РОЗРОБКА АЦП.
ВСТУП
В даному курсовому проекті розроблено аналого-цифровий перетворювач (АЦП)
порозрядного кодування, що перетворює вхідну напругу (0-5 в) у 12 -
розрядний цифровий код.
Пояснювальна записка містить 2 розділи:
У першому розділі проводиться аналіз методу перетворення і розробляється
структура пристрої;
Другий розділ включає розробку пристрою (функціональна і принципова
схеми). Обсяг пояснювальної записки складає аркушів, у тому числі 3 з них
додатки.
АНАЛІЗ МЕТОДУ ПЕРЕТВОРЕННЯ І ВИБІР СТРУКТУРИ АЦП.
Аналіз методу перетворення.
Метод порозрядного кодування, при якому вхідна величина (Uвх)
послідовно порівнюється з сумою еталонів, які мають значення квантів, де i
= N-1, n-2, ... .2,1,0 (n = 12 - число розрядів вихідного коду). Таким чином дві
сусідніх еталона відрізняються в два рази за значенням. Зрівноважування вхідний
величини починається з еталона має максимальне значення. Залежно від
результату порівняння виходить цифра в старшому розряді вихідного коду,
знімається з АЦП. Якщо еталон більше вхідної величини, то в старшому розряді коду
ставиться 0 і далі відбувається урівноваження вхідної величини наступним
еталоном в два рази меншого значення. Якщо ж перший еталон менше (або дорівнює)
вхідний величиною, то в старшому розряді вихідного коду ставиться 1 і далі
проводиться урівноваження різниці вхідної величини і першого еталона.
Аналогічні дії здійснюються для всіх використовуваних еталонів. Отже,
після закінчення перетворення вхідна величина буде врівноважена сумою тих
еталонів, у яких у відповідних їм розрядах коду коштують 1. Порівняння
вхідний величини і суми еталонів проводиться за допомогою одного порівнює
пристрої [8].
З описаного вище алгоритму класичного методу порозрядного кодування
видно, що при реалізації цього методу перетворення необхідний набір з 12
еталонних величин від мінімальної Uе1 = q рівній кванта до максимальної Un = 2,
мінімальну можна розрахувати за формулою:
(1.1)
де Uе1 - величина напруги молодшого значущого розряду; Uвмах максимальне
вхідна напруга АЦП; n - число розрядів у вихідному коді.
Виходячи з заданих значень за формулою 1.1 розрахуємо Uе1:

Таким чином величина молодшого значущого розряду приблизно дорівнює 1mv, що
із заданою точністю відповідає розрахованим значенням.
Таким чином, величина старшого розряду буде обчислюватися за формулою:

Тобто величина старшого розряду буде дорівнює 0,001220 * 2048 = 2.4985 ст.
Перетворювачі напруги в код виконані у вигляді замкнутих систем з
порівнянням аналогових величин мають ланцюг зворотного зв'язку, до якої включено
цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) перетворює паралельний код в
постійне напруження, яке порівнюється з вхідною напругою АЦП.
Вибір структури АЦП.
Проаналізувавши алгоритм перетворення можна вибрати наступну структуру
пристрої ріс.1.2.

