Курсовая работа (т): Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы

Министерство образования и науки Украины

Сумской государственный университет

Курсовая работа

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 аналогового 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]

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.

Рисунок 1 - Схема включения микросхемы K572ПВ1.

Таким образом с помощью данного АЦП можно опрашивать состояние сигнала с максимальной частотой 1/t_ацп. 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 2 - Структурная схема аналогового тракта

где СУ- согласующий усилитель;

ФНЧ- фильтр низких частот;

ФП- функциональный преобразователь;

УВХ- устройство выборки-хранения;

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;

УУ- устройство 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:

.Коэффициент передачи в момент окончания выборки

.

.Максимальные значения входного  и выходного  напряжений.

.Входное  и выходное  сопротивление по аналоговому сигналу.

.Отнасительные ошибки выборки и хранения.

.Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.

.Напряжение источников питания УВХ.

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*10^{3 -} 1*10⁶) Ом

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

Верхняя граничная частота .

1. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.

2. 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: