактным, то есть часть информации, эквивалентная площади S3 (на рис.1) теряется дополнительно.

Определим по графику f_верх с учётом «вклада» площади S3, как для компактного спектра: f_верх=140 кГц.

С учётом некомпактного спектра примем коэффициент запаса равным К_з=2.

Расчет функциональных узлов АЦП

Входной повторитель

Входной повторитель необходим для обеспечения заданного входного сопротивления схемы.

Рисунок 3.1 - Входной повторитель

 

Выбираем инвертирующую схему включения входного повторителя с единичным коэффициентом усиления (рисунок 3.1). В качестве DA1 применяем прецизионный малошумящий операционный усилитель К140УД26А. Его параметры при напряжении питания ±15 В приведены в Приложении Б.

По данной схеме включения входное сопротивление задается сопротивлением R1.

По техническому заданию R_вх равно 1 МОм, следовательно, R1 равно R2 и равно 1 Мом, так как коэффициент усиления определяется

(3.1.1)

Выбираем резисторы R1 и R2 типа C2-29В-0,25 Вт-1 МОм±0,5 %-А-Д-Д (ряд E192).

Резистор R3 необходим для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными и температурными колебаниями входных токов. Его значение выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключённые к входам ОУ, были согласованы. Сопротивление этого резистора рассчитывается по формуле:

(3.1.2)

Отсюда резистор R3 равен 0,5 МОм. Выбираем по справочнику [3] ближайший по номиналу: C2-29В-0,25 Вт-0,499 МОм±0,5 %-А-Д-Д (ряд E192).

 

Пиковый детектор

Пиковые детекторы используются в ЦИУ в качестве преобразователей амплитудных значений входных сигналов, а именно для фиксации амплитудного значения входного сигнала на относительно небольшой интервал времени (порядка 10 нс у цифровых осциллографов с полосой до 1 ГГц и до 10 мкс и более у цифровых устройств общего применения). Чаще всего пиковые детекторы используют в схемах автоматического выбора пределов измерения, где они играют роль аналоговых запоминающих устройств с малой постоянной времени.

В данной работе используется активный ПАЗ, так как использование выпрямительных элементов в сочетании с ОУ К140УД26А позволяет существенно снизить порог чувствительности ПАЗ (на один-два порядка по сравнению с пассивными ПАЗ), уменьшить влияние нелинейности и нестабильности характеристик выпрямительных элементов.

Выбор значения постоянной времени пикового детектора осуществляем согласно эмпирической формуле:

τ=1⁄(3*f_верх)=1/(3*1,4*10⁵)=7143 нс.

Uвых

Uвх

Рисунок 3.6 – Преобразователь амплитудных значений

В качестве диодов VD1 и VD2 выбираем импульсные высокочастотные диоды типа КД522А, имеющие малые обратные токи утечки. Выбираем типовое значение емкости С4=100 пФ, тогда сопротивление резистора R17 составит:

R17= τ/C4=7,143*10^-6/10^-10=7,143*10⁴ Ом

Резистор R16 является токоограничивающим, номинал его сопротивления равен 2 кОм. В качестве накопительного конденсатора используем полистирольный конденсатор К71, имеющий близкий к нулю ТКЕ. В качестве сопротивлений использованы высокочастотные металлодиэлектрические резисторы C2-29В, характеризующиеся высокой стабильностью и сравнительно небольшим значением ТКС.

Выбираем по справочнику [3] номиналы резисторов и конденсатора:

R16: C2-29-0,25 Вт-2 кОм±0,5 %-А-Д-Д (ряд E192)

R17: C2-29-0,25 Вт-71,5 кОм±0,5 %-А-Д-Д (ряд E192)

C4: К71-7-63 В-100 пФ±2 % (ряд E24)

Диоды VD1, VD2: КД522А.

 

Устройство выборки-хранения

Устройство выборки и хранения (УВХ) является критической частью большинства систем сбора данных. Оно захватывает аналоговый сигнал и удерживает его в течение выполнения некоторой операции (например, аналого-цифрового преобразования). Устройство выборки и хранения имеет аналоговый вход, аналоговый выход и цифровой управляющий вход. Запоминающим элементом в УВХ является конденсатор, для его включения и отключения от входной цепи используется электронный ключ. Для обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивления используются усилители.

