Проектирование коммутатора аналоговых сигналов

Проектирование коммутатора аналоговых сигналов

Введение

Данный курсовой проект по дисциплине «Электротехника и электроника» посвящён проектированию электрического функционального устройства «Коммутатор аналоговых сигналов», применяется в электронике (оборудование мобильной связи и аудиосистемы), видеонаблюдении и сетевом оборудование.

Мультиплексорами являются устройства, относящиеся к электронным переключателям, назначение которых - коммутация электрических цепей. Под термином «мультиплексирование» понимается процесс передачи данных от нескольких источников к приемнику по одному общему каналу, а устройство, осуществляющее на передающей стороне операцию сведения данных на один общий канал, называют мультиплексором.

В первом разделе пояснительной записки проводится анализ аналогов и обоснование направления проектирования. Во втором разделе на основе составленной функциональной схемы и технических требований проводится расчёт на структурном уровне. В третьем - выбор элементов для составления электрической схемы коммутатора аналоговых сигналов. Четвёртый раздел посвящён моделированию собранной электрической схемы в среде Micro Cap 10. В пятом разделе проводится анализ метрологических характеристик.

1. Анализ и выбор направления проектирования

.1 Анализ современного состояния научно-технического уровня по тематике проектирования

Имеется большое множество моделей и схем коммутаторов, отвечающих основному назначению разрабатываемого устройства. Рассмотрим три аналога, наиболее близко соответствующих требованиям задания. Первый аналог микросхем К590КН6 - это КМОП мультиплексор-демультиплексор 1х8. Его технические характеристики:

·    Время включения и выключения не более 300 нс;

·        Ток утечки в закрытом состоянии не более 70 нА;

·        Диапазон входных сигналов - от нижнего до верхнего питающих напряжений;

·        Сопротивление канала в открытом состоянии не более 300 Ом;

·    Двухполярное питание +/-15 В;

·        Совместимость с КМОП логикой.

На рисунке 1 показано условно графическое обозначение коммутатора К590КН6 на схеме электрической принципиальной.

Рисунок 1 - Условно графическое обозначение коммутатора К590КН6 на схеме электрической принципиальной

Устройство К590КН6 используется для опроса входных цепей 0..7 и передачи их сигнала на выход 8 или для коммутации входного сигнала 8 на один из выходов 0..7. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения V необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то, независимо от состояния адресных входов, все ключи мультиплексора разомкнуты.

Коммутатор К590КН6 применяется в системах сбора данных, устройствах связи, мультиплексирование аудио-сигналов, микропроцессорных управляющих системах.

Второй аналог микросхема ADG411. Его технические характеристики:

·    4-x канальный КМОП коммутатор;

·        Пониженный ток утечки в закрытом состоянии не более 0,1 нА;

·        Низкое сопротивление канала в открытом состоянии (не более 35 Ом);

·        Время включения не более 175 нс, время выключения не более 145 нс;

·        Двухполярное питание +/-15 В;

·        Однополярное питание +12 В;

·        Диапазон входных сигналов +/-15 В;

·        Совместимость с ТТЛ/КМОП логикой.

Область применения ADG411 в устройствах связи, переключение аудио и видео сигналов, системах с батарейным питанием, прецизионных системах сбора данных.

Плюсы микросхемы ADG411: диапазон входного сигнала превышает значения данные в техническом задании.

Минусы микросхемы ADG411: всего 4 аналогового входа, а по требованиям технического задания нужно 12 входов.

Третьим аналогом является ADG406. Его параметры:

·    КМОП мультиплексор-демультиплексор 1х16;

·        Сопротивление канала в открытом состоянии не более 80 Ом;

·        Время переключения: включения 160 нс, выключение 150 нс;

·        Пониженный ток утечки в закрытом состоянии не более 0,5 нА;

·        Однополярное питание от +5 В до +15 В;

·        Двухполярное питание +/- 5 В до +/-15 В;

·        Диапазон входных сигналов - от нижнего до верхнего питающих напряжений;

·        Совместим с ТТЛ/КМОП логикой.

Мультиплексор ADG406 используется в системах сбора данных, системах выборки-хранения, мультиплексирование аудио- и видеосигналов. Указанное устройство выполняет требования технического задания.

.2 Выбор и обоснование направления проектирования

По требованиям, установленным в ТЗ для проектирования устройства был выбран мультиплексор ADG406 и составлена функциональная схема. Функциональная схема коммутатора аналогового сигнала изброжена на рисунке 2, содержит мультиплексор, регистр, повторитель напряжения и режекторный фильтр.

