Розрахунки та проектування аналогово-цифрових та цифро-аналогових перетворювачів

Ім'я файлу: схемот.docx
Розширення: docx
Розмір: 956кб.
Дата: 12.09.2022
скачати
Пов'язані файли:
БЕМ 920в, 2-й курс, Шаруділова Д.П. «Карта індивідуального латер
Шляхи формування здорового способу життя засобами рухової активн
referat.docx
англ 1-3.docx
Індивідуальне завдання 2.docx
МКР2_АС-225_Чайка_А.О..docx

Міністерство освіти і науки України

Криворізький національний університет

Факультет інформаційних технологій

Кафедра комп’ютерних систем та мереж
КУРСОВИЙ ПРОЄКТ

з дисципліни «Комп’ютерна схемотехніка»

на тему: РОЗРАХУНКИ ТА ПРОЕКТУВАННЯ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВИХ ТА ЦИФРО-АНАЛОГОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ
Студента 3-го курсу групи КІ-19

спеціальності

123 «Комп’ютерна інженерія»

Білоус В. С.

Керівник

канд. техн. наук, доцент

Іщенко М. О.

Національна шкала:
Кількість балів:
Оцінка ECTS:

Члени комісії: М. О. Іщенко

(підпис) (прізвище та ініціали)

(підпис) (прізвище та ініціали)
м. Кривий Ріг – 2021 рік

( назва вищого навчального закладу )

Кафедра

Дисципліна

Спеціальність

(шифр і назва)

КурсГрупаСеместр

З А В Д А Н Н Я

НА КУРСОВИЙ ПРОЕКТ (РОБОТУ) СТУДЕНТА

(прізвище, ім’я, по батькові)

Тема проекту (роботи)

Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи)
Вихідні дані до проекту (роботи)

Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)

Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)

Дата видачі завдання

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ за/п	Назва етапів курсового проекту(роботи)	Термін виконання етапів проекту(роботи)	Примітка

Студент

(підпис)

Керівник проекту (роботи)

(підпис) (прізвище, ім’я, по батькові)

«»20р

Реферат

Пояснювальна записка: сторінок, 17 рисунків, 1 таблицю, 10 використаних джерел.

Об’єкт проектування – цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), аналого-цифровий перетворювач (АЦП).

Об’єкт теоретичного дослідження – Цифро-аналогові перетворювачі, аналого-цифрові перетворювачі, їх основні характеристики та принцип роботи.

Об’єкт розрахунково-практичного (схемотехнічного) дослідження - цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), аналого-цифровий перетворювач (АЦП), розрахунки основних характеристик.
Перший розділ присвячений розкриттю теми «Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворбювачі». Наведені визначення, основні характеристики пристроїв, принципи роботи.

Другий розділ є розрахунковим. У ньому розраховуються параметри АЦП та ЦАП, а саме частоту дискретизації f_Д, інтервал дискретизації Т_Д, число рівнів квантування L, довжину двійкового коду n, тривалість двійкового символу Т_б, відношення сигнал/шум p_кв для розрахованих параметрів, ймовірність допустимої помилки символу p_доп в каналі зв’язку.
Третій розділ є схемотехнічним. У ньому відбувається проектування та моделювання цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) та аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

Ключові слова:

Проектування, моделювання, ЦАП, АЦП, частота дискретизації, перетворювач, характеристики ЦАП та АЦП
Explanatory note: pages, 17 figures, 1 table, 10 sources used.

The object of design is a digital-to-analog converter (DAC), an analog-to-digital converter (ADC).

The object of theoretical research - Digital-to-analog converters, analog-to-digital converters, their main characteristics and principle of operation.

The object of calculation and practical (circuit) research - digital-to-analog converter (DAC), analog-to-digital converter (ADC), calculations of basic characteristics.

The first section is devoted to the disclosure of the topic "Analog-to-digital and digital-to-analog converters". Definitions, main characteristics of devices, principles of work are given.

The second section is calculated. It calculates the parameters of ADC and DAC, namely sampling frequency fD, sampling interval TD, number of quantization levels L, length of binary code n, duration of binary symbol Tb, signal-to-noise ratio pkv for calculated parameters, probability of permissible error of pd signal in channel connection.

The third section is circuit design. It designs and models a digital-to-analog converter (DAC) and an analog-to-digital converter (ADC).

Keywords:

Design, modeling, DAC, ADC, sampling rate, converter, DAC and ADC characteristics.

ЗМІСТ

Реферат 5

Завдання на курсовий проект 9

Список скорочень 10

Розділ 1 11

АНАЛОГОВО-ЦИФРОВІ ТА ЦИФРО-АНАЛОГОВІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ 11

1.1 Цифро-аналоговий перетворювач 11

1.2 Класифікація ЦАП(типи ЦАП). 11

1.3 Основні параметри ЦАП 11

1.4 Структурна схема ЦАП 12

1.5 Аналогово-цифровий перетворювач 13

1.6 Класифікація АЦП(типи АЦП). 13

1.7 Основні параметри АЦП: 13

1.8 Структурна схема АЦП 14

1.9 Дискретизація 15

1.10 Методи перетворення АЦП 17

Висновки за розділом 17

Розділ 2 18

РОЗРАХУНКИ ПАРАМЕТРІВ АЦП ТА ЦАП 18

2.1 Вихідні дані для розрахунків 18

Висновки за розділом 22

Розділ 3 23

ПОБУДОВА СХЕМ АЦП І ЦАП 23

3.1 Проектування ЦАП на основі матриці R-2R 23

3.2 Проектування АЦП на основі слідкуючого АЦП 29

Висновки за розділом 31

Висновок 32

Список використаної літератури 33

Курсовий проект складаєтся з трьох розділів: теоретичного, розрахунково-практичного, схемотехнічного.

Тема для теоретичного розділу: «Аналогово-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі». Дана тема є актуальною у зв’язку з використанням цифро-аналогових та аналогово-цифрових перетворювачів у електронних пристроях. У теоретичному розділі буде розкрито основні поняття, наведена класифікація перетворювачів, зазначені та розкриті поняття основних харктеристик даних пристроїв.

У розрахунково-практичному розділі будуть виконані розрахунки основних технічних параметрів цифро-аналогового перетоврювача (ЦАП) та аналогово-цифрового перетворювача (АЦП).

У схемотехнічному розділі буде виконане моделювання та побудова схем АЦП і ЦАП, а саме проектування ЦАП на основі R-2R матриці, проектування АЦП на основі слідкуючого АЦП.

Завдання на курсовий проект

Розрахунки та проектування аналогово-цифрових та цифро-аналогових перетворювачів.

Завдання на теоретичну частину: Необхідно навести тероретичні відомості та описати структурні схеми АЦП і ЦАП, принципу дії і особливостей роботи окремих блоків. Під час опису необхідно дати визначення основних параметрів, що характеризують кожний блок, і навести часові діаграми сигналів на входах і виходах блоків.

Завдання на практичну частину:

Побудувати схеми АЦП і ЦАП.

Список скорочень

ЦАП цифро-аналоговий перетворювач

АЦП аналого-цифровий перетворювач

FC Flowcode

Розділ 1

АНАЛОГОВО-ЦИФРОВІ ТА ЦИФРО-АНАЛОГОВІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

1.1 Цифро-аналоговий перетворювач

Цифро-аналоговий перетворювач(ЦАП) – електронний пристрій для перетворення цифрового сигналу в аналоговий.

1.2 Класифікація ЦАП(типи ЦАП).

Широтно-імпульсний модулятор;
ЦАП передискретизації;
ЦАП вісьового типу;
ЦАП сходового типу;
ЦАП зважування;
Ланцюгова R-2R схема ЦАП;
Сегментний ЦАП;
Гібридні ЦАП [1].

1.3 Основні параметри ЦАП

Розрядність - кількість різних рівнів вихідного сигналу, які ЦАП може відтворити. Задається в бітах, кількість біт є логарифм за основою 2 від кількості рівнів.

Максимальна частота дискретизації - максимальна частота, на якій ЦАП може працювати, видаючи на виході коректний результат. Виражається у герцах

Монотонність - властивість ЦАП збільшувати аналоговий вихідний сигнал при збільшенні вхідного коду.

THD + N (сумарні гармонійні спотворення + шум) - міра спотворень і шуму вносяться в сигнал Цапом. Виражаєтсья у відсотках потужності гармонік і шуму у вихідному сигналі.

Динамічний діапазон - співвідношення найбільшого і найменшого сигналів, які може відтворити ЦАП, виражається в децибелах [2].

Працюючи з ЦАП, важливими є статичні та частотні характеристики.

Статичні характеристики:

DNL (диференційна нелінійність) - характеризує, наскільки прирощення аналогового сигналу, отримане при збільшенні коду на 1 молодший значущий розряд (МЗР), відрізняється від правильного значення;
INL (інтегральна нелінійність) - характеризує, наскільки передатна характеристика ЦАП відрізняється від ідеальної. Ідеальна характеристика строго лінійна; INL показує, наскільки напруга на виході ЦАП при заданому коді відстоїть від лінійної характеристики; виражається в МЗР;
Посилення;
Зсув.

