Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

Министерство образования и науки Украины Сумской государственный университет

ОДЗ

по дисциплине «Электронные системы»

Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

Выполнил: студент группы ЭС-91

Доротько А.Э.

Проверил: Бережная О. В.

Сумы — 2013

ВВЕДЕНИЕ

Применяя микропроцессоры и микро-ЭВМ для контроля за сложными производственными процессами, можно обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы, поступающие одновременно от многих источников и датчиков, и восстанавливать аналоговую информацию на выходе МП или микро-ЭВМ, а также распределять ее между различными потребителями. При этом перед пользователем возникает задача аналого-цифровой и цифроаналогового преобразования многоканальной информации, имеющей некоторые особенности, связанные с различием характеристик сигналов отдельных каналов: динамического диапазона измерений, уровень помех, частотного спектра и т. д.

Понимание внутренней логики функционирования разработанной системы особенно важно именно для специалистов по автоматике и промышленной электронике, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. В условиях автоматики и радиотехники они часто выполняют функции, не запланированные в свое время их разработчиками, и грамотное использование микросхем в этих случаях прямо зависит от понимания логики их работы. Хорошее знание тонкостей функционирования схем узлов становится жизненно необходимым при поиске неисправностей, когда нужно определить, имеется ли неисправность в данном узле или же на его вход поступают комбинации сигналов, на которые схема узла не рассчитана. Составление тестов, а тем более разработка самотестируемых схем также требуют очень хороших знаний принципов работы узлов.

Постановка задачи Цель курсовой работы — овладение методикой и навыками инженерного расчета основных функциональных узлов непрерывного и импульсивного действия, применяемых в управляющей и информационной электрике.

Указанная цель достигается в итоге проектирования канала сбора аналоговых данных реальной микропроцессорной системы, которое представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала датчика в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрации и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение анологового сигнала к виду, пригодному для ввода аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.

Исходные данные:

Вариант № 5

Максимальная величина ЭДС датчика: 0,08 В;

Динамический диапазон измерения ЭДС датчика: 40 дБ;

Выходное сопротивление датчика: 200…300 Ом;

Диапазон частот сигнала датчика: 0…20 Гц;

Напряжение синфазной помехи: 1,0 В;

Зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины: 0,4 q2;

Количество каналов: 7;

Разрядность АЦП: 10;

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Изначально следует определиться с типом мультиплексирования каналов сбора данных. Как следует из теоремы Котельникова — для того чтобы из дискретных уровней можно было восстановить исходный аналоговый сигнал, необходимо, чтобы частота квантования минимум в два раза превышала наивысшую частоту спектра сигнала. С учетом некоторого коэффициента запаса частота квантования выбирается в пять раз больше максимальной частоты спектра сигнала:

[Гц]

микросхема импульс аналоговый

Исходя из требуемой в условии разрядности выходной комбинации, выбирается 12-разрядный АЦП К572ПВ1А, обладающий временем преобразования 170 мкс и на вход которого можно подавать максимальное напряжение 10 В.

Схема включения микросхемы K572ПВ1

Таким образом с помощью данного АЦП можно опрашивать состояние сигнала с максимальной частотой 1/tацп. Для аналогового мультиплексирования необходимо чтобы частота опроса состояния на входе АЦП была больше либо равна произведению числа каналов на частоту квантования:

;

;

Таким образам аналоговое мультиплексирование вполне удовлетворит нуждам проектируемого устройства.

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.

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

где — коэффициент запаса по усилению.

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):

Зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины является не линейной. В связи с этим требуется включение в состав измерительного тракта функционального преобразователя, обеспечивающего линеаризацию характеристики датчика.

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 — верхняя частота спектра сигнала датчика.

В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому тип фильтра низких частот (ФНЧ) выбирается RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.

Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-фильтрами — хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т. д.

Если фильтр выполняется в виде отдельного функционального узла, то его необходимо включать обязательно до нелинейного устройства. В противном случае высокочастотные помехи наводки (с ними практически всегда приходится иметь дело) могут быть трансформированы в область спектра полезного сигнала.

Производим выбор структурной схемы аналогового тракта, которая имеет следующий вид:

Рисунок 4- Структурная схема аналогового тракта

где СУсогласующий усилитель;

ФНЧфильтр низких частот;

ФПфункциональный преобразователь;

УВХустройство выборки-хранения;

АЦП — аналогово-цифровой преобразователь;

УУустройство управления.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ УЗЛАМ СИСТЕМЫ

Расчет технических требований будем производить в обратном порядке прохождения аналогового сигнала.

Устройство выборки и хранения. Основными техническими характеристиками УВХ являются:

1.Коэффициент передачи в момент окончания выборки .