Рисунок 2 - Функциональная схема коммутатора аналогового сигнала

Аналоговый сигнал необходимой частоты по каналам поступает в мультиплексор. Регистр подает код на мультиплексор для открытия ключа. После мультиплексора находится повторитель напряжения - обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление, а также увеличивает добротность режекторного фильтра, после повторителя напряжения стоит режекторный фильтр, который должен обеспечивать подавление помехи с частотой 45 кГц не менее 30 дБ.

2. Расчет на структурном уровне

Основные технико-эксплуатационные показатели: максимальный диапазон входных напряжений от -10 до 10 В, выходной сигналы - аналоговые, выходное сопротивление до 100 кОм, число каналов 12, подавление помехи частотой 45 кГц на 30 дБ. Частота изменения сигнала 10 кГц.

3. Выбор элементов электрической схемы

Выбор элементов будем производить в соответствии с требованиями, определёнными на этапе составления структурной схемы.

.1 Мультиплексор

Мультиплексор должен содержать минимум 12 каналов. Так же должен подходить по диапазону входного сигнала от минус 10 до 10 В, и поддерживать сигнал 10 кГц.

Нам подойдет мультиплексор 16-канальный ADG406[5]. Условно графическое обозначение коммутатора ADG406 на схеме электрической принципиальной на рисунке 3.

коммутатор аналоговый сигнал схема

Рисунок 3 - Условно графическое обозначение коммутатора ADG406 на схеме электрической принципиальной

Назначение выводов:

·    S - вход/выход аналоговых сигналов;

·        D - выход/вход аналогового сигнала;

·        A - адресные входы;

·        EN - управляющий вход (0 - размыкание всех ключей мультиплексора);

·        +U - положительное питающее напряжение;

·        -U - отрицательное питающее напряжение;

·        GND - общий.

Основные характеристики ADG406:

·    КМОП мультиплексор-демультиплексор 1х16;

·        Сопротивление канала в открытом состоянии не более 80 Ом;

·        Время переключения: включения 160 нс, выключение 150 нс;

·        Пониженный ток утечки в закрытом состоянии не более 0,5 нА;

·        Однополярное питание от +5 В до +15 В;

·        Двухполярное питание +/- 5 В до +/-15 В;

·        Совместим с ТТЛ/КМОП логикой.

.2 Регистр

Регистр - устройство для хранения и (или) преобразования многоразрядных чисел. Они используются в качестве управляющих и запоминающих устройств генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей частоты, узлов временной задержки.

Требованием к подбору регистра является наличие как минимум четырех разрядов и КМОП-технология выполнения. Этим требованиям отвечает параллельный восьмиразрядный регистр, выполненный по КМОП-технологии 1564ИР23Т[1]. Электрическая принципиальная схема и описание выходов показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема и описание выводов регистра 156ИР23Т

3.3 Повторитель напряжения

На выходе мультиплексора поставим повторитель напряжения К140УД6. Микросхема представляет собой операционный усилитель средней точности с высоким усилением, малыми входными токами, внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания.

Электрическая принципиальная схема К140УД6 представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема К140УД6

Назначение выводов К140УД6:

- балансировка;

- вход инвертирующий;

- вход неинвертирующий;

- напряжение питания -U_п;

- напряжение питания +U_п.

Параметры операционного усилителя приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры ОУ К140УД6

3.4 Режекторный фильтр

Требование к режекторному фильтру: обеспечить подавление помехи с частотой 45 кГц не менее 30 дБ.

Электрическая принципиальная схема режекторного фильтра представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Электрическая принципиальная схема режекторного фильтра

Расчитаем наминалы цепи. По формуле:

    (1)

.      (2)

Длина волны определяется через скорость распространения электромагнитных волн (скорость света), и частоту.

.     (3)

Из формулы (6) следует что С = 6666,667 [пФ].

Теперь выразим из (5) формулы L:

 [Гн].     (4)

R2 - омическое сопротивление провода, R1 - повторно сопротивление фильтра.

4. Электрическое моделирование

Проведем моделирование режекторного фильтра с помощью пакета для моделирования Micro-Cap 10, используя схему, приведенную на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема режекторного фильтра

Значение сопротивления, конденсатора и катушки индуктивности вычислено по формулам (1-4).

В результате моделирования получен график АЧХ режекторного фильтра, представленный на рисунке 8.

Рисунок 8 - АЧХ режекторного фильтра

Увеличенное АЧХ режекторного фильтра с частотой подавления 45 кГц на рисунке 9.