Частотні характеристики:

SNDR (відношення сигнал / шум + спотворення) - характеризує в децибелах відношення потужності вихідного сигналу до сумарної потужності шуму і гармонійних спотворень;
HDi (коефіцієнт i-ої гармоніки) - характеризує відношення i-ї гармоніки до основної гармоніці;
THD (коефіцієнт гармонійних спотворень) - відношення сумарної потужності всіх гармонік (крім першої) до потужності першої гармоніки [3].

1.4 Структурна схема ЦАП

Розглянему структурну схему ЦАП для підсумування струму.

Рисунок 1.1 – структурна схема ЦАП для підсумування струму

Схема реалізації ЦАП для підсумовування струму містить джерело стабільної напруги E₀, матрицю двійково-зважених резисторів (R * 2ⁱ) , набір ключів RE_i , що реалізовують розрядні коефіцієнти a_i і перетворювач струму в напругу на операційному підсилювачі ОП.

Зобразимо часову діаграму цифрово-аналогового перетворення [4].

Рисунок 1.2 – часова діагрма цифрово-аналогового перетворення
При малій кількості дискретних вибірок миттєвих значень сигналу, цей сигнал мало нагадує вихідний, однак може бути наближеним до нього шляхом аналогової фільтрації або інтерполяції [5].

1.5 Аналогово-цифровий перетворювач

Аналогово-цифровий перетворювач(АЦП) – електронний пристрій, який приймає вхідні аналогові сигнали та генерують відповідні до них цифрові сигнали, які придатні для обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями. Пристрій для перетворення аналогового сигналу в цифровий [6].

1.6 Класифікація АЦП(типи АЦП).

Лінійний АЦП;
Нелінійний АЦП;
АЦП прямого перетворення(паралельний АЦП);
АЦП послідовного наближення(АЦП з порозрядним врівноваженням);
АЦП диференціального кодування;
АЦП порівняння з зубчастим сигналом;
АЦП Уілкінсона;
Інтегруючий АЦП;
АЦП з урівноваженням заряду;
Двошвидкісний АЦП;
Конвеєрний АЦП;
Сигма-Дельта АЦП;
Слідкуючий АЦП.

1.7 Основні параметри АЦП:

Вхідний діапазон сигналу(діапазон виміру).

Частота дискретизації – параметр, який визначає кількість сигналів за секунду при перетворенні безперервного сигналу в дискретний сигнал. Виражається в герцах.

Розрядність - кількість різних рівнів вихідного сигналу, які АЦП може відтворити. Задається в бітах, кількість біт є логарифм за основою 2 від кількості рівнів.

Роздільна здатність - мінімальний квант вхідної напруги, за якої вихідний код змінюється на одиницю молодшого розряду.

Нелінійність – максимальне відхилення вихідного коду від розрахункового значення у всьому діапазоні шкали.

Абсолютна похибка – найбільше відхилення вихідного коду від розрахункового в кінцевій точці шкали.

Час перетворення - інтервал від моменту початку перетворення до появи на виході сталого коду; часто замість tпр швидкодія АЦП характеризується частотою перетворення.

Діапазон і полярність вхідної напруги, число джерел живлення, струм споживання, можливість спільної роботи з мікропроцессорами.

1.8 Структурна схема АЦП

Розглянемо структурну схему АЦП послідовного підрахунку.

Рисунок 1.3 – структурна схема АЦП послідовного підрахунку
До складу схеми входять: генератор тактових сигналів (G), компаратор напруги (КН), схема І, лічильник (ЛЧ), буферний регістр (БР), цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). Схема працює наступним чином. На вхід перетворювача подається аналоговий сигнал x(t) , який підключається до одного з входів компаратора напруги КН. На другий вхід компаратора подається еталонна напруга (U_em), яка формується на виході ЦАП під управлінням колового слова на виході ЛЧ. Компаратор формує на своєму виході сигнал або логічної одиниці, або логічного нуля в залежності від того, яке значення більше. Якщо U_em< x(t) , то на виході компаратора формується одиниця, яка дозволяє проходження імпульсів з тактового генератора через схему І на лічильний вхід лічильника ЛЧ. На виході лічильника йде процес підрахунку цих імпульсів в двійковому коді від 2⁰ до 2ⁿ^{- 1} . Двійковий код з ЛЧ подається на вхід ЦАП, на виході якого формується ступінчатий сигнал U_em. Кожна сходинка цього сигналу відповідає за рівнем інтервалу дискретизації q. Сигнал U_em порівнюється із сигналом x(t) і в момент, коли x(t) стає меншим за U_em , на виході компаратора формується сигнал логічного нуля. Схема І закривається, лічильник зупиняє підрахунок і набраний двійковий код переписується у вихідний буферний регістр БР для видачі користувачу.