Для того, чтобы повысить эквивалентное быстродействие УВХ и практически исключить апертурную погрешность, используем схему на основе двух параллельно соединённых УВХ и аналогового ключа, управляемого синхронно с УВХ. На выходе схемы всегда присутствует готовое значение выборки от одного из УВХ, в связи с этим время выборки исключается из интервала дискретизации. Следует учитывать, что готовая выборка появляется на выходе УВХ, начиная со второго такта его работы.

Рисунок 3.10 – Устройство выборки-хранения

Для уменьшения влияния коммутационных выбросов на выходе электронного ключа установим интегрирующую RC-цепочку (ФНЧ), постоянная времени которой равна:

Тогда при R35=10 кОм, номинал ёмкости C10=113,7 пФ.

Номиналы балансировочных резисторов R31 и R33, устраняющих смещение нуля УВХ, рекомендуется брать 1 кОм, потенциометров R32, R34 – 100 Ом.

В качестве устройств выборки-хранения выбираем микросхемы К1100СК2Б. Время выборки при С8=С9=1000 пФ составляет 0,4 мкс, скорость спада выходного напряжения в режиме хранения 0,2 В/с и смещение нуля не более 5 мВ. В качестве электронного ключа используем микросхему К590КН8А.

Выберем номиналы резисторов и конденсаторов:

C8, C9: К71-7-63 В-1000 пФ±2% (ряд Е96)

C10: К10-43а-МП0-63 В-110 пФ±10% (ряд Е24)

R31, R33: C2-29В-0,25 Вт-1 кОм±0,1% (ряд E192)

R32, R34: СП3-19а-0,25 Вт-100 Ом±10% (ряд Е24)

R35: C2-29В-0,25 Вт-10 кОм±0,1% (ряд E192)

Выходные регистры

Выходной регистр служит для хранения цифрового кода, полученного от регистра последовательных приближений, и позволяет в дальнейшем передавать сохранённый код на различные другие устройства, такие как устройства индикации, дальнейшей обработки и т.д.

В качестве выходного регистра выберем К555ИР35, представляющий собой цифровую микросхему серии ТТЛ - восьмиразрядный регистр с установкой в ноль. Так как регистр содержит в себе только 8 разрядов, а в данном АЦП всего используется 14 разрядов (11 разрядов для выходного кода, 1 разряд для хранения знака и 2 разряда для хранения предела измерения), необходимо использовать две микросхемы К155ИР35.

Запись в регистры производится при появлении низкого входного уровня, поступающего на входы PE регистров от выхода окончания преобразования QCC регистра последовательных приближений.

Рисунок 3.12 – Выходные регистры

Устройство синхронизации

Устройство синхронизации служит для синхронизации схемы и вырабатывания управляющих сигналов для РПП, ЦАП, УВХ, входного мультиплексора и для регистра – хранения данных.

Для обеспечения правильной синхронизации необходимо верно подобрать генератор опорной частоты (ГОЧ), частота которого рассчитывается следующим образом:

f_д=1,12 МГц à t=0,892857 мкс

За время преобразования t должно выполниться 2*n*t_такт тактов преобразования (поскольку РПП К155ИР17 делит тактовую частоту на входе C в два раза внутренним триггером), 2*t_такт на прохождение импульса низкого уровня «конец преобразования» с выхода QCC и 2*t_такт на прохождение следующего стартового импульса низкого уровня по входу «старт» S. За два последних импульса должна быть произведена предустановка и сброс цифровых элементов системы.

Тогда t=2*11*t_такт+2*t_такт +2*t_такт =26*t_такт

С целью уменьшения влияния фазовой нестабильности генератора необходимо брать в 2 раза больше рассчитанного значения, после чего, для достижения , использовать деление частоты на 2 при помощи двоичного счётчика.

Выберем малогабаритный термокомпенсированный кварцевый генератор ГК151-УН компании «БМГ ПЛЮС» с f_такт=58,24 МГц, точность подстройки которого составляет ±5*10^-6 Гц.

Построенная схема синхронизации включается в себя генератор опорной частоты (ГОЧ), счётчики-делители, синхронизирующие работу аналогового ключа, УВХ и РПП с различными частотами, кратными частоте ГОЧ и логическими элементами (инверторами), обеспечивающими задержку.

