Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровое преобразование производится по методу последовательных приближений. Схема АЦП реализуется на РПП (регистр последовательных приближений), ЦАП и компараторе и позволяет получить высокоточный аналого-цифровой преобразователь среднего быстродействия.

Регистр последовательных приближений является регистром сдвига и предназначается для реализации аналого-цифровых преобразователей, преобразуя последовательный код заданной разрядности в параллельный. Для реализации 11-разрядного АЦП необходимо выбрать соответствующий 12-разрядный РПП.

Выберем регистр последовательных приближений на основе микросхемы К155ИР17, максимальное значение f_такт=15 МГц. Регистр применяется вместе с 12-разрядной микросхемой ЦАП и интегральным компаратором.

В качестве цифро-аналогового преобразователя используем AD562AD, имеющий 12 разрядов, время установки 1,5 мкс, ток потребления в диапазоне 18-25 мА и дифференциальную нелинейность не более ½ ЕМР. В связи с тем, что ЦАП имеет выход по току (обладают высоким быстродействием), необходимо добавить в схему преобразователь ток-напряжение. В качестве ОУ, используемого в преобразователе ток-напряжение выберем прецизионный малошумящий OP37EZ, так как его типовое время установки с погрешностью не более 0,01% составляет менее 30 нс.

В качестве сравнивающего компаратора используем быстродействующую микросхему К521СА2 с напряжением смещения 7,5 мВ, временем установки 0,13 мкс.

Рисунок 3.11 – Аналого-цифровой преобразователь

Так как из 12 используются только 11 разрядов, младший разряд РПП необходимо оставить не подключенным, а младший разряд ЦАП заземлить.

Резистор R36 является подстроечным и позволяет корректировать коэффициент передачи всей схемы.

 

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.