1.9 Дискретизація

Процедура перетворення неперервних сигналів, яку реалізовують за допомогою АЦП, це перетворення неперервної функції часу, яка описує вхідний сигнал, у послідовність чисел, що віднесені до деяких фіксованих моментів часу.

Процес аналогово-цифрового перетворення можна поділити на дві окремі самостійні операції: квантування і дескретизацію.
Дискретизація – подання сигналу скінченною множиною миттєвих значень.

Рисунок 1.4 – дискретизація аналогового сигнала
Дискретизацією називають таке перетворення аналогового сигналу s(t), за якого його описують множиною миттєвих значень s(t_i) у фіксовані моменти часу t₁, t₁, ...t_n.

Миттєві значення s(t_i) дискретизованого сигналу називають відліками, а часовий інтервал Dt= t_i-t_i-1=T₀ між двома сусідніми відліками – інтервалом дискретизації.

Збільшення параметра інтервал дискретизації збільшує пропускну здатнітсь канала зв’язку, але тим самим збільшує похибку відтворення первинного сигнала s(t). Інтервал дискретизації вибирають згідно з тим, щоб за наявними відліками s(t_i), можна відтворити із заданою точністю первинну функцію s(t) на приймачі.

Умови вибору інтервалу дискретизації сигналу з обмеженим спектром визначає теорема відліків

Теорема відліків(теорема Котельникова – Шеннона)

Теорема відліків свдчить, що якщо безперервний сигнал x(t) має спектр, обмежений частотою F_max, то він може бути однозначно і без втрат відновлений за своїми дискретними відліками, узятими з частотою f_дискр = 2 * F_max_,або, по іншому, за відліками, узятими з періодом

Існує обернена версія теореми:

Для того щоб відновити сигнал за його відліками без втрат, необхідно, щоб частота дискретизації була хоча б вдвічі більшою за максимальну частоту первинного неперервного сигналу. F_дискр ≥ 2 * F_max.

Для того щоб відновити вихідний безперервний сигнал з дискретизованого з малими похибками, необхідно раціонально вибрати крок дискретизації. Тому при перетворенні аналогового сигналу в дискретний обов'язково виникає питання про величину кроку дискретизації.

Точність відновлення аналогового сигналу за його відліками залежить від інтервалу дискретизації A_t. Чим він коротший, тим менше буде відрізнятися функція u (t) від кривої, що проходить через точки відліків. Однак зі зменшенням інтервалу A_t істотно зростають складність і обсяг обробної апаратури. При великому інтервалі дискретизації A_t зростає ймовірність спотворення або втрати інформації при відновленні аналогового сигналу.

Вірне, оптимальне значення інтервалу дискретизації встановлюється теоремою Котельникова.

Згідно з однією з найбільш відомих і простих інтерпретацій цієї теореми довільний сигнал u (t ), спектр якого обмежений певною частотою F_B , може бути повністю відновлений по послідовності своїх відлікових значень , які прямують з інтервалом часу.

Інтервал дискретизації A_tі частоту F_d = F_n в теорії зв'язку іноді називають відповідно інтервалом і частотою Найквіста.

Умови вибору інтервалу дискретизації Dt, який забезпечує відновлення із заданою точністю первинного аналогового сигналу s(t), формулює теорема відліків :неперервний сигнал s(t), у спектрі якого відсутні частоти, вищі від w_в, повністю визначається послідовністю своїх миттєвих значень, узятих через інтервал часу [7].

Квантування – розбивка простору можливих значень векторої величини на кінцеве число областей [8].

Квантування за амплітудою - це процес заміни реальних (виміряних) значень амплітуди сигналу значеннями, наближеними з деякою точністю. Кожен з можливих рівнів називається рівнем квантування, а відстань між двома найближчими рівнями квантування називається кроком квантування.

Суть квантування полягає в заміні нескінченної множини можливих значень функції, в загальному випадку випадкових, скінченною множиною цифрових відліків, і виконується округленням миттєвих значень вхідної функції s(t_i) в моменти часу t_i до найближчих значень s_i(t_i) = n_i * r, де r – крок квантування шкали цифрових відліків. Квантування з постійним кроком r називають рівномірним.

Після процесу оцифрування отримуємо ступінчатий сигнал, складений із прямокутників, кожен з яких має ширину, рівну величині кроку дискретизації, і висоту, рівну виміряному значенню амплітуди сигналу [9] [10].

1.10 Методи перетворення АЦП

У АЦП використовуються наступні методи перетворення:

Послідовної лічби. У даному методі використовується ЦАП з двотактним інтегруванням;
Порозрядність кодування (послідовного двійкового наближення);
Паралельної дії (зчитування);
Паралельно-послідовні (комбіновані).

