Міністерство освіти Російської Федерації
Уральський Державний технічний університет
Кафедра Автоматика і управління в технічних системах
Реферат
Нами була розроблена система аналого-цифрового перетворення швидкоплинних аналогового сигналу в паралельний восьмирозрядний код, система перетворення паралельного цифрового коду в послідовний цифровий код, а також система управління даними перетворювачем. Були розроблені структурна і принципова схеми системи.
Розроблена система дозволяє вимірювати вхідну напругу в діапазоні U вх = -2,5 .. 2,5 В з похибкою ± 0,01 В. Також передбачена схема захисту входу АЦП від перевантажень.
Генератор тактових імпульсів видає сигнал з частотою f = 1 МГц, що дозволяє виробляти 100.000 вимірювань в секунду (по десять тактів на вимір). Висока швидкість дозволяє вимірювати короткочасні зміни напруги.
У схемі передбачено тимчасовий буфер для зберігання даних і перетворювач паралельного коду в послідовний, що дає можливість передавати дані по лінії зв'язку (наприклад на комп'ютер) для їх подальшої обробки.
Система управління дозволяє синхронізувати роботу всієї схеми. Вона керує роботою мікросхем подаючи сигнали управління в певний час відповідним мікросхем.
Дана система перетворення може бути використана в багатьох пристроях і системах виміру, де потрібна висока швидкість вимірювання при досить малої похибки вимірювання.
Схема містить досить добре поширені елементи і мікросхеми, і може бути зібрана в ручну. Схема містить елементи підстроювання.
Проект містить 20 стор, 3 табл., 11 рис., 1 стор програми, 8 назв. бібл.
Введення
У наш час великого поширення набули цифрові системи обробки сигналів. Для цього необхідний перетворювач аналогового сигналу в цифровий код.
У даному проекті необхідно розробити швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач з тимчасовим буфером для зберігання даних і перетворювач паралельного цифрового коду в послідовний цифровий код. Так само необхідно розробити систему управління даними перетворювачем.
Даний курсовий проект присвячений розробці структурної та принципової схем такого перетворювача.
1. Структурна схема
Структурна схема перетворювача аналогового сигналу в послідовний код містить такі елементи:
ЗУ - схема включення согласующего операційного підсилювача
АЦП - аналого-цифровий перетворювач (перетворювач аналогового сигналу в паралельний восьмирозрядний код)
ПК - перетворювач паралельного восьмирозрядного коду в послідовний
ГТВ - ставить генератор тактових імпульсів
УУ - пристрій управління перетворювачем
Рис. 1. Структурна схема перетворювача
де
АС - аналоговий сигнал (напруга U вх)
САС - погоджений аналоговий сигнал
ПВК - паралельний восьмирозрядний код
ЦК - цифровий код (послідовний код)
ІС - імпульси синхронізації (тактові імпульси)
ІУ - імпульси управління
2. Принципова схема
На основі структурної схеми була розроблена принципова схема.
2.1 Вибір основної елементної бази
Генератор тактових імпульсів будується на мікросхемі К155ЛА3 і кварцовому резонаторі ZQ1.
Лічильник імпульсів представляє з себе мікросхему К555ІЕ9.
Пристрій управління будується на логічних елементах - мікросхеми К555ЛН1, К555ЛІ6 і К555ЛА2.
У якості АЦП візьмемо мікросхему К1108ПВ1А.
Перетворювач паралельного коду в послідовний побудуємо на мікросхемі К555ІР9.
Схема сполучення містить операційний підсилювач типу К574УД1.
В якості лінії зв'язку використовується 2-х провідна вита пара типу МГТФ.
Перелік елементів представлений в додатку.
2.2 Аналого-цифровий перетворювач (АЦП)
Ми використовуємо мікросхему швидкодіючого функціонально закінченого АЦП послідовного наближення К1108ПВ1А призначену для перетворення аналогового сигналу в двійковий паралельний цифровий код.
Мікросхема розрахована на перетворення однополярного вхідної напруги в діапазоні від 0 до 3 В, при максимальній частоті перетворення 1,33 МГц для восьмирозрядного режиму.
Для роботи АЦП К1108ПВ1А потрібно кілька зовнішніх керамічних конденсаторів і джерела напруги U cc 1 = 5 В ± 5% і U cc 2 = -5,2 В ± 5%. Потужність споживана від джерел живлення, не перевищує 0,85 Вт Конденсатор С9 необхідний для частотної корекції ОУ та фільтрації перешкод.
Для роботи в восьмирозрядному режимі вхід SE10 / 8 з'єднується з шиною негативного джерела живлення U cc 2.
Цикл перетворення в режимі восьмирозрядного АЦП складається з 10 тактів (вісім робітників у процесі кодування і по одному службовому на початку і наприкінці циклу перетворення).
Цикл починається з першим негативним фронтом тактового імпульсу після надходження команди ST. Під час першого службового такту здійснюється скидання регістрів і встановлення напруги на вході селектора опорних рівнів.
Протягом наступних восьми тактів відбувається кодування аналогового сигналу за умови, що він зафіксований на вході АЦП.
На десятому такті код з регістру зберігання переписується у вихідний регістр, після чого формується сигнал готовності даних. Поява на виході RAD сигналу логічний 0 свідчить про зміну інформації у вихідному регістрі і її зберіганні весь наступний цикл перетворення.