Рисунок 3.13 – Схема синхронизации

В качестве делителей использованы двоичный счётчик К155ИЕ5 и программируемый счётчик-делитель на основе микросхемы 561ИЕ15, позволяющий обеспечить синхронную работу датчиков с частотой 4 кГц (так как каждый из датчиков должен производить не менее 1000 измерений в секунду) и УВХ с частотой, равной половине частоте дискретизации (параллельное УВХ). В качестве инверторов использована микросхема К155ЛА3, включающая в себя 4 логических элемента 2И-НЕ. Так как время задержки распространения при выключении данных логических элементов составляет 22 нс, то суммарное время задержки можно найти как 22*4=88 нс. Задержка необходима для реализации старт-стопового режима и для начального сброса регистров и счётчиков.

Устройство сброса и старт-стоповый режим запускаются посредством RC-цепей, 0,7 от постоянной времени которых должны равняться времени задержки, то есть 88 нс. Ёмкость должна быть не более 1000 пФ, так как схема чувствительна к наличию дребезга контактов.

Рассчитаем RC-цепь:

Примем C11=C12=100 пФ.

Тогда:

Выберем по справочнику [3] номиналы емкостей и сопротивлений:

C11, C12: К10-43а-63 В-100 пФ±1 % (ряд Е96)

R35, R37: C2-29В-0,25 Вт-1,26 кОм±0,5 % (ряд Е192).

Временная диаграмма приведена в приложении А.

 

Расчёт погрешностей

Погрешности средства измерения зависят от внешних условий, поэтому их принято делить на основные и дополнительные. Основной погрешностью средства измерения называют погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства. Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений.

По зависимости от измеряемой величины погрешности средства измерений разделяют на аддитивные и мультипликативные:

Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) погрешности измеряются пропорционально измеряемой величине.

Относительная основная погрешность:

Рассчитаем погрешности каждого звена схемы в отдельности.

 

Погрешность повторителя

1) Погрешность напряжения смещения:

2) погрешность коэффициента усиления

ΔК = 1-0,999999=0,000001

ΔК =ΔК/К*100% = 0,0001%.

Погрешность ФНЧ

ФНЧ 2-го порядка построен на основе инвертирующего усилителя. Погрешности ФНЧ:

 

1) погрешность от разности входных токов d_iвх и напряжение смещения нуля не учитываем, так как через ФНЧ проходит переменный сигнал.

 

2) погрешность коэффициента усиления не учитываем, т.к. коэффициент усиления равен 1.

Погрешность ПСЗ

1) погрешность от разности входных токов di_вх :

,

где =50 нА – разность входных токов для К140УД26А, 3В – основной предел измерения.

2) частотная погрешность коэффициента усиления не учитывается, т.к. рабочая частота невысокая (не выше 132 кГц, меньше частоты единичного усиления f₁, равной 20 МГц).

3) напряжения смещения:

,

где напряжение смещения U_см = 50 мкВ, а U_{вх.макс} =3В – основной предел измерения.

 

 

Погрешность ИОН

Отклонение Uоп приводит к изменению шага квантования h.

Для микросхемы с Uоп=3 В 2 мВ. Аддитивная погрешность ИОНа равна 0,07%.

Погрешность УВХ

1) погрешность недозаряда t_зар составляет 0,01%.

2) погрешность разряда накопительного конденсатора:

,

= 1 мкВ/мкс, время хранения t_хр=1120 нс, основной предел измерения 3В.

3) апертурная задержка не учитывается, так как используется параллельное соединение 2-х УВХ.

 

 

Погрешность ЦАП

1) погрешность квантования Δкв = h = 0.001466 В,

,

где шаг квантования h=1,466 мВ, 3В – основной предел измерения.

2) дифференциальная нелинейность d_LD = 0,036%, имеет случайный характер, поэтому при расчёте не учитывается.

 

Погрешность компаратора

Порог нечувствительности компаратора составляет 0,1мВ. Погрешность нечувствительности:

= .

Основная погрешность АЦП

Анализ погрешностей показал, что достаточно ограничиться учётом погрешностей ЦАП, масштабирующего усилителя, УВХ и погрешностью компаратора, так как остальные узлы вносят погрешности, которые либо устраняются регулировкой, либо пренебрежимо малы (составляют меньше 0,3% от вышеперечисленных погрешностей).