Висновки за розділом

У розділі 1, теоретичному розділі було розглянуто визначення ЦАП та АЦП цифро-аналогового та аналогово-цифрового перетворювачів відповідно. Була наведена класифікація пристроїв, зазначені та висвітлені головні(основні) параметри пристроїв, описані принципи роботи пристроїв, наведені структурні схеми та часові діаграми роботи АЦП та ЦАП.

Розділ 2

РОЗРАХУНКИ ПАРАМЕТРІВ АЦП ТА ЦАП

2.1 Вихідні дані для розрахунків

- максимальна частота спектра первинного сигналу F_max;

- густина ймовірності миттєвих значень первинного сигналу p(b);

- середня потужність первинного сигналу P_b;

- коефіцієнт амплітуди первинного сигналу К_a;

- допустиме відношення сигнал/шум на вході одержувача p_{вих.доп};

- допустиме відношення сигнал/шум квантування p_кв.доп;

- в АЦП застосовано рівномірне квантування.

Вимагається:

- визначити частоту дискретизації f_д і інтервал дискретизації Т_д;

- визначити число рівнів квантування L, довжину двійкового коду n і тривалість

двійкового символу Т_б;

- розрахувати відношення сигнал/шум квантування p_кв для розрахованих параметрів

АЦП;

- розрахувати допустиму ймовірність помилки символу р_доп в каналі зв'язку (на вході

ЦАП).
Згідно з варіантом маємо наступні вихідні дані для розрахунку:
P_b = 1.3 B2

K_a = 8

F_max = 10 кГц

P_вих = 24 дБ

p_кв.доп= 27 дБ

Схема ЦАП побудована на основі матриці типу R – 2R.

Схема АЦП побудована на основі слудкуючого АЦП.
Згідно з теоремою Котельникова частота дискретизації f_д = 1/Т_д повинна задовольняти умові

F_д = 2.4 * F_max = 2.4 * 10 = 24 кГц

Розраховуємо інтервал дискретизації Т_д.

Інтервал дискретизації знаходимо за формулою

Т_д = 1 / 24 = 0.042 = 4.2мкс

Розрахуємо число рівнів квантування L.

Використовуємо формулу:

L_доп² = (27 * 64) / 3 = 576

L_доп = 24

Розрахуємо відношення сигнал/шум квантування р_кв для розрахованих

параметрів АЦП

Р_кв = (3 * 322) / 82 = (3 * 1024) / 64 = 48 дБ
Розрахуємо довжину двійкового коду n. Кодування повідомлення та одиниці виміру інформації. Двійкове кодування використовується в сучасних комп’ютерах. У них повідомлення подаються (кодуються) у вигляді послідовності сигналів двох видів. Кожний сигнал одного виду умовно позначається цифрою 0, а другого виду – 1.

N = 5

Розрахуємо тривалість двійкового символу Т_б.

Т_б = 0.042 / 5 = 0.0083 = 0.83мкс

Розрахуємо R_б.

R_б = 5 * 24 = 120 кбіт / с

Розрахуємо крок кванутвання h.

Дискретизація аналогових сигналів з перетворенням в цифрову форму пов’язана з квантуванням сигналів. Суть квантування полягає в заміні нескінченної множини можливих значень функції, в загальному випадку випадкових, скінченною множиною цифрових відліків, і виконується округленням миттєвих значень вхідної функції в моменти часу до найближчих значень, h - крок квантування шкали цифрових відліків. Квантування з постійним кроком h називають рівномірним.

B_max = 9.12B

H = (9.12 –(-9.12)) / 32 = 0.57B

Розрахуємо допустиму ймовірність помилки символу р_доп в каналі

зв'язку (на вході ЦАП).

Використовуємо формулу:

ε^-2_кв = 1.3 / 48 = 0.0027 В2

Р_вих = 10*^0.1*рвих = 10 0.1*24 = 10 2.4 = 251.2

σ_ε² = 1.3 / 251.2 = 0.0052В2

ε^-2_хі = 0.0052 – 0.0027 = 0.0025В2

P = (3 * 0.0025) / (0.572 * (45 - 1)) = 0.0075 / (0.3249 * 1023) = 0.000026 = 2.6*10^-5

Висновки за розділом

У розділі 2, розділі розрахунку параметрів АЦП та ЦАП було проведено розрахунки наступних параметрів: частота дискретизації, інтервал дискретизації, число рівнів квантування, довжину двійкового коду, тривалість двійкового символу, відношення сигнал / шум квантування, допустиму ймовірність помилки символу.