Для зчитування інформації необхідно подати на вхід ERD сигнал логічний 0.
Запуск АЦП вважається стійким, якщо сигнал ST подається протягом одного періоду тактовою частоти з моменту початку чергового циклу (t = 1 мкс).
До ТТЛ ЦІС мікросхема К1108ПВ1А підключається без додаткових пристроїв сполучення.
Рис. 2. ІС К1108ПВ1А
Призначення висновків ІС К1108ПВ1А
1. Цифровий вихід CP
2. Цифровий вихід
3. Цифровий вихід
4. Цифровий вихід
5. Цифровий вихід
6. Цифровий вихід
7. Цифровий вихід
8. Цифровий вихід
9. Цифровий вихід
10. Цифровий вихід MP
11. Готовність даних RAD
12. Напруга живлення U cc 2
13. Скорочений цикл SE10 / 8
14. Загальний (цифрова земля)
15. Напруга живлення U cc 2
16. Корекція СУ EC 1
17. Аналоговий вхід U IRN
18. Зовнішній ІОН U REF
19. Корекція ОУ ІОН FC 2
20. Загальний (аналогова земля)
21. Напруга живлення U cc 1
22. Запуск ST
23. Тактовий вхід CLK
24. Дозвіл зчитування ERD
Мікросхема К1108ПВ1А має наступні характеристики
(U cc 1 = 5,25 В; U cc 1 = -5,25 В; U 1 вих ³ 2,4 В; U 0 вих £ 0,4 В; I потр СС1 £ 50 мА;
I потр СС2 £ 130 мА; I 0 вх £ 2,5 мА; I 1 вх £ 0,4 мА; I 0 вих ³ 3,2 мА; I 1 вих ³ 0,1 мА; t ЗДР £ 60 нс)
Споживана потужність мікросхеми К1108ПВ1А дорівнює: P потр £ 850 мВт
2.3 Перетворювач паралельного коду в послідовний код
Для цієї мети використовується восьмирозрядний зсувний регістр К555ІР9 (DD6). Цей регістр дозволяє записувати паралельний восьмирозрядний код. Перетворення паралельного коду в послідовний відбувається за вісім тактів подаються на синхронизирующий вхід С. На першому такті подається на вхід С паралельний восьмирозрядний код записується як Q 0 ¸ Q 7 (Q i - стан виходу i-го розряду), для цього подаємо низький потенціал на вхід ® WR перемикаючи тим самим регістр в режим запису. На першому такті значення Q 7 передається на вихід. На другому такті подається на С паралельний код Q 0 ¸ Q 7 зсувається на один розряд Q 0 ® Q 1, Q 1 ® Q 2, ..., Q 6 ® Q 7. Послідовний вхід D ® заземлює, тому в перший розряд записується нуль (Q 0 = 0). На виході з'являється наступний імпульс. За вісім тактів весь код виходить з регістра послідовно. Висновок DE не використовуємо і теж заземлювати.
2. Тактовий вхід C
3. Вхід D4
4. Вхід D5
5. Вхід D6
6. Вхід D7
7. Інверсний вихід Q7
8. Загальний GND
9. Прямий вихід Q7
10. Послідовний вхід D ®
11. Вхід D0
12. Вхід D1
13. Вхід D2
14. Вхід D3
15. Затримка такту DE
16. Харчування U cc
Таблиця істинності ІС К555ІР9
Таблиця 1
Мікросхема К555ІР9 має наступні характеристики
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 0,5 В; U 0 вих ³ 2,4 В; I потр £ 20 мА; I 0 вх £ 0,4 мА; I 1 вх £ 0,02 мА ;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -2,6 мА; t ЗДР £ 65 нс)
Споживана потужність мікросхеми К555ІР9 дорівнює: P потр = 105 мВт
2.4 Схема включення согласующего операційного підсилювача
Ми використовуємо схему підключення согласующего операційного підсилювача для перетворення двополярного вхідного напруги. У ній використовується инвертирующий режим посилення (по відношенню до U вх) і діодний схем захисту АЦП при перевантаженнях. Напруга на вході АЦП пов'язано з вхідним сигналом наступним співвідношенням
U IRN = - K × U вх + (1 + K) × U REF1
де K = R 4 / (R 5 + R 6) - коефіцієнт передачі підсилювача
U REF 1 - опорна напруга на не інвертуючому вході ОП (задається подільником R1-R3)
У нашому випадку для діапазону перетворення U вх = ± 2,5 В вибираються До = 0,58 та опорний рівень U REF 1 = 0,905 В (при U REF = 2,5 В). Налаштування коефіцієнта передачі здійснюється опором резистора R5, після чого резистором R2 встановлюється нуль на середину передавальної характеристики АЦП.
При U вх = 2,5 В на АЦП з'являється вихідний код 00 .. 00, а при U вх =- 2,5 В - код 11 .. 11.
Таким чином, на виході перетворювача отримуємо зворотний зміщений двійковий код.
Схема захисту входу АЦП від перевантажень працює наступним чином. Діоди VD1 і VD2, включені паралельно резистору зворотного зв'язку R4, утворюють двосторонній обмежувач. Діод VD4 і стабілітрон VD3, зміщені постійним струмом від джерел 15 і-15В, задають рівні обмеження в негативній і позитивної областях (щодо U REF 1).