2.Максимальные значения входного и выходного напряжений.

3.Входное и выходное сопротивление по аналоговому сигналу.

4.Отнасительные ошибки выборки и хранения.

5.Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.

6.Напряжение источников питания УВХ.

Так как существует большая неопределённость выбора указанных параметров УВХ, то их нужно задать, используя практический опыт построения подобных устройств и инженерную интуицию. Следует помнить, что в случае невозможности реализации УВХ с заданными наперёд характеристиками, возможен этап коррекции технического задания. Это, собственно, обычный (стандартный) путь решения инженерных и исследовательских задач.

В первую очередь можно задаться. Затем найдём максимальное значение напряжения входного аналогового сигнала:

Зная, что современные методы построения УВХ дают возможность реализации относительных ошибок и до и ниже, можно установить требования к допустимой погрешности:

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

Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление (менее десятков — сотен Ом), поэтому устанавливаем требования:

Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в техническом задании на проект. Подлежит определению величины времени хранения:

и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ.

При реализации управляющего тракта полностью на ОУ выбираем:

При расчёте принципиальной схемы эти данные будут учтены.

Функциональный преобразователь. Основной характеристикой функционального преобразователя является зависимость выходного напряжения от входного :

Зависимость ЭДС датчика задана аналитическим выражением:

e =0.4 * q2

где q — измеряемая величина.

Приделы измеряемой величины можно най ришив систему уравнений:

e = 0.4 * q2 (qmin)

e = 0.4 * q2 (qmax)

Находим что: qmin = 0,1(В),

qmax= 0,25(В),

Найдем зависимость графичиским путем. Для этого построим график зависимости. e = 0.4 * q2*K

Затем стороим симметричную относительно иси кривую, она и будет искомой передаточной характристикой функционального преобразователя. Далее аппроксимируем кривую ломаной и определяем графичиским пуьом координаты точек излома, и требуемый коеффициент усиления на участках по формуле:

Необходимые построения приведены на рис.6

Найдем коефициенты уселения на каждом кусочно-линейным отрезке:

Выходное сопротивление функционального преобразователя

R?0,1 R

Входное сопротивление ФУ

R=(10*103 — 1*106) Ом

Фильтр нижних частот. Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

Верхняя граничная частота .

Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.

Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.

Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания.

Входное и выходное сопротивления.

При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.

Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.

Фильтры Баттерворта, выполненные на ОУ, имеют. Зададимся. Исходя из этого, можно определить требования к максимальной величине входного напряжения:

Входное и выходное сопротивления выберем ,

Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом усиления разностного сигнала не менее чем

Этот коэффициент изменяется в пределах, т. е.

Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем (расчет приведен выше):

Входное сопротивление выберем из соотношения:

Выходное сопротивление согласующего усилителя

3. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМЫ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ

Согласующий усилитель выполняет несколько функций:

— усиление сигнала до максимального входного напряжения АЦП;

— ослабление синфазной помехи;

— согласование симметричных выходов датчика с несимметричными входами функциональных блоков аналогового тракта.

Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:

Согласующий усилитель Дрейф нуля в рабочем диапазоне температур (принимается 0…80oC):

Входное дифференциальное сопротивление:

Необходимый коэффициент ослабления синфазного сигнала:

Для построения схемы согласующего усилителя будем использовать операционный усилитель КР140УД7 с такими характеристиками:

— максимальный коэффициент усиления Ku = 50 000;

— коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС = 70 дБ;

— максимальное синфазное входное напряжение Uсинф max = 11 В;

— максимальное входное напряжение Uвх max = 12 В;

— максимальное выходное напряжение Uвых max = 11,5 В;

— напряжение питания Uп = ±15 В;

— максимальный выходной ток Iвых max = 20 мА;

— входные токи Iвх = 200 нА.

Выбранная микросхема удовлетворяет предъявленным к ней требованиям.

Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 желательно брать наибольшим (т.е. реализовать на ней основное усиление сигнала), а коэффициент усиления разностного усилителя на ОУ DA3 принять равным единице. В этом случае резисторы R5чR8 получатся одного номинала, а следовательно, облегчается их подбор по требуемому допуску и температурному коэффициенту. Расчет элементов схемы начинаем с каскада на DA3.

Зададим номиналы резисторов в пределах

где Uвх мах — максимальное входное напряжение операционного усилителя,

Iвых max — максимальный выходной ток операционного усилителя.