Було розраховано основні параметри АЦП та ЦАП. Визначено частоту дискретизації f_д = 24 кГц. Інтервал дискретизації Т_д = 4.2мкс; Розраховано число рівнів квантування L = 32, довжину двійкового коду n = 5 і тривалість двійкового символу Т_б = 0.83мкс.; Розраховано відношення сигнал/шум квантування р_кв = 48 дБ для розрахованих параметрів АЦП; Розраховано допустиму ймовірність помилки символу р_доп = 2.6*10^-5В каналі зв'язку (на вході ЦАП).

Розділ 3

ПОБУДОВА СХЕМ АЦП І ЦАП

Для отриманих параметрів (Розділ 2) провели вибір та виконали побудову схеми АЦП і ЦАП. Виконали розрахунки параметрів елементів представлених схем. Сформулювали вимоги до вибраних схем.

Маємо вихідні дані для розрахунку:

Типи схем АЦП та ЦАП відповідно до варіанту:

Схема ЦАП на основі матриці типу R-2R;
Схема АЦП слідкуючому АЦП.

Розрядність коду n = 5;
Число рівнів квантування L = 32;
Крок квантування h = 0.57 В;
Інтервал дискретизації T_Д= 4.2мкс;
Частота дискретизації f_Д = 24кГц;
Максимальна та мінімальна амплітуди вхідного сигналу(b_min, b_max) = 9.12 В;
Максимальна похибка квантування не перевищує h / 2 = 2.6 * 10^-5В.

3.1 Проектування ЦАП на основі матриці R-2R

Для прошивки ЦАП було використано мікроконтролер Atmega8. Він поєднує в собі функціональність, компактність та порівняно не високу ціну.

Мікроконтролери Atmega8 широко використовується серед професіональних та любительских конструкцій.

Мікроконтролер має широкий набір модулів, також може бути використаний у великій кількості пристроїв різного призначення, починючи від таймерів, реостатів, систем автоматики і закінчуючи генераторами спеціальних сигналів, відео сигналів та декодерів стандарта RC5.
Характеристики мікроконтролера ATMEGA8

EEPROM	8 кб
Аналогові входи (АЦП)	4
Вхідна напруга (гранична)	5.5 В
Вхідна напруга (рекомендуєма)	4.5-5 В
ОЗУ	256 байт
Тактова частота	20 мГц
Flash-пам’ять	8 кБ
Кількість каналів АЦП	6
Аналоговий компаратор	Є
Внутрішній RC генератор	Є
Можливість оброблювати зовнішні та внутрішні переривання	Присутнє
Сторожевий таймер з незалежним генератором	Є
Режими з низьким енергоспоживанням	Idle, Power-save, Power-down, Standby, ADC Noise Reduction
Регістри загального призначення	32

Мікроконтролер atmega8 має два повноцінні порти з розрядністю 8 біт на відміну від ATtiny2313, молодшого брата.

Наявність в atmega8 аналогово-цифрового перетворювача, що дає можливість вимірювати такі параметри як напруга, струм, ємність, що дозволяє розробити повноцінний мультиметр на базі цього мікроконтролера. Так само atmega8 має порт UART для прийому та передачі даних TTL рівня.

Порт для роботи за протоколом TWI (можливість реалізувати програмний I2C).

За I2C до ATmega8 можна підключити цілий спектр пристроїв:

зовнішню EEPROM пам'ять серії 24cXX;
РКІ індикатори та графічні дисплеї;
регулятори гучності, опору і багато іншого.

На рисунках 3.1, 3.2 зображені структурні схемі мікроконтролера atmega8 з відповідним розташуванням виходів(DIP, TQFP/MLF)

Рисунок 3.1 – структурна схема atmega8

Рисунок 3.2 – структурна схема atmega8

Порти мікроконтролера згруповані у 3 групи:

Порт D

PD0 – цифровий вхід/вихід, RxD - вхід приймача USART;
PD1 - цифровий вхід/вихід, TxD - вихід передавача USART;
PD2 - цифровий вхід/вихід, INT0 – зовнішнє переривання нульового каналу;
PD3 - цифровий вхід/вихід, INT1 – зовнішнє переривання першого каналу;
PD4 - цифровий вхід/вихід, XCK - зовнішній такт для USART, T0 - зовнішній вхід Timer0;
PD5 - цифровий вхід/вихід, T1 – зовнішній вхід Timer1;
PD6 - цифровий вхід/вихід, AIN0 – вхід аналогового компаратора канал 0;
PD7 - цифровий вхід/вихід, AIN1 – вхід аналогового компаратора канал 1.