Діод VD5 забезпечує захист входу АЦП у разі відключення джерел харчування ОУ або виходу його з ладу.
Дана схема включення согласующего ОУ універсальна і дозволяє використовувати АЦП К1108ПВ1А в режимі максимальної швидкодії. При роботі БІС АЦП з швидкодіючим ЗУ типу К574УД1, ретельному монтажі і оптимальною схемою корекції ОУ час встановлення процесів в узгоджуючої схемою на рівні 0,1% не перевищує 1 мкс.
Рис. 4. Схема включення согласующего ОУ
У даній схемі використовуються наступні елементи:
VD1, VD2, VD4, VD5 - діоди типу КД520А
VD3 - стабілітрон типу КС133А
А - операційний підсилювач типу К574УД1
Операційний підсилювач типу К574УД1 має наступні характеристики
U cc = ± 15 В, U вих ³ 10 мВ; I вх £ 0,5 нА; I потр £ 10 мА
Споживана потужність становить P потр = 150 мВт
2.5 Схема управління АЦП і перетворювача коду
Схема управління (пристрій управління) складається з трьох частин:
1. Генератор тактових імпульсів на кварцовому резонаторі
2. Двійково-десятковий лічильник
3. Схема управління на логічних елементах «НЕ», «І» та «І-НЕ»
Для схеми управління ми використовуємо наступні мікросхеми: К555ІЕ9, К555ЛІ6, К555ЛН1, К555ЛА2 і К155ЛА3.
З генератора імпульсів йдуть такти стабільної частоти. Вони подаються на вхід синхронізації двійково-десяткового лічильника. Лічильник виробляє рахунок від нуля до дев'яти. Отриманий з виходу лічильника чотирирозрядний код подається на логічні елементи. Перший імпульс подається на вхід запуску АЦП приводячи його в стан готовності. Далі вісім тактів АЦП перетворить аналоговий сигнал з входу в паралельний восьмирозрядний код, а регістр у свою чергу перетворює паралельний восьмирозрядний код попереднього циклу в послідовний код і видає його в лінію зв'язку. На десятому такті з логічних елементів йде сигнал на зчитування коду з виходу АЦП і одночасно на регістр, для зчитування наступного паралельного восьмирозрядного коду.
Всі мікросхеми синхронізовані одним тактовим генератором.
2.5.1 Генератор тактових імпульсів
Як генератор тактових імпульсів використовуємо кварцовий автогенератор. Генератор будуємо на трьох елементах «І-НЕ». Кварцовий генератор забезпечує Високостабільний сигнал. Нестабільність вихідного сигналу не перевищує ± (5 ¸ 10) × 10 -6 в інтервалі температур 10 ¸ 40 0 С. АЦП в восьмирозрядному режимі може працювати на частоті до 1,3 МГц. Підберемо такі ємності і резистори, щоб забезпечити потрібну частоту. У нашому випадку частота буде дорівнює f = 1 МГц.
Рис. 5. Генератор тактових імпульсів
Так як на вхід CLK АЦП потрібно подавати інвертований сигнал то він підключається до першого виходу генератора, а всі інші - до другого виходу.
У схемі використовуються логічні елементи «І-НЕ» мікросхеми К155ЛА3, які мають такі характеристики:
Призначення висновків ІС К155ЛА3
1. Вхід даних
2. Вхід даних
3. Вихід даних
4. Вхід даних
5. Вхід даних
6. Вихід даних
7. Загальний GND
8. Вихід даних
9. Вхід даних
10. Вхід даних
11. Вихід даних
12. Вхід даних
13. Вхід даних
14. Харчування U cc
Рис. 6. ІС К155ЛА3
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 2,4 В; U 0 вих £ 0,4 В; I потр £ 8,5 мА; I 0 вх £ 0,04 мА; I 1 вх £ 0, 25 мА;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -0,4 мА; t ЗДР £ 19 нс)
Споживана потужність для одного логічного елемента «І-НЕ» дорівнює: P потр = 44,625 мВт
Сумарна споживана потужність мікросхеми К155ЛА3 дорівнює:
P потр сум = 178,5 мВт
Даний лічильник є складовою частиною системи управління АЦП і перетворювача паралельного коду в послідовний. Його завдання полягає в рахунку від 0 до 9, перетворення послідовності тактових імпульсів в паралельний чотирирозрядний код, для подальшого перетворення його ТТЛ логікою в сигнали управління.
Тактові імпульси подаються з генератора на вхід С. Він працює по передньому фронту вхідного імпульсу (0 ® 1). Так як лічильник працює постійно, то нас не цікавить яке значення встановиться при його запуску, тобто попередній скидання лічильника в нуль не потрібно, тому на вхід R подамо потенціал високого рівня.
Попередній запис значення в лічильник по входах D1, D2, D3, D4 нас не цікавить тому необхідно ці висновки мікросхеми заземлити. Так як немає попереднього запису, то не потрібно і вхід дозволяє попередній запис V2. На цей висновок подамо потенціал високого рівня.
Висновок P2 видає високий рівень напруги через кожні десять тактів, коли значення в лічильнику дорівнює дев'яти (Q1 = Q4 = 1; Q2 = Q3 = 0). У нашій схемі ми його не використовуємо.
