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

Выходное сопротивление согласующего усилителя

. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ

.1 СОГЛАСУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Рисунок 3 - Согласующий усилитель.

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:

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

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 = 50000;

-        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 R₅÷R₈ 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

где U_{вх мах} - максимальное входное напряжение операционного усилителя,

I_{вых 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:

R_max = 2*R3/(K_{су min} -1) = 2*20*10³/(10,97 -1) = 4 кОм

R_min = 2*R3/(K_{су max} -1) = 2*20*10³/(109,7-1) = 0,37 кОм

Так как резистор R1=R_min, то задаемся номинальным значением R1 - 390 Ом.

R2 = R_max -R_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 R₅÷R₈ определяют величину входного сопротивления каскада по инвертирующему и неинвертирующему входам и являются фактическими нагрузками ОУ DA1, DA2. Кроме того, применение высокоомных резисторов R₅÷R₈ приводит к повышенному дрейфу выходного напряжения из-за некомпенсируемой разности входных токов ∆I_вх (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%

3.2 ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ

канал аналоговый микропроцессорный усилитель

Фильтр низких частот (рис. 4) выполнен по схеме Баттерворта второго порядка.

Рисунок 4 - 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%

3.3 РАСЧЕТ УСТРОЙСТВА ВЫБОРКИ И 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¸7В;

-        скорость изменения выходного напряжения DU = 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.

Схема функционального преобразователя, у которого с ростом входного сигнала возрастает коэффициент усиления приведена на Рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема функционального преобразователя

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

выбирая R15=10кОм, получаем

(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.

.5 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.

Рисунок 6 - Принцип работы блока управления

где t_сч - время преобразования счетчика; t_ан.к. - время преобразования аналогового коммутатора; t_хр - время хранения данных в УВХ; t_УВХ - время преобразования в УВХ; t_{пр 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.

Рисунок 7 - Аналоговый коммутатор

Для формирования номера опрашиваемого датчика будет использоваться счетчик на основе D-триггеров, показанный на рис. 8

Рисунок 8 - Счетчик с коэффициентом пересчета 5

Схема блока управления изображена на рис.9. Она состоит из: генератора прямоугольных импульсов; цепей задержки, сформированных на базе RC-цепочек; а также из одновибратора, который используется как расширитель импульса для УВХ.

Рисунок 9 - Схема блока управления

В качестве генератора импульсов будем использовать схему, приведенную на рис.10.

Рисунок 10 - Схема генератора прямоугольных импульсов

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

t_И=R1*C1*ln(U¹/U_пор)

*10^-6=R1*C1*ln(2,4/1,25)

Выбираем R1=2,2 кОм, а С1=765 пФ.

t_П=R2*C2*ln(U¹/U_пор)

*10^-6=R2*C2*ln(2,4/1,25)

Выбираем R2=22 кОм, С2=0,1302 мкФ.

Для обеспечения подачи импульса на УВХ равного t_в=10 мкс будем использовать одновибратор на основе микросхемы К155АГ1. Для этой микросхемы длительность импульса обеспечивается из условия t_вых=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.

t_cч=С1*R1=500*10^-9

Выбираем R1=2,2 кОм, С1=227 пФ.

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

t_ан.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.

t_УВХ=С4*R4=0,8 мкс

Выбираем R4=10 кОм, С4=80 пФ.

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

t_АЦП=C5*R5=170*10^-6

Выбираем R5=100 кОм, С5=1,7 мкФ.

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.