Для нахождения основной суммарной погрешности АЦП принимаем нормальный закон распределения погрешностей для независимых составляющих:

.

Аддитивная составляющая погрешности вычисляется по формуле:

,

Из вышеприведенных расчетов получим:

Таким образом, =0,0036%+0,0038%=0,0074%.

Максимальная мультипликативная составляющая погрешности:

Находим с по формуле:

с=0,0074+0,04≈0,0474 (%)

По следующей формуле находим d:

,

(%).

После округления с и d получим с/d=0,05/0,01.

Относительная основная погрешность рассчитывается по формуле (4.1):

δ = ± [0,0074 + 0,0024∙(3В/1,47 мВ-1)] = 0,11%.

 

Таким образом, при использовании 11-ти разрядного АЦП удалось обеспечить необходимый по техническому заданию класс точности c/d (0,05/0,02).

Заключение

В данном курсовом проекте разработан АЦП последовательного приближения со следующими техническими характеристиками:

- входное сопротивление 1 МОм;

- пределы измерения напряжения 1 В, 3 В, 5,12 В;

- частота дискретизации 1,12 МГц;

- класс точности 0,05/0,02;

-.число каналов - 3;

- разрядность – 11

- быстродействие 1000 измерений/с

Режим преобразования может быть однократным или циклическим.

Предустановка АЦП в исходное состояние происходит автоматически.

Выбор номера датчика производится циклическим перебором.

Список использованной литературы

1. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное издание. -М.: Высшая школа, 1991. –621с.: ил.

3. Акимов Н.Н., Ващуков Е.П., Прохоренко В.А., Ходоренок Ю.П. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник. Минск: Беларусь, 1994. – 591 с.

4. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги: Справочник. НТЦ Микротех, 2000. – 375 с.: ил.

5. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.: ил.

6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1988.-304 с.:ил.

7. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник /Романычева Э.Т., Иванова А.К., Куликов А.С.и др.; Под ред. Э.Т.Романычевой. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989. - 448 с., ил.

8. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. - 120 с.: ил.

9. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд., испр.-Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989.- 352 с.:-(Массовая радиобиблиотека. Вып.1111).

Введение

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. АЦП находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных устройств, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем и т.д.

Принцип работы АЦП зависит от метода преобразования. По алгоритму преобразования основные методы преобразования, используемые в микросхемах АЦП, делятся на:

- последовательные;

- параллельные;

- последовательно-параллельные.

Критериями выбора АЦП являются его параметры: число разрядов, быстродействие, точность, стоимость. Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного действия, однако, они также самые сложные и самые дорогие. АЦП последовательного счета имеют самое низкое быстродействие.

Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения. Хотя быстродействие у данных АЦП среднее, эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.

В данном курсовом проекте разработан АЦП последовательного приближения. Выбор основан на соответствии быстродействия и других параметров этого АЦП техническому заданию.

В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4,1/8 и т.д. от ее возможного максимального значения. Это позволяет для m-разрядного АЦП выполнить весь процесс преобразования за m последовательных шагов приближения (итераций) вместо 2m–1 при использовании единичных приближений и получить существенный выигрыш в быстродействии. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов.

 

 

Особенности выбранной реализации АЦП

Проектируемый АЦП является аналого-цифровым преобразователем поразрядного уравновешивания и построен на базе регистра последовательных приближений.

АЦП состоит из входного повторителя, активного фильтра низких частот, схемы автоматического выбора пределов измерения и определения знака, масштабирующего усилителя, двухполупериодного выпрямителя среднего значения, устройства выборки-хранения, преобразователя напряжение-код.

Входной повторитель необходим для обеспечения требуемого входного сопротивления.

Активный фильтр создает конечный спектр входного сигнала.

Схема определения знака построена на компараторе, который переключается при переходе входного сигнала через ноль.

Схема выбора пределов измерения автоматически изменяет коэффициент передачи, т.е. приводит значение входного сигнала к основному пределу измерения, равному 3 В.

Выпрямитель среднего значения дает на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного напряжения.

Устройство выборки-хранения, хранит постоянное напряжение на входе ЦАП в течение времени преобразования.

Преобразователь напряжение – код, основной узел проектируемого устройства, который осуществляет преобразование методом поразрядного уравновешивания.

Расчёт общих параметров АЦП