Висновок P1 використовується для дозволу переносу імпульсу в наступний каскад (якщо з'єднуються декілька лічильників послідовно). У нас тільки один лічильник тому на висновок P1 повинно постійно подаватися напруга високого рівня. На вхід дозволу рахунку V1 так само повинно подаватися напруга високого рівня.
Висновки P1, V1, V2, R - подаємо високий рівень напруги
Висновки D1, D2, D3, D4 - заземляти
Призначення висновків ІС К555ІЕ9
1. Вхід «установка L» R
2. Вхід синхронізації З
3. Вхід інформаційний D1
4. Вхід інформаційний D2
5. Вхід інформаційний D3
6. Вхід інформаційний D4
7. Вхід дозволу рахунку V1
8. Загальний GND
9. Вхід дозволу попереднім записом V2
10. Вхід дозволу переносу P1
11. Вихід четвертого розряду Q4
12. Вихід третього розряду Q3
13. Вихід другого розряду Q2
14. Вихід першого розряду Q1
15. Вихід перенесення
16. Харчування U cc
Уральський Державний технічний університет
Кафедра Автоматика і управління в технічних системах
АЦП із проміжним буфером при високій швидкості надходження даних
Єкатеринбург 2008Реферат
Нами була розроблена система аналого-цифрового перетворення швидкоплинних аналогового сигналу в паралельний восьмирозрядний код, система перетворення паралельного цифрового коду в послідовний цифровий код, а також система управління даними перетворювачем. Були розроблені структурна і принципова схеми системи.
Розроблена система дозволяє вимірювати вхідну напругу в діапазоні U вх = -2,5 .. 2,5 В з похибкою ± 0,01 В. Також передбачена схема захисту входу АЦП від перевантажень.
Генератор тактових імпульсів видає сигнал з частотою f = 1 МГц, що дозволяє виробляти 100.000 вимірювань в секунду (по десять тактів на вимір). Висока швидкість дозволяє вимірювати короткочасні зміни напруги.
У схемі передбачено тимчасовий буфер для зберігання даних і перетворювач паралельного коду в послідовний, що дає можливість передавати дані по лінії зв'язку (наприклад на комп'ютер) для їх подальшої обробки.
Система управління дозволяє синхронізувати роботу всієї схеми. Вона керує роботою мікросхем подаючи сигнали управління в певний час відповідним мікросхем.
Дана система перетворення може бути використана в багатьох пристроях і системах виміру, де потрібна висока швидкість вимірювання при досить малої похибки вимірювання.
Схема містить досить добре поширені елементи і мікросхеми, і може бути зібрана в ручну. Схема містить елементи підстроювання.
Проект містить 20 стор, 3 табл., 11 рис., 1 стор програми, 8 назв. бібл.
Введення
У наш час великого поширення набули цифрові системи обробки сигналів. Для цього необхідний перетворювач аналогового сигналу в цифровий код.
У даному проекті необхідно розробити швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач з тимчасовим буфером для зберігання даних і перетворювач паралельного цифрового коду в послідовний цифровий код. Так само необхідно розробити систему управління даними перетворювачем.
Даний курсовий проект присвячений розробці структурної та принципової схем такого перетворювача.
1. Структурна схема
Структурна схема перетворювача аналогового сигналу в послідовний код містить такі елементи:
ЗУ - схема включення согласующего операційного підсилювача
АЦП - аналого-цифровий перетворювач (перетворювач аналогового сигналу в паралельний восьмирозрядний код)
ПК - перетворювач паралельного восьмирозрядного коду в послідовний
ГТВ - ставить генератор тактових імпульсів
УУ - пристрій управління перетворювачем
Рис. 1. Структурна схема перетворювача
де
АС - аналоговий сигнал (напруга U вх)
САС - погоджений аналоговий сигнал
ПВК - паралельний восьмирозрядний код
ЦК - цифровий код (послідовний код)
ІС - імпульси синхронізації (тактові імпульси)
ІУ - імпульси управління
2. Принципова схема
На основі структурної схеми була розроблена принципова схема.
2.1 Вибір основної елементної бази
Генератор тактових імпульсів будується на мікросхемі К155ЛА3 і кварцовому резонаторі ZQ1.
Лічильник імпульсів представляє з себе мікросхему К555ІЕ9.
Пристрій управління будується на логічних елементах - мікросхеми К555ЛН1, К555ЛІ6 і К555ЛА2.
У якості АЦП візьмемо мікросхему К1108ПВ1А.
Перетворювач паралельного коду в послідовний побудуємо на мікросхемі К555ІР9.
Схема сполучення містить операційний підсилювач типу К574УД1.
В якості лінії зв'язку використовується 2-х провідна вита пара типу МГТФ.
Перелік елементів представлений в додатку.
2.2 Аналого-цифровий перетворювач (АЦП)
Ми використовуємо мікросхему швидкодіючого функціонально закінченого АЦП послідовного наближення К1108ПВ1А призначену для перетворення аналогового сигналу в двійковий паралельний цифровий код.
Мікросхема розрахована на перетворення однополярного вхідної напруги в діапазоні від 0 до 3 В, при максимальній частоті перетворення 1,33 МГц для восьмирозрядного режиму.
Для роботи АЦП К1108ПВ1А потрібно кілька зовнішніх керамічних конденсаторів і джерела напруги U cc 1 = 5 В ± 5% і U cc 2 = -5,2 В ± 5%. Потужність споживана від джерел живлення, не перевищує 0,85 Вт Конденсатор С9 необхідний для частотної корекції ОУ та фільтрації перешкод.
Для роботи в восьмирозрядному режимі вхід SE10 / 8 з'єднується з шиною негативного джерела живлення U cc 2.
Цикл перетворення в режимі восьмирозрядного АЦП складається з 10 тактів (вісім робітників у процесі кодування і по одному службовому на початку і наприкінці циклу перетворення).
Цикл починається з першим негативним фронтом тактового імпульсу після надходження команди ST. Під час першого службового такту здійснюється скидання регістрів і встановлення напруги на вході селектора опорних рівнів.
Протягом наступних восьми тактів відбувається кодування аналогового сигналу за умови, що він зафіксований на вході АЦП.
На десятому такті код з регістру зберігання переписується у вихідний регістр, після чого формується сигнал готовності даних. Поява на виході RAD сигналу логічний 0 свідчить про зміну інформації у вихідному регістрі і її зберіганні весь наступний цикл перетворення.
Для зчитування інформації необхідно подати на вхід ERD сигнал логічний 0.
Запуск АЦП вважається стійким, якщо сигнал ST подається протягом одного періоду тактовою частоти з моменту початку чергового циклу (t = 1 мкс).
До ТТЛ ЦІС мікросхема К1108ПВ1А підключається без додаткових пристроїв сполучення.
Рис. 2. ІС К1108ПВ1А
Призначення висновків ІС К1108ПВ1А
1. Цифровий вихід CP
2. Цифровий вихід
3. Цифровий вихід
4. Цифровий вихід
5. Цифровий вихід
6. Цифровий вихід
7. Цифровий вихід
8. Цифровий вихід
9. Цифровий вихід
10. Цифровий вихід MP
11. Готовність даних RAD
12. Напруга живлення U cc 2
13. Скорочений цикл SE10 / 8
14. Загальний (цифрова земля)
15. Напруга живлення U cc 2
16. Корекція СУ EC 1
17. Аналоговий вхід U IRN
18. Зовнішній ІОН U REF
19. Корекція ОУ ІОН FC 2
20. Загальний (аналогова земля)
21. Напруга живлення U cc 1
22. Запуск ST
23. Тактовий вхід CLK
24. Дозвіл зчитування ERD
Мікросхема К1108ПВ1А має наступні характеристики
(U cc 1 = 5,25 В; U cc 1 = -5,25 В; U 1 вих ³ 2,4 В; U 0 вих £ 0,4 В; I потр СС1 £ 50 мА;
I потр СС2 £ 130 мА; I 0 вх £ 2,5 мА; I 1 вх £ 0,4 мА; I 0 вих ³ 3,2 мА; I 1 вих ³ 0,1 мА; t ЗДР £ 60 нс)
Споживана потужність мікросхеми К1108ПВ1А дорівнює: P потр £ 850 мВт
2.3 Перетворювач паралельного коду в послідовний код
Для цієї мети використовується восьмирозрядний зсувний регістр К555ІР9 (DD6). Цей регістр дозволяє записувати паралельний восьмирозрядний код. Перетворення паралельного коду в послідовний відбувається за вісім тактів подаються на синхронизирующий вхід С. На першому такті подається на вхід С паралельний восьмирозрядний код записується як Q 0 ¸ Q 7 (Q i - стан виходу i-го розряду), для цього подаємо низький потенціал на вхід ® WR перемикаючи тим самим регістр в режим запису. На першому такті значення Q 7 передається на вихід. На другому такті подається на С паралельний код Q 0 ¸ Q 7 зсувається на один розряд Q 0 ® Q 1, Q 1 ® Q 2, ..., Q 6 ® Q 7. Послідовний вхід D ® заземлює, тому в перший розряд записується нуль (Q 0 = 0). На виході з'являється наступний імпульс. За вісім тактів весь код виходить з регістра послідовно. Висновок DE не використовуємо і теж заземлювати.
Рис. 3. ІС К555ІР9
Призначення висновків ІС К555ІР9
1. Запис-читання ® WR2. Тактовий вхід C
3. Вхід D4
4. Вхід D5
5. Вхід D6
6. Вхід D7
7. Інверсний вихід Q7
8. Загальний GND
9. Прямий вихід Q7
10. Послідовний вхід D ®
11. Вхід D0
12. Вхід D1
13. Вхід D2
14. Вхід D3
15. Затримка такту DE
16. Харчування U cc
Таблиця істинності ІС К555ІР9
Таблиця 1
| Входи | Виходи | ||||||
| WR | DE | C | D ® | D0-D7 | Q0 | Q1 | Q7 |
| L | X | X | X | d0-d7 | d0 | d1 | d7 |
| H | L | L | X | X | Q00 | Q10 | Q70 |
| L | H | X | H | Q0n | Q6n | ||
| L | L | X | L | Q0n | Q6n | ||
| H | H | X | X | X | Q00 | Q10 | Q70 |
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 0,5 В; U 0 вих ³ 2,4 В; I потр £ 20 мА; I 0 вх £ 0,4 мА; I 1 вх £ 0,02 мА ;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -2,6 мА; t ЗДР £ 65 нс)
Споживана потужність мікросхеми К555ІР9 дорівнює: P потр = 105 мВт
2.4 Схема включення согласующего операційного підсилювача
Ми використовуємо схему підключення согласующего операційного підсилювача для перетворення двополярного вхідного напруги. У ній використовується инвертирующий режим посилення (по відношенню до U вх) і діодний схем захисту АЦП при перевантаженнях. Напруга на вході АЦП пов'язано з вхідним сигналом наступним співвідношенням
U IRN = - K × U вх + (1 + K) × U REF1
де K = R 4 / (R 5 + R 6) - коефіцієнт передачі підсилювача
U REF 1 - опорна напруга на не інвертуючому вході ОП (задається подільником R1-R3)
У нашому випадку для діапазону перетворення U вх = ± 2,5 В вибираються До = 0,58 та опорний рівень U REF 1 = 0,905 В (при U REF = 2,5 В). Налаштування коефіцієнта передачі здійснюється опором резистора R5, після чого резистором R2 встановлюється нуль на середину передавальної характеристики АЦП.