Выбираем номиналы R5, R6, R7, R8 равными 1 кОм. Резисторы R3 и R4 выбираем равными 20 кОм. Для определения сопротивления резистора R2, воспользуемся формулами:

RSmax = 2*R3/(Kсу min -1) = 2*20*103/(10,97 -1) = 4 кОм

RSmin = 2*R3/(Kсу max -1) = 2*20*103/(109,7−1) = 0,37 кОм Так как резистор R1=Rmin, то задаемся номинальным значением R1 — 390 Ом.

R2 = R? maxR?min = 3,63 кОм Выбираем резистор R2 номиналом 3,9 кОм с учетом допустимых отклонений в значениях резисторов R1 и R2.

Допуск на относительный разброс номиналов резисторов (кроме R1 и R2), % определяем по формуле:

.

При определении номиналов резисторов учитываем, что резисторы R5чR8 определяют величину входного сопротивления каскада по инвертирующему и неинвертирующему входам и являются фактическими нагрузками ОУ DA1, DA2. Кроме того, применение высокоомных резисторов R5чR8 приводит к повышенному дрейфу выходного напряжения из-за некомпенсируемой разности входных токов? Iвх (паспортный параметр ОУ).

Выбираем резисторы:

С2−33Н-0,25−390 Ом±10%

С2−33Н-0,25−3,9 кОм±10%

С2−33Н-0,25−20 кОм±10%

С2−33Н-0,25−20 кОм±10%

С2−33Н-0,25−1 кОм±10%

С2−33Н-0,25−1 кОм±10%

С2−33Н-0,25−1 кОм±10%

С2−33Н-0,25−1 кОм±10%

Фильтр низких частот.

Фильтр низких частот (рис. 3) выполнен по схеме Баттерворта второго порядка.

Фильтр низких частот Верхняя граничная частота определяется по формуле:

Целесообразно задаться сначала величиной емкости из ряда стандартных значений, затем рассчитать величины резисторов:

Величину емкости С следует выбрать такой, чтобы получить значения резистора R в пределах 10 ??100 кОм. Выбираем емкость С = 0.1 мкФ.

Ом Выбираем номинал R=6,8 кОм. С целью уменьшения влияния разности входных токов ОУ должно выполняться равенство:

В то же время для получения необходимой АЧХ:

Решая систему уравнений, получаем значения R1=24,57 кОм (выбираем номинал 27 кОм), R2=14,4 кОм (выбираем номинал 15 кОм). По полученным параметрам рассчитываем коэффициент усиления фильтра низких частот:

Выбираем резисторы:

С2−33Н-0,25−27 кОм±5% К73−11−63 В-0.15 мкФ±20%

С2−33Н-0,25−15 кОм±5% К73−11−63 В-0.15 мкФ±20%

С2−33Н-0,25−68 кОм±5%

С2−33Н-0,25−68 кОм±5%

Расчет устройства выборки хранения В качестве устройства выборки/хранения можно использовать микросхему КР1100СК2, имеющую такие характеристики:

— время выборки 5?10 мкс;

— коэффициент усиления Kувх = 1;

— напряжение питания Uп = ±12 В;

— напряжение управления Uупр = 2.7???В;

— скорость изменения выходного напряжения? U = 0.2?5 В/с;

— максимальное входное напряжение Uвх = 10 В;

— напряжение смещения Uсм = 5?30 мВ.

При подключении к данной микросхеме конденсатора емкостью 1000пФ, можно получить время хранения равное 10 мкс.

Расчет функционального преобразователя Схема функционального преобразователя, у которого с ростом входного сигнала возрастает коэффициент усиления приведена на Рисунке 7

Принципиальная схема функционального преобразователя

При диоды VD1 — VD3 закрыты отрицательным смещением резистивных деталей. Коэффициент усиления по напряжению

(кОм) Выбираем R14=10 кОм, R13=5,1 кОм С ростом входного напряжения повышаются потенциалы анодов диодов, в то время как потенциалы их катодов остаются неизменными и близкими к нулю. При открывается диод VD3, коэффициент усиления возрастает и становится Получаем R11+R12=16,6 кОм. Выбираем R12=13 кОм, R11=5,1 кОм.

При открывается диод VD2, коэффициент усиления возрастает и становится Получаем R9+R10=10,25 кОм. Выбираем R10=8,2 кОм, R9=2,2 кОм. При открывается диод VD1, коэффициент усиления возрастает и становится При открывается диод VD1, коэффициент усиления возрастает и становится Получаем R1+R2=19,3 кОм. Выбираем R2=16 кОм, R1=6,2 кОм.

Рассчитываем значение сопротивлений делителя. Для этого зададимся опорным напряжением равным Еоп=10 В. Величины входных напряжений необходимых для поочередного отпирания диодов возьмем из графика Uвых=f (Uвх). Расчет сопротивлений делителя производится из условия:

Rоп=

Таким образом сопротивления делителя находятся как:

Выбираем R8=68 кОм, R7=22 кОм.