Порт C

PС0 - цифровий вхід/вихід, ADC0 - аналоговий вхід канал 0;
PС1 - цифровий вхід/вихід, ADC1 - аналоговий вхід канал 1;
PС2 - цифровий вхід/вихід, ADC2 - аналоговий вхід канал 2;
PС3 - цифровий вхід/вихід, ADC3- аналоговий вхід канал 3;
PС4 - цифровий вхід/вихід, ADC4- аналоговий вхід канал 3;
PC5 - цифровий вхід/вихід, SDA- двух провідний послідовний інтерфейс (канал даних);
PС6 - цифровий вхід/вихід, RESET- зовнішній сброс

Порт B

PB0 - цифровий вхід/вихід, ICP1 - захват входу 1;
PB1 - цифровий вхід/вихід, OC1A - вихід порівняння/ШИМ 1A;
PB2 - цифровий вхід/вихід, OC1B - вихід порівняння/ШИМ 1B;
PB3 - цифровий вхід/вихід, OC2 – вхід порівняння/ШИМ2, MOSI
PB4 - цифровий вхід/вихід, MISO
PB5 - цифровий вхід/вихід, SCK - тактовый вхід;
PB6 - цифровий вхід/вихід, XTAL1- тактовый вхід для резонатора;
PB7 - цифровий вхід/вихід, XTAL2- тактовый вхід для резонатора, TOSC2 - тактовый вхід у випадку роботи внутрішнього резонатора.

Виводи для живлення мікроконтролера

VCC – вхід напруги живлення;
GND – загальний «мінусовий» вивід, земля;
AVcc – вхід напруги живлення для модуля АЦП;
ARef – вхід опорної напруги для АЦП.

Мікроконтролер atmega8 у Proteus

Рисунок 3.3 – мікроконтролер atmega8 у Proteus
Виконали проектування ЦАП на основі матриці R-2R у програмі Proteus.

З розділу 2 ми отримали параметр розрядність коду n = 5, згідно з яким виконали моделювання ЦАП.

Встановили у мікросхемі частоту дискретизації 24 кГц. Завантажили прошивку мікросхеми.

Прошивка мікросхеми була створена у програмі Flowcode.

Flowcode(FC) – програма, що є графічною мовою програмування для мікроконтролерів.

Існує 4 види програми:

Для контролерів AVR;
Для контролерів PICmicro;
Для контролерів dsPIC/PIC24;
Для контролерів ARM.

Ми будемо працювати з першим видом, а саме з спеціалізацією на контролерах AVR.

Виконали програмування.

Даний код буде повертати на вихід PORTD синусоїду, яка математичним шляхом розраховується у бескінечному циклі.

Лістинг програми для прошивки мікроконтролера atmega8 у програмі FC:

Виконали прошивку мікроконтролера, встановили необхідні параметри, отримали повну функціонуючу схему цифро-аналогового пертворювача (ЦАП).

Рисунок 3.6 – встановлення параметрів amega8
Для оримання частотних характеристик використовуємо інструмент Осциллограф.

Рисунок 3.7 – схема ЦАП у Proteus
На вхід (порти PD3, PD4, PD5, PD6, PD7) подаємо послідовно цифрові сигнали, на виході отримаємо аналоговий сигнал, який подається на осциллограф. На часовій діаграмі спостерігаємо синусоїду, яка є аналоговим сигналом.

Отримали наступні часові діаграми:

Рисунок 3.8 – часові діаграми на виході ЦАП

3.2 Проектування АЦП на основі слідкуючого АЦП

Виконали проектування на основі мікроконтролера atmega8.

АЦП послідовного наближення (порозрядного зважування) належать до найбільш поширених перетворювачів аналог-код. Щодо основних переваг можна виділити відносно низьку вартість та достатню швидкодію при високій розділювальній здатності.

АЦП послідовного наближення будують на основі ЦАП і логічної схеми, яка ним керує. Принцип роботи такого АЦП полягає у послідовному порівнянні з допомогою компаратора вхідної напруги з вихідною напругою ЦАП.

Блок-схема АЦП послідовного наближення:

АЦП послідовного наближення будують на основі ЦАП і логічної схеми, яка ним керує. Принцип роботи такого АЦП полягає у послідовному порівнянні з допомогою компаратора вхідної напруги з вихідною напругою ЦАП. На рис.7.9,а зображено блок-схему АЦП послідовного наближення, що складається з генератора імпульсів, схеми керування, регістра послідовного наближення, ЦАП та компаратора К на ОП.