При U вх = 2,5 В на АЦП з'являється вихідний код 00 .. 00, а при U вх =- 2,5 В - код 11 .. 11.
Таким чином, на виході перетворювача отримуємо зворотний зміщений двійковий код.
Схема захисту входу АЦП від перевантажень працює наступним чином. Діоди VD1 і VD2, включені паралельно резистору зворотного зв'язку R4, утворюють двосторонній обмежувач. Діод VD4 і стабілітрон VD3, зміщені постійним струмом від джерел 15 і-15В, задають рівні обмеження в негативній і позитивної областях (щодо U REF 1).
Діод VD5 забезпечує захист входу АЦП у разі відключення джерел харчування ОУ або виходу його з ладу.
Дана схема включення согласующего ОУ універсальна і дозволяє використовувати АЦП К1108ПВ1А в режимі максимальної швидкодії. При роботі БІС АЦП з швидкодіючим ЗУ типу К574УД1, ретельному монтажі і оптимальною схемою корекції ОУ час встановлення процесів в узгоджуючої схемою на рівні 0,1% не перевищує 1 мкс.
Рис. 4. Схема включення согласующего ОУ
У даній схемі використовуються наступні елементи:
VD1, VD2, VD4, VD5 - діоди типу КД520А
VD3 - стабілітрон типу КС133А
А - операційний підсилювач типу К574УД1
Операційний підсилювач типу К574УД1 має наступні характеристики
U cc = ± 15 В, U вих ³ 10 мВ; I вх £ 0,5 нА; I потр £ 10 мА
Споживана потужність становить P потр = 150 мВт
2.5 Схема управління АЦП і перетворювача коду
Схема управління (пристрій управління) складається з трьох частин:
1. Генератор тактових імпульсів на кварцовому резонаторі
2. Двійково-десятковий лічильник
3. Схема управління на логічних елементах «НЕ», «І» та «І-НЕ»
Для схеми управління ми використовуємо наступні мікросхеми: К555ІЕ9, К555ЛІ6, К555ЛН1, К555ЛА2 і К155ЛА3.
З генератора імпульсів йдуть такти стабільної частоти. Вони подаються на вхід синхронізації двійково-десяткового лічильника. Лічильник виробляє рахунок від нуля до дев'яти. Отриманий з виходу лічильника чотирирозрядний код подається на логічні елементи. Перший імпульс подається на вхід запуску АЦП приводячи його в стан готовності. Далі вісім тактів АЦП перетворить аналоговий сигнал з входу в паралельний восьмирозрядний код, а регістр у свою чергу перетворює паралельний восьмирозрядний код попереднього циклу в послідовний код і видає його в лінію зв'язку. На десятому такті з логічних елементів йде сигнал на зчитування коду з виходу АЦП і одночасно на регістр, для зчитування наступного паралельного восьмирозрядного коду.
Всі мікросхеми синхронізовані одним тактовим генератором.
2.5.1 Генератор тактових імпульсів
Як генератор тактових імпульсів використовуємо кварцовий автогенератор. Генератор будуємо на трьох елементах «І-НЕ». Кварцовий генератор забезпечує Високостабільний сигнал. Нестабільність вихідного сигналу не перевищує ± (5 ¸ 10) × 10 -6 в інтервалі температур 10 ¸ 40 0 С. АЦП в восьмирозрядному режимі може працювати на частоті до 1,3 МГц. Підберемо такі ємності і резистори, щоб забезпечити потрібну частоту. У нашому випадку частота буде дорівнює f = 1 МГц.
Рис. 5. Генератор тактових імпульсів
Так як на вхід CLK АЦП потрібно подавати інвертований сигнал то він підключається до першого виходу генератора, а всі інші - до другого виходу.
