ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ


Электронные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи

Задание на курсовую работу с методическими указаниями для студентов 3 курса

Специальности:

Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте

Курсовая работа посвящена вопросам применения интегральных микросхем на аналого-цифровых преобразователях (АЦП), которые нашли применение в цифровых системах связи, в автоматизированных системах, в различной радиоаппаратуре.

Оформленная курсовая работа должна содержать пояснительно-расчетную записку с приложением необходимых схем и рисунков.

В пояснительно-расчетной записке необходимо привести данные задания, обзорную и расчетную части, описание работы микросхем, перечень используемой литературы.

В процессе расчета величин и параметров элементов необходимо сначала привести расчетную формулу, затем подставить цифровые значения и полученный результат в принятых единицах измерения (СИ) округлить до практически необходимого номинального значения. Схемы надо выполнять в соответствии с ГОСТами на условные обозначения.

При возникновении затруднений в процессе выполнения задания можно лично или письменно через факультет или кафедру обратиться к преподавателю за .консультацией.

Курсовая работа должна быть подписана исполнителем. *■

Работа, выполненная по варианту, не соответствующему шифру студента, не проверяется и зачету не подлежит.

Задание на курсовую работу

По исходным данным, приведенным в табл. 1—3, требуется:

1. Выполнить полную схему АЦП, описать работу предложенного АЦП, соответствующих выбранных микросхем и устройств, обеспечивающих работу АЦП.

Построить временные диаграммы работы АЦП.

2. Рассчитать тактовый генератор для АЦП по исходным данным табл. 2.

3. В соответствии с табл. 3 выбрать конкретные базовые микросхемы, начертить их принципиальные схемы, описать работу и привести справочные данные, необходимые для расчета преобразователя уровней.

4. Выбрать схему преобразователя уровней (ПУ) и описать его работу.

5. Выбрать тип биполярных транзисторов для схемы ПУ, привести необходимые справочные данные выбранных транзистору

6. Рассчитать схему ПУ в заданном температурном диапазоне и подобрать резисторы по их номинальным значениям.

7. Рассчитать мощность, потребляемую ПУ от источника питания.

8. Рассчитать на ЭВМ передаточную характеристику ПУ 1)=f(U_BX) для номинальных параметров схемы и Т=25° С, построить ее и определить запас помехоустойчивости состояниях логического 0 и логической / по входу пу:

9. Описать схему интегрального аналога ПУ, если он имеется.

Таблица 1

Последняя цифра шифра	Тип АЦП, основная интегральная микросхема
0	Типа 1, АЦП последовательного счета
1	Типа 2, АЦП последовательного приближения с К572 ПВ1
2	Типа 3, АЦП двойного интегрирования с К572 ПВ2
3	Типа 4, АЦП параллельного преобразования с К1107 ПВ1
4	Типа 5, АЦП с использованием преобразования «напряжение — временной интервал — двоичный код» с ГЛИН
5	Типа 6, АЦП с преобразованием «напряжение — частота — двоичный код» с К1108 ПП1
6	Типа 2, АЦП последовательного приближения с К1113 ПВ1
7	Типа 3, АЦП двойного интегрирования
8	Типа 4, АЦП параллельного преобразования
9	Типа 6, АЦП с преобразованием «напряжение - частота - двоичный код»

Таблица 2

	Предпоследняя цифра шифра
Параметр	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Частота, Гц
Скважность	4	5	2	4	6	2	3	5	4	7
Длительность фронтов,	1	0,5	0,1
МКС
не более Амплитуда, В	3	4	5	6	7	8	9	10	2	3