Рисунок 3.9 – блок-схема АЦП послідовного наближення
Принцип роботи слідкуючого АЦП:

У початковому стані у старший розряд регістра за допомогою схеми керування заноситься одиниця. Тим самим на виході n-розрядного АЦП встановлюється код 1000…0, а на виході ЦАП встановлюється напруга U_ЦАП = 2ⁿ^-1 ΔU. Дане значення відповідає половині повної шкали аналого-цифрового перетворення. Якщо сигнал U_ВХ > U_ЦАП на першому такті перетворення у регістрі стан логічної 1 встановлюється інший молодий розряд регістра. При цьому на виході АЦП з’явиться код 0100…0, а на виході ЦАП – U_ЦАП = 2ⁿ^-1 ΔU. Далі цей процес буде повторюватися до МР регістра. Перехідний процес встановлення напруги на виході ЦАП при фіксованій напрузі на вході АЦП

Виконали проектування слідкуючого АЦП у середовищі моделювання Proteus.

Рисунок 3.12 - схема АЦП у Proteus

Висновки за розділом

У розділі 3, розділі проектування було виконано побудову схем слідкуючого АЦП та ЦАП на основі матриці типу R-2R. Згідно з варіантом було спроектовано моделі АЦП та ЦАП на основі мікроконтролера atmega8, попередньо виконавши прошивку у програмі Flowcode. Було висвітлено основні положення поедставлених схем АЦП та ЦАП, наведені основні характеристики atmega8 та електронних пристроїв АЦП та ЦАП, описаний принцип роботи. Наведені часові діаграми ЦАП. Наведені часові характеристики перехідних процесів АЦП.

Висновок

Цифро-аналоговий перетворювач – пристрій, який перетворює цифровий сигнал в аналоговий, аналого-цифровий перетворювач, навпаки, перетворює аналоговий сигнал у цифровий. Дані пристрої широко використовуються повсюди. Сучасні АЦП використовуються у звукозаписі, вбудовані у велику частину сучасної звукозаписної апаратору, застосовується у проектуванні комп'ютерів, телефонів, мікроконтролерах. ЦАП та АЦП використовуються у телекомунікаціях.

Завданням на теоретичний розділ курсового проекту було дослідження цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП) та аналого-цифрових перетворювачів (АЦП). Були наведені означення, основні положення, терміни, визначення основних характеристик, навевдена кластифікація пристроїв, було пояснено принцип роботи ЦАП та АЦП, наведені структурні схеми та діаграми роботи даних пристроїв.

Завданням на розрахунковий розділ було виконання розрахунків основних параметрів АЦП та ЦАП. Було розраховано та визначено наступні параметри: частоту дискретизації f_Д, інтервал дискретизації Т_Д, число рівнів квантування L, довжину двійкового коду n, тривалість двійкового символу Т_б, відношення сигнал/шум p_кв для розрахованих параметрів, ймовірність допустимої помилки символу p_доп в каналі зв’язку.

Були наведені формули для розрахунків відповідних параметрів. За даними параметрами було виконана аналітична побудова пристроїв з отриманими характеристиками.

Завданням на схемотехнічний розділ було проектування та моделювання цифро-аналогового перетоврювача (ЦАП) та аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Було виконано побудову схем слідкуючого АЦП та ЦАП на основі матриці R-2R. Згідно з варіантом було спроектовано пристрої на основі макроконтролера atmega8, попередньо виконавши прошивку у програмі Flowcode. У першому, теоретичному, розділі було пояснено принцип роботи даних пристроїв. Були наведені основні характеристики мікросхеми atmega8 та електронних пристроїв ЦАП та АЦП, наведені часові діаграми, графіки часових характеристик та перехідних процесів.

Список використаної літератури

S. Norsworthy, R. Schreier, G. Temes, Delta-Sigma Data Converters.
Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир.
Жан М. раба, Ананта Чандракасан, Борівож Ніколіч. Цифрові інтегральні схеми. Методологія проектування = Digital Integrated Circuits. - 2-ге вид. - М .: Вільямс, 2007.
Цифро-аналоговий перетворювач. URL: https://znaimo.com.ua/Цифро-аналоговий_перетворювач
Джерри А. Дж. Теорема отсчётов Шеннона, её различные обобщения и приложения.

Аналого-цифрові та цифрово-аналогові перетворювачі. URL: https://web.posibnyky.vntu.edu.ua/firen/6bilynskyj_elektronni_systemy/44.htm
Термин: АЦП. URL: https://www.lcard.ru/lexicon/adc
Биккенин Р. Р., Чесноков М. Н. Теория электрической связи. — М.: Издательский центр «Академия», 2010.
Басараб М. А., Зелкин Е. Г., Кравченко В. Ф., Яковлев В. П. Цифровая обработка сигналов на основе теоремы Уиттекера-Котельникова-Шеннона. — М.: Радиотехника, 2004.
Джерри А. Дж. Теорема отсчётов Шеннона, её различные обобщения и приложения.

скачати