Дана структура містить:
пристрій керування (УУ), призначений для формування вихідного коду АЦП;
ЦАП, необхідного для перетворення кодів у напруження;
Схему порівняння (СС), необхідну для порівняння вхідної напруги АЦП і
напруги з виходу ЦАП.
Даний АЦП працює в двох режимах:
Режим порівняння вхідної напруги АЦП з еталонним.
Режим зберігання результату перетворення.
У першому режимі роботи на схему приходить сигнал запуску і починається процес
порівняння вхідної напруги АЦП та суми еталонних напруг формованих при
допомоги УУ на виході ЦАП.
У другому режимі всередині УУ формується сигнал "кінець перетворення", після чого
АЦП зберігає результат перетворення у вигляді цифрового коду на виході АЦП.
РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ і принципових схем АЦП.
2.1 Розробка функціонально схеми АЦП.
Функціональна схема АЦП (Додаток 2) реалізує метод порозрядного
кодування і побудована за структурою ріс.1.2, складається з генератора тактових
імпульсів (ГТВ), регістра послідовного перетворення (РПП), компаратора,
ЦАП і ОУ.
Функцію кожного блоку можна описати таким чином:
УУ АЦП реалізовано на (РПП), який забезпечує видачу еталонних кодів і
збереження результатів порівняння їх зі вхідних величиною.
12 розрядний ЦАП, призначений для формування еталонних напружень з ОУ на
вихід тому ЦАПи такого типу мають струмовий вихід.
Компаратор - порівнює пристрій, що забезпечує порівняння вхідного
напруги АЦП і напруги з виходу ЦАП. У випадку, якщо вхідна напруга
більше напруги з виходу ЦАП на виході компаратора з'явиться 1.
Роботу АЦП можна розбити на два етапи:
У першому етапі на РПП приходить сигнал запуску зі схеми ініціалізації (СІ) і
тактова частота з ГТВ, після чого в старшому розряді вихідного коду РПП
встановлюється 1, код з РПП подається на ЦАП, який перетворює його в
напруга рівне 2,5 в, це напруга надходить на порівнювати пристрій
(СУ) і порівнюється з вхідною напругою ЦАП. У випадку, якщо вхідна напруга
більше напруги з виходу ЦАП на виході компаратора з'явиться 1, яка
надходить на інформаційний вхід D РПП, в наслідок чого відбудеться збереження
1в старшому розряді коду. У зворотному випадку в старший розряд РПП запишеться 0.
Далі відбувається урівноваження вхідної величини наступним еталоном в два рази
меншого значення. Аналогічні дії здійснюються для всіх використовуваних
еталонів.
На другому етапі на виході Qcc (conversion complete) отримуємо інформацію про
завершення перетворення, коли на цьому виході з'являється низький логічний
рівень. З цього моменту на виході РПП буде зберігається результат перетворення в
вигляді цифрового коду.
2.2. Розробка принципової схеми АЦП.
Всі цифрові елементи принципової схеми (Додаток 3) виконані на ТТЛ
логіці 155 серії мікросхем, тому що вона має найбільшу швидкодію і
порівняно мале енергоспоживання. Перелік елементів представлений в
специфікації (Додаток 1).
Робота пристрою починається з подачі сигналу запуску на вхід S регістра РПП (DD
2), коли на нього надходить низький рівень регістр у перший момент тактового
імпульсу скидається. Для ініціалізації схеми застосована RC ланцюг з двома
тригера Шмідта на виході, параметри ланцюга розраховуються за наступною
формулою [9]:
де t - один такт роботи АЦП і дорівнює сумі часів встановлення всіх елементів
схеми, тобто tзRG + tзЦАП + tзкомп = 28нс 3,5 мкс 200 нс = 3,728 мкс;
R1 = 5,1 Кім.
Звідси С1 = t/0,7 * R1 = 3,728 мкс/07 * 5,1 Ком = 1.004мкФ.
Для роботи схеми необхідний тактовий генератор, він реалізований на логічних
елементах DD1.1, DD1.2, DD1.3, резистори R2, R3, R4, ємності C2 і кварцовому
резонаторі BQ.
Після ініціалізації та подачі сигналів з тактового генератора регістр РПП
реалізований на мікросхемі К155ІР17 (DD 2) починає видавати паралельний код
на входи ЦАП (DD 3), вибір якого здійснювався з наступних умов:
необхідно преобразовивать12 розрядний код;
вихідна напруга ЦАП змінюється від 0 до 5 вольт.
З вище перерахованих вимог вибрано 12 розрядний ЦАП К1108ПА1Б [3,6]. Для
забезпечення видачі еталонного напруги до виходу ЦАП підключений ОУ К140УД7 [3]
(DA 1) тому що ЦАП має струмовий вихід. Для того щоб вихідна напруга
змінювалося в заданому діапазоні 0 - 5 в на ЦАП подано опорне напруга.
Опорне напруга ЦАП можна розрахувати за такою формулою [7]:
,
де - максимальна напруга з виходу ЦАП; - число двійкових розрядів вхідного
коду.
Максимальна напруга з виходу ЦАП не повинно перевищувати 5 В, а розрядність
вихідного коду дорівнює 12.
;
.
Також для забезпечення роботи в заданому режимі до ОУ підключені резистори R5, R6 і
конденсатор С3. Електричні параметри ЦАП [6] приведені в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1
Електричні параметри ЦАП
      Напруга зміщення нуля на виході (0.3 ... 0.6) мВ
      Час встановлення вихідного напряженія3, 5 мкс
      Вхідна напруга низького уровня0 ... 0.8 В
      Вхідна напруга високого уровня2.4 В
      Опір нагрузкі2 кОм
      Вихідна напруга (0 ... 10) В
      Напруга опорного харчування (0 ... 15) В

Також у схемі необхідно порівнювати пристрій, для виконання цієї функції
обраний прецезіонний компаратор К554СА3 [3] тому що необхідно забезпечити порівняння
величини молодшого значущого розряду (1МВ).
Після закінчення перетворення на виході "не С0" регістру РПП (DD 2) з'являється
низький логічний рівень, що говорить про те що на виході АЦП зберігається код
поданого на АЦП напруги певного із заданою точністю.
 
2.3. Параметри АЦП.
До параметрів АЦП відноситься енергоспоживання і частотні характеристики.
Енергоспоживання АЦП складається зі споживаних потужностей ІМС [3,6]:
= 3.5 Вт
Частотні характеристики будуть визначатися елементом час затримки, якого
максимально DA2 (К1108ПА1Б). Максимальна частота при якій пристрій
працездатно: f = 1/3, 5 мкс = 285 714 Гц 285 кГц.
ВИСНОВОК
При виконанні курсового проекту було розроблено АЦП порозрядного кодування.
Пристрій може працювати в синхронному режимі з максимальною тактовою частотою
285 КГц, від джерел живлення +15-15 в, 5 ст. Пристрій має відносно
невелике енергоспоживання і здійснює процес перетворення за 4,471 мкс.