У схемі використовуються логічні елементи «І-НЕ» мікросхеми К155ЛА3, які мають такі характеристики:
Призначення висновків ІС К155ЛА3
1. Вхід даних
2. Вхід даних
3. Вихід даних
4. Вхід даних
5. Вхід даних
6. Вихід даних
7. Загальний GND
8. Вихід даних
9. Вхід даних
10. Вхід даних
11. Вихід даних
12. Вхід даних
13. Вхід даних
14. Харчування U cc
Рис. 6. ІС К155ЛА3
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 2,4 В; U 0 вих £ 0,4 В; I потр £ 8,5 мА; I 0 вх £ 0,04 мА; I 1 вх £ 0, 25 мА;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -0,4 мА; t ЗДР £ 19 нс)
Споживана потужність для одного логічного елемента «І-НЕ» дорівнює: P потр = 44,625 мВт
Сумарна споживана потужність мікросхеми К155ЛА3 дорівнює:
P потр сум = 178,5 мВт
2.5.2 Лічильник імпульсів
Використовуємо мікросхему К555ІЕ9 (DD7) чотирирозрядний двійково-десятковий лічильник з асинхронним скиданням, дешифрувальним рахунковим виходом, з можливістю асинхронної установки в довільне стан від нуля до дев'яти.Даний лічильник є складовою частиною системи управління АЦП і перетворювача паралельного коду в послідовний. Його завдання полягає в рахунку від 0 до 9, перетворення послідовності тактових імпульсів в паралельний чотирирозрядний код, для подальшого перетворення його ТТЛ логікою в сигнали управління.
Тактові імпульси подаються з генератора на вхід С. Він працює по передньому фронту вхідного імпульсу (0 ® 1). Так як лічильник працює постійно, то нас не цікавить яке значення встановиться при його запуску, тобто попередній скидання лічильника в нуль не потрібно, тому на вхід R подамо потенціал високого рівня.
Попередній запис значення в лічильник по входах D1, D2, D3, D4 нас не цікавить тому необхідно ці висновки мікросхеми заземлити. Так як немає попереднього запису, то не потрібно і вхід дозволяє попередній запис V2. На цей висновок подамо потенціал високого рівня.
Висновок P2 видає високий рівень напруги через кожні десять тактів, коли значення в лічильнику дорівнює дев'яти (Q1 = Q4 = 1; Q2 = Q3 = 0). У нашій схемі ми його не використовуємо.
Висновок P1 використовується для дозволу переносу імпульсу в наступний каскад (якщо з'єднуються декілька лічильників послідовно). У нас тільки один лічильник тому на висновок P1 повинно постійно подаватися напруга високого рівня. На вхід дозволу рахунку V1 так само повинно подаватися напруга високого рівня.
Висновки P1, V1, V2, R - подаємо високий рівень напруги
Висновки D1, D2, D3, D4 - заземляти
Призначення висновків ІС К555ІЕ9
1. Вхід «установка L» R
2. Вхід синхронізації З
3. Вхід інформаційний D1
4. Вхід інформаційний D2
5. Вхід інформаційний D3
6. Вхід інформаційний D4
7. Вхід дозволу рахунку V1
8. Загальний GND
9. Вхід дозволу попереднім записом V2
10. Вхід дозволу переносу P1
11. Вихід четвертого розряду Q4
12. Вихід третього розряду Q3
13. Вихід другого розряду Q2
14. Вихід першого розряду Q1
15. Вихід перенесення
16. Харчування U cc
Рис. 7. ІС К555ІЕ9
Таблиця 2. Таблиця робочих станів ІС К555ІЕ9
Входи | Виходи | Стан | |||||
| R | V2 | V1 | P1 | C | D1-D4 | Q1-Q4 | |
| L | X | X | X | X | X | L | Установка в L |
| H | L | X | X | D | D | Передуватиме. запис | |
| H | H | H | H | X | Y +1 | Рахунок (+1) | |
| H | H | L | X | X | X | Q (n-1) | Заборона рахунки (Зберігання) |
| H | H | X | L | X | X | ||
Таблиця 3. Таблиця істинності ІС К555ІЕ9
Вхід | Виходи | ||||
| P1 | Q4 | Q3 | Q2 | Q1 | P2 |
| L | H | X | X | H | L |
| H | H | X | X | H | H |
| X | Будь-який код менше 9 | L | |||
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 2,7 У; U 0 вих £ 0,5 В; I потр £ 31 мА; I 0 вх ³ -0,4 мА; I 1 вх £ 0,02 мА;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -0,4 мА; t ЗДР £ 39 нс)
Споживана потужність мікросхеми К555ІЕ9 дорівнює: P потр = 162,75 мВт
2.5.3 Пристрій керування на логічних елементах
Чотирирозрядний код з двійково-десяткового лічильника подається на логічні елементи. Якщо код дорівнює нулю, то спрацьовує перший елемент «І» (DD3.1) і імпульс подається на АЦП, на вхід запуску ST. Так як з елемента «І» (DD3.1) імпульс іде не інвертований, то перед ST необхідно поставити інвертор - логічний елемент «НЕ» (DD2.5).
Якщо на виході лічильника з'являється код рівний дев'яти, то спрацьовує другий елемент «І» (DD3.2). Подаємо імпульс з виходу «І» (DD3.2) відразу на п'ять входів елемента «І-НЕ» (DD4). Це співпадає з виходом на виведенні RAD АЦП логічного нуля. Інвертуємо цей імпульс елементом «НЕ» (DD2.6) і подаємо на три залишилися входу елемента «І-НЕ» (DD4). Інвертований імпульс подається відразу на два висновки, на висновок ERD зчитування даних з АЦП і висновок запису ® WR регістру.