Таблица 3

Первая цифра шифра	Согласуемые элементы серии ИMC	Нагрузочная способность ПУ	Частота переключения f, МГц	Температурный диапазон, °С
0	ттл->кмдп К155->К176	1	1	—10÷45
1	ттл->кмдп КМ155->К176	2	1	—10÷70
2	ттл->кмдп К155->К561	2	1	—10÷70
3	кмдп->ттл К176->К155	1	0,5	— 10 ÷ 45
4	кмдп->ттл К561->К155	3	1	—10÷30
5	кмдп->-ттлш К176->К531	3	1	+ 10÷45
6	КМДП->ТТЛШ К561->К531	1	__	—10 ÷ 45
7	кмдп->ттлш К176->К555	2	2	—10 ÷ 45
8	ттл->кмдп К155->K176	2	0,5	—10÷70
9	ттл->кмдп K155->*K176	4	1	— 10 ÷ 45

Монтажная емкость С_м =50 пФ, входная емкость элементов С_вх =15 пФ.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

При построении цифровых систем управления и контроля, в частности с использованием микропроцессоров (МП), используют устройства аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразований. ЦАП используют в большинстве АЦП как в режиме аналого-цифрового, так и цифро-аналогового преобразований; кроме того, в цифровых системах связи и передачи данных (модемы, кодеры), оконечных устройствах цифровых телевизионных и космических линий связи, активных фильтрах с управляемой полосой пропускания, усилителях с программируемым коэффициентом усиления, испытательной и измерительной технике.

АЦП и ЦАП находят применение в микропроцессорных информационных и управляющих системах. Роль этих устройств может быть пояснена с помощью рис. 1, где обозначено: ОУ—

Ц

А

П

ИУ

ОУ

Д
А

Ц

П

ЦСОИ

(МП)

объект управления; D — датчики, преобразующие измеряемые величины в электрическое напряжение; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦСОИ — цифровая система обработки информации (МП); ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь; ИУ — исполнительное устройство, формирующее сигналы управления.

АЦП производит преобразование аналогового сигнала, имеющего бесконечное множество значений, в сигнал с конечным множеством значений (квантование по уровню), а также его временную дискретизацию, т. е. преобразование сигнала, описываемого функцией непрерывного времени, в сигнал, представляемый функцией дискретного времени.
ЦАП производит обратное преобразование цифрового

сигнала в аналоговый.

Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность R (рис. 2) определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения

Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования t_с, т, е. интервалом времени от момента начала изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося двоичного кода. Точность преобразования характеризуется абсолютной погрешностью полной шкалы б_пш, нелинейностью б_л и дифференциальной нелинейностью б_лд.

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы б_ПШ определяется отклонением входного напряжения (тока) от номинального значения, соответствующего конечной точке характеристики преобразования. Измеряется б_ПШ в единицах младшего разряда преобразования (MP).

Дифференциальная нелинейность б_Лд оценивает отклонение ширины отдельной ступеньки от заданного значения.

В нашем случае при проработке АЦП ограничимся учетом значений R и б.

В зависимости от метода преобразования и способа его реализации известны много АЦП различных типов. В настоящее время разработаны АЦП с использованием методов последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного (двухкратного) интегрирования, с преобразованием напряжения в частоту, с преобразованием напряжения в интервал времени с помощью генератора линейно заменяющегося напряжения (ГЛИН), параллельного преобразования.

Схемы преобразователей, построенных на основе перечисленных методов, могут содержать или не содержать ЦАП.




ЛЭ

ГТИ

Схема АЦП последовательного счета — типа 1 — представлена на рис. 3. Здесь импульсы с генератора тактовых импульсов (ГТИ) при единичном выходном сигнале, компаратора через конъюктор (ЛЭ) заполняют счетчик (СТ), на выходе которого формируется код с нарастающим весом. Выходное напряжение с ЦАП, пропорциональное этому коду, поступает на компаратор, где сравнивается с U_BX Когда сигналы на входах компаратора (КН) будут равны, он переключается в нуль и запрещает доступ импульсов к счетчику. Выходной код счетчика при этом выдается на выходной регистр (R G) и является цифровым эквивалентом напряжения U_BX на выходе АЦП.

Данные АЦП имеют низкое быстродействие. Время одного полного такта равно Т_р = 2^п Тгти Например, для получения 10 разрядов выходного кода требуется время t_c =1024 Тгти • При Тгти =1 мкс, t_с = 1,024 мкс.