Рисунок 9 - Увеличенная АЧХ режекторного фильтра

Как видно из рисунка 8 отклонение от заданной частоты помехи на 0,298 кГц.

По техническому заданию нужно обеспечить помеху на 45 кГц не менее 30 дБ, на рисунке 9 показано подавление помехи частотой 45 кГц на 32,349 дБ.

Таким образом, расчет режекторного фильтра в разделе 3.4 был произведен правильно, и можно заключить, что моделирование в среде Micro-Cap 10 режекторноого фильтра так же выполнено правильно.

5. Анализ метрологических характеристик

Для подтверждения работоспособности разработанного устройства и соответствия его характеристик требованиям технического задания определим его основные параметры.

На выходе с коммутатора необходимо определить величину погрешности сигнала.

Для минимизации погрешности включим в схему повторитель напряжения.

R_н=R_вхпн= 10 мОм,

R_вкл = 80 Ом,

k= R_н/(R_н+R_вкл+R_вых),                                                                             (5)

k= 1·10⁷/ (1·10⁷+80+100·10³) = 0,01                                                        

δ_кл= (1-0,01)·100=0,1%.

где R_н = R_вхпн - входное сопротивление операционного усилителя;

R_вкл - сопротивление включения мультиплексора;

R_вых - выходное сопротивление источников сигнала.

Что бы подсчитать количество адресных входов, зная количество каналов, необходимо использовать уравнение:

n=2^m ,                                                                                                     (6)

где n- количество информационных входов, а m - количество адресных входов.

По техническому заданию число каналов - 12. Подставив, 12=2ⁿ, определим, что для выбора одного канала из 12 необходимо не менее 4 двоичных разрядов.

По техническому заданию максимальная частота изменения сигнала 10 кГц, определим частоту среза мультиплексора ADG406. Для этого приведем эквивалентную схему на рисунке 10.

Рисунок 10 - Эквивалентная схема ключа

Максимальную частоту среза ключа можно рассчитать по формуле (7):

 = (7)

τ_кл рассчитывается по формуле (8):

         (8)

Подставим полученное значение τ_кл в формулу (7):

 =

Значение подавления по заданию дано в децибелах, необходимо перевести его в разы по формуле:

K_дц=20lg·K_раз,                                                                                         (9)

40 = 20lg·K_раз,

lg K_раз=2,

K_раз=100,

Зная значение в разах, рассчитаем коэффициент передачи следующим образом:

_пер.=        (10)

Далее, зная коэффициент передачи и омическое сопротивление катушки, выразим сопротивление из следующей формулы:

где омическое сопротивление r=3 Ом, R_ВЫХ = 0,1 Ом.

Рассчитаем повторное сопротивление фильтра:

=          (11)

Диапазон входного напряжения определяется параметрами мультиплексора [-15;15].

Так же по техническому заданию нужно обеспечить подавление помехи частотой 45 кГц не менее 30 дБ. Рассчитали номиналы режкторного фильтра для подавления частоты 45 кГц (см. р. 3.4), так же смоделировали режекторный фильтр. Получили отклонение он заданной частоты подавления 45 кГц на 0,298 кГц (см. р. 4). На частоте 45 кГц глубина подавления составила 32,349 дБ (см. р. 4) что удовлетворяет техническому заданию.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта был разработан коммутатор аналоговых сигналов, соответствующий требованиям технического задания.

Был проведен анализ справочной литературы, в ходе которого были найдены аналоги и прототип, на основе которого и было разработано данное устройство.

Были составлены функциональная и принципиальная схемы устройства.

С помощью пакета программ схемотехнического моделирования Micro Cap 10.0 был проведен анализ одного из узлов схемы - режекторного фильтра, подтвердивший правильность подбора отдельного компонента данного устройства.

Список использованных источников

1 Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - 512 с.

Никонов А. В., Никонова Г. В.“Разработка электрических функциональных устройств: Методические указания для курсового проектирования по «Электротехнике и электронике».“- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 66 с.

3 Разевиг, В.Д. Система схемотехнического моделирования с помощью Micro-Cap 7. - М.: ТОО «СОЛОН», 1997. - 273 с.

Ханзел, Г.Е. Справочник по расчету фильтров: США, 1969 / Г.Е. Ханзел: пер.; под ред. А.Е. Знаменского. - М.: Сов. Радио, 1974. - 288 с.

5 Перельман Б.Л., Шевелев В.В. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. - М.: НТЦ Микротех, 1998. - 376 с.