Рис. 8. Пристрій керування на логічних елементах
Пристрій керування на логічних елементах містить наступні мікросхеми: К555ЛН1, К555ЛІ6, К555ЛА2
Рис. 9. ІС К555ЛН1
Призначення висновків ІС К555ЛН1
1. Вхід даних
2. Вихід даних
3. Вхід даних
4. Вихід даних
5. Вхід даних
6. Вихід даних
7. Загальний GND
8. Вихід даних
9. Вхід даних
10. Вихід даних
11. Вхід даних
12. Вихід даних
13. Вхід даних
14. Харчування U cc
Мікросхема К555ЛН1 (інвертор) має наступні характеристики
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 2,7 У; U 0 вих £ 0,5 В; I потр £ 2,4 мА; I 0 вх ³ -0,36 мА; I 1 вх £ 0 , 02 мА;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -0,4 мА; t ЗДР £ 28 нс)
Споживана потужність для одного логічного елемента "НЕ" дорівнює:
P потр = 12,6 мВт
Сумарна споживана потужність мікросхеми К555ЛН1 дорівнює:
P потр сум = 75,6 мВт
Рис. 10. ІС К555ЛІ6
Призначення висновків ІС К555ЛІ6
1. Вхід даних
2. Вхід даних
3. Вихід даних
4. Вхід даних
5. Вхід даних
6. Не використовується
7. Загальний GND
8. Вихід даних
9. Вхід даних
10. Вхід даних
11. Не використовується
12. Вхід даних
13. Вхід даних
14. Харчування U cc
Мікросхема К555ЛІ6 має наступні характеристики
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 2,7 У; U 0 вих £ 0,5 В; I потр £ 2,4 мА; I 0 вх ³ -0,36 мА; I 1 вх £ 0 , 02 мА;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -0,4 мА; t ЗДР £ 24 нс)
Споживана потужність для одного логічного елемента «І» дорівнює:
P потр = 12,6 мВт
Сумарна споживана потужність мікросхеми К555ЛІ6 дорівнює:
P потр сум = 25,2 мВт
Призначення висновків ІС К555ЛА2
Рис. 11. ІС К555ЛА2
1. Вхід даних
2. Вхід даних
3. Вхід даних
4. Вхід даних
5. Вхід даних
6. Вхід даних
7. Загальний GND
8. Вихід даних
9. Не використовується
10. Не використовується
11. Вхід даних
12. Вхід даних
13. Не використовується
14. Харчування U cc
Мікросхема К555ЛА2 має наступні характеристики
(U cc = 5,25 В; U 1 вих ³ 2,7 У; U 0 вих £ 0,5 В; I потр £ 0,5 мА; I 0 вх ³ -0,4 мА; I 1 вх £ 0 , 02 мА;
I 0 вих ³ 8 мА; I 1 вих £ -0,4 мА; t ЗДР £ 28 нс)
Споживана потужність мікросхеми К555ЛА2 дорівнює:
P потр = 2,625 мВт
Загальна споживана потужність пристрою керування на логічних елементах дорівнює: P потр рез = 103,425 мВт
3. Конструктивне виконання системи
Всі мікросхеми та елементи системи перетворення і управління монтуються на стандартній друкованій платі. Як матеріал для друкованої плати використовується фольгований текстоліт або гетинакс.
Харчування у вигляді +5,25 В, -5,25 В, +15 В, -15 У подається по роз'єму XS1 до всіх мікросхем через конденсаторні фільтри для запобігання елементів від згоряння внаслідок перепадів напруги.
Мікросхеми розташовуються по координатній сітці з кроком, відповідним кроку між висновками мікросхем.
Для запобігання окислення контактів, друкована плата покривається нітролаком або каніфольний лаком.
Висновок
У результаті проведеної роботи ми отримали високошвидкісний перетворювач аналогового сигналу в цифровий код. Були розроблені структурна і принципова схеми перетворювача, а також системи управління перетворювача. Принципова схема містить 7 мікросхем, 1 операційний підсилювач, 5 діодів, 10 резисторів, 9 конденсаторів, 1 кварцовий резонатор. Всі елементи є добре поширеними і доступними для використання.
Список літератури
1. Федорков Б.Г., Телець В.А. Мікросхеми ЦАП і АЦП: функціонування, параметри, застосування. - М.; Вища школа, 1990.2. Єрофєєв Ю.М. Імпульсні пристрої. - М.; Вища школа, 1989.
3. Шило В.Л. Популярні цифрові мікросхеми.-М.; Радіо і зв'язок, 1987.
4. Мальцев П.П., Долідзе Н.С., Критенко М.І. Цифрові інтегральні мікросхеми: Довідник.-М.; Радіо і зв'язок, 1994.
5. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Інтегральні мікросхеми ТТЛ, ТТЛШ: Довідник.-М.; Машинобудування, 1993.
6. Гусєв В.Г., Гусєв Ю.М. Електроніка. - М.; Вища школа, 1991.
7. Інтегральні мікросхеми: Довідник / Б.В. Тарабрін, Л.Ф. Лунін, Ю.М. Смирнов та ін; Під ред. Б.В. Тарабрина. - М. Радіо і зв'язок, 1984.
8. Довідник по напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем / Под ред. М.М. Горюнова. - М.; Енергія, 1977.