При выполнении курсовой работы по данному варианту (см. табл. 1) требуется разработать или подобрать интегральные микросхемы: ЙМС ГТИ, КН, ЛЭ, СТ, ЦАП; источник питания: ИП и, если надо, преобразователь уровней ПУ. Кроме этого, в соответствии с данными табл. 2 и 3 необходимо выполнить расчет ГТИ и ПУ.

Упрощенная функциональная схема АЦП последовательного приближения развертывающего действия — типа 2 — представлена на рис. 4. В данном АЦП реализуется пораз-

рядное уравновешивание, что по сравнению с АЦП типа 1 повышает быстродействие схемы. В АЦП типа 1 сравнение U_QX осуществляется со всеми возможными эталонными напряжениями (т. е. с(2^/г — 1) уровнями, а в АЦП типа 2 — только с п уровнями).

В АЦП типа 2 формируемый выходной код последовательно приближается к своему полному выражению: вначале определяется цифра в старшем, n-м, а затем в (п—1)-м разрядах и т. д.; процесс завершается младшим (первым) разрядом. Работа такого преобразователя основана на свойствах натурального двоичного кода, а именно: веса единиц в соседних разрядах отличаются вдвое; единица в старшем n-м разряде имеет вес больше половины веса всего кода, единица в следующем (п—1)-м разряде — вес больше четверти веса всего кода и т. д.

Схема работает следующим образом: по команде «пуск» логическое устройство (ЛУ) подает первый импульс от генератора импульсов (ГТИ) в сдвигающий регистр (RG_CдB) из п триггеров. Первый его триггер переключается и подает импульс в запоминающий регистр (RG)_y вызывая переключение триггера старшего разряда и появление на выходе 2""¹ напряжения логической L Этот же сигнал подается на вход старшего разряда ЦАП, и на его выходе появляется эталонное напряжение, равное 0,5 Е_9Т. Это напряжение сравнивается с напряжением сигнала £/_вх и, если £/_вх>0,5£_эт, то ЛУ подает следующий, второй импульс на вход RG_CAB. При этом в старшем разряде RG_WB остается записанной 1, и далее этап сравнения повторяется. Таким образом, формируется цифровой код на выходе АЦП, начиная со старшего разряда.

Для реализации АЦП типа 2 выпускаются ИМС К572ПВ1 и КП13ПВ1, подробно описанные в [1, 2, 3, 4, 5]. Совместно с внешними КН или ОУ, ИОН, ГТИ, резисторами, конденсаторами и ПУ на микросхеме К572 микросхемы К1113 выполняют функции АЦП.

При выполнении курсовой работы по' данному варианту (тип 2) требуется построить полную схему АЦП с подбором внешних устройств к ИМС К572 или КШЗ. Кроме этого, в соответствии с данными табл. 2 и 3 необходимо выполнить расчет ГТИ и ПУ.

В АЦП типа 3 двойного "интегрирования с реализацией в ИМС К572 ПВ2 [2, 3] используется метод предварительного преобразования напряжения во временной интервал, а затем измерения временного интервала в двоичном коде.

Преобразователь «напряжение — временной интервал — двоичный код» строится на использовании интегратора, так как при постоянном входном напряжении выходное напряжение генератора есть линейная функция времени:

На рис. 5 приведена структурная схема и временная диаграмма работы АЦП двойного интегрирования.

На первом этапе преобразования на вход интегратора через входной коммутатор подается напряжение U_BX и в течение фиксированного времени /₃ ~ ^m Тгти;» реализуется первое интегрирование, в результате которого на выходе интегратора устанавливается напряжение, пропорциональное Uвх

На втором этапе преобразования на вход интегратора через ключ (К_л)подается напряжение Е₀, знак которого противоположен знаку U_BX. Напряжение на выходе интегратора изменяется от Uвых_x до 0 в течение времени

При достижении на выходе интегратора нулевого уровня «нуль-компаратор» (КН) прекращает поступление тактовых импульсов на вход счетчика результата.