Выбираем R6=15 кОм, R5=6,8 кОм.

Выбираем R4=22 кОм, R3=9,1 кОм.

Расчет управляющего тракта Блок управления необходим для управления работой всего устройства. Он синхронизирует работу отдельных блоков. Для обеспечения нормальной работы системы сбора аналоговых данных необходимо поочередно подавать сигналы с генератора на вход счетчика, аналогового коммутатора, УВХ, АЦП, буфера хранения и сигнал готовности для микропроцессорного устройства. Частота работы генератора определяется частотой опроса датчиков. Сигналы на входы блоков должны подаваться с определенной задержкой, равной времени преобразования предыдущего устройства. Принцип работы блока управления отображен на диаграмме .

Принцип работы блока управления где tсч — время преобразования счетчика; tан.к. — время преобразования аналогового коммутатора; tхр — время хранения данных в УВХ; tУВХ — время преобразования в УВХ; tпр АЦП — время преобразования АЦП.

В качестве аналогового коммутатора воспользуемся микросхемой КР590КН6 Справочные данные: Uпит = ± 15B; Uком = ± 15B; Iком = 20 мА; tвкл = 0,3 мкс; Uвх0 = 0…0,8В; Uвх1 = 4…16,5B.

Аналоговый коммутатор Для формирования номера опрашиваемого датчика будет использоваться счетчик на основе D-триггеров, показанный на рис.10

Счетчик с коэффициентом пересчета 5

Схема блока управления изображена на рис. 11. Она состоит из: генератора прямоугольных импульсов; цепей задержки, сформированных на базе RC-цепочек; а также из одновибратора, который используется как расширитель импульса для УВХ.

Схема блока управления В качестве генератора импульсов будем использовать схему, приведенную на рис. 12.

Схема генератора прямоугольных импульсов Частота опроса датчиков составляет f=120 Гц. Длину импульса возьмем равную 1 мкс. Тогда

tИ=R1*C1*ln (U1/Uпор)

1*10−6=R1*C1*ln (2,4/1,25)

Выбираем R1=2,2 кОм, а С1=765 пФ.

tП=R2*C2*ln (U1/Uпор)

1999*10−6=R2*C2*ln (2,4/1,25)

Выбираем R2=22 кОм, С2=0,1302 мкФ.

Для обеспечения подачи импульса на УВХ равного tв=10 мкс будем использовать одновибратор на основе микросхемы К155АГ1. Для этой микросхемы длительность импульса обеспечивается из условия tвых=С3*R3*ln2. Поэтому выбираем С3=650 мкФ, а R3=22 кОм.

Расчет RC-цепочек

1. Время задержки сигнала на вход аналогового коммутатора равно 500 нс.

tcч=С1*R1=500*10−9

Выбираем R1=2,2 кОм, С1=227 пФ.

2. Время задержки сигнала на вход УВХ равно 0,3 мкс.

tан.к.=С2*R2=0,3*10−6

Выбираем R2=10 кОм, С2=30 пФ.

3. Время задержки сигнала на вход АЦП равно 0,8 мкс.

tУВХ=С4*R4=0,8 мкс Выбираем R4=10 кОм, С4=80 пФ.

4. Время задержки сигнала на вход микропроцессорного устройства равно 170 мкс.

tАЦП=C5*R5=170*10−6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают создавать микросхемы с более высокой степенью интеграции, предназначенные для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки и хранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов разрабатывают операционные узлы в виде БИС, способные обрабатывать аналоговую информацию без преобразования ее в цифровую форму.

Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные роботы.

В области преобразования данных основной движущей силой является стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону технологии КМДП, разработка преобразователей специального назначения и использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции погрешностей.

Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств, которые необходимы в микро-ЭВМ.

1. Электронные промышленные устройства: Учеб для студ. Вузов спец. «Пром. электрон.» /В.И. Васильев, Ю. М. Гусев, В. Н. Миронов и др.-М.: Высш. Шк., 1988.-303 с.: ил.

2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник/С.В. Якубовский, Л. И. Нисельсон, В. И. Кулешова и др.; под ред С. В. Якубовского.-М.: Радио и связь, 1990.-с.: ил.

3. Микропроцессоры: В 3-х кн. Кн. 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб для втузов/В.Д. Вернер, Н. В. Воробьёв, А. В. Горячев и др.; Под ред. Л. Н. Преснухина.-М.: Высш. шк., 1986.-383с.: ил.

4. СПРАВОЧИК «ДИОДЫ»

5. СПРАВОЧИК «РЕЗИСТОРЫ»