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:

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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.

. 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.

. 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.

5. СПРАВОЧИК «РЕЗИСТОРЫ»