Из двух соотношений для определения tз и tр можно получить выражение, связывающее входное напряжение с результатами счетчика

где р — число импульсов, подсчитанных за время /_р;

т — число импульсов, подсчитанных за время t₃.

Таким образом, измеряемое напряжение U_BX будет пропорционально числу импульсов р, подсчитанных в период разрядки интегрирующего конденсатора. Это число в двоичном параллельном коде выдается на дешифратор.

Самым быстродействующим является АЦП параллельного преобразования — типа 4, структура которого приведена на рис. 6.


Достоинство такого преобразователя — высокое быстродействие, определяемое временем переключения компараторов. Частота преобразования может достигать 10—20 МГц при 3-разрядном выходном коде. Но такой АЦП весьма сложен. Если, например, напряжение сигнала составляет U_BX = = 10 В и отсчет должен производиться с погрешностью не выше 0,1%, то дискретизация сигнала должна осуществляться с шагом не более Д(/=0,01 В, а общее число уровней должно составлять
.Вследствие этого в АЦП должны входить 10³ компараторов, столько же прецизионных резисторов в делителе эталонного напряжения и более чем 3-10³ различных логических элементов, составляющих кодирующее устройство. Быстродействие обходится очень дорого. АЦП типа 4 реализуют с использованием ИМС КП07 ПВ1.

Схема АЦП с использованием преобразования «напряжение — временной интервал — двоичный код» с помощью генератора линейно изменяющего напряжение (ГЛИН) — типа 5 — приведена на рис. 7.

В рассматриваемом АЦП значению аналогового входного напряжения У_их ставится в соответствие временной интервал, длительность которого пропорциональна £/_вх. Этот интервал заполняется импульсами стабильной частоты, количество которых и является цифровым эквивалентом преобразуемого напряжения. Работает АЦП в соответствии с рассматриваемой схемой в следующем порядке.

Выходной импульс узла запуска (УЗ) обнуляет счетчик, устанавливает RS-триггер -в 1 и запускает ГЛИН. Конъюктор (ЛЭ) при наличии логической 1 с триггера (Т) пропускает импульсы ГТИ на счетчик (СТ), который ведет подсчет импульсов (интервал времени — входное напряжение).

Когда напряжение на выходе ГЛИН станет равным U_BX(U_BX const), на выходе компаратора (КН) появится логическая У, которая переключит триггер в логический 0. Нулевой сигнал от Т через ЛЭ прерывает подачу импульсов ГТИ на счетчик СТ. Длительность положительного импульса t_в на выходе Т пропорциональна U_BX, следовательно, при неизменной частоте ГТИ код, установившийся на выходе счетчика, является цифровым эквивалентом аналоговой величины.

При проработке АЦП типа 5 следует выполнить расчет ГТИ по данным табл. 2; ГЛИН, исходя из того, что U_вхмакс = = 10 В, и ПУ по данным табл. 3.

И, наконец, рассмотрим АЦП типа 6 с преобразованием

«напряжение — частота — двоичный код», структурная схема
которого показана на рис. 8.

Входное напряжение, интегрируется с помощью интегрирующего операционного усилителя (ДА). Интегрирование продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не превзойдет уровень + U_on (или —U_on), при достижении которого один из аналоговых компараторов формирует выходной импульс. Выходные импульсы используются для возврата интегратора в нулевое состояние при работе устройства управления (УУ) и ключей (К_к). Это приводит к тому, что величина, равная числу импульсов, генерируемых в секунду, т. е. 'частота, становится пропорциональной уровню входного сигнала Uвх Эти импульсы затем могут быть

подсчитаны двоичным счетчиком в течение фиксированного интервала времени. Результат счета, соответствующий концу этого интервала, пропорционален уровню входного напряжения. Метод преобразования «напряжение—частота» реализован в ИМС КРП08 ПП1.

следующая страница>