Расчет согласующего усилителя



Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский Государственный университет путей сообщения

 

 

Кафедра «Автоматика и системы управления»

 

 

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

 

_________ С.Н. Чижма

«___»__________________2016 г.

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯС USB ВЫХОДОМ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«СхемотехникаЭВМ»

ИНМВ.406500.000 ПЗ

 

 

      Студент гр. 23И   ____________Н.Т. Баетов «__»________2016 г.   Руководитель – доцент кафедры АиСУ ____________С.Н. Чижма «__»________2016 г.

 

 

Омск 2016

Реферат

УДК 681.324

Пояснительная записка содержит29страниц, 26рисунков, 10таблиц.

 

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующий усилитель (СУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), конвертор, преобразователь DC-DC, гальваническая развязка, операционный усилитель (ОУ).

 

В ходе курсовой работы необходимо нарисовать функциональную и принципиальную схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выбрать микросхему АЦП в соответствии с вариантом, тип конвертора USB, преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе MicrosoftWord 2010, демонстрационные листы выполнены в пакете MicrosoftVisio 2010, моделирование схем сделано с помощью пакета Multisim11.


 

Задание

В ходе курсового проектирования необходимо разработать функциональную и принципиальную схему АЦП-преобразователя, рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот, выбрать микросхему АЦП, выбрать тип конвертора USB, рассчитать и выбрать преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнить моделирование схемы с помощью одного из программных пакетов схемотехнического моделирования.

Исходные данные для курсового проекта: максимальная амплитуда симметричного входного сигнала, динамический диапазон, напряжение синфазной помехи, верхняя частота спектра входного сигнала, количество входных сигналов, разрядность АЦП, выходной код АЦП – последовательный или параллельный приведены в таблице 1.

Таблица 1– Исходные данные

Вари-ант Тип АЦП Раз-ряд-ность АЦП Кол-во вхо-дов есmax, мВ Uсинф,  мВ D, дБ fв, кГц Тип ФНЧ Δf, кГц α1, дБ α2, дБ
65 Пар. 8 4 70 50 22 18 Бат. 22 0,5 20

 


 

Содержание

 

Введение. 5

1 Выбор функциональной схемы устройства. 6

2Расчет аналоговой части. 8

2.1 Определение коэффициентов. 8

2.2 Расчет согласующего усилителя. 9

2.3 Расчет активного фильтра нижних частот. 9

3 Разработка цифровой части АЦП.. 12

3.1 Выбор микросхемы АЦП.. 12

3.2 Микросхемы гальванической изоляции. 15

3.3 Преобразователи постоянного напряжения DC-DC.. 17

3.4 Конвертеры USB – последовательный интерфейс. 18

3.5 Счетчики. 23

4 Моделирование схем в пакете Multisim.. 24

4.1 Моделирование согласующего усилителя (СУ) 24

4.2 Моделирования фильтра нижних частот (ФНЧ) 25

4.3 Частотные характеристики ФНЧ. 25

Заключение. 27

Библиографический список. 28

Приложение. 29

 

 


 

Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему через интерфейс USB.

АЦП состоит из трех частей: аналоговой части, собственно АЦП в интегральном исполнении и цифровой части. При этом в аналоговой части осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП. Микросхема АЦП осуществляет преобразование входного аналогового сигнала в последовательный или параллельный цифровой код (в соответствии с заданием). Цифровая часть устройства выполняет преобразование цифрового кода с выхода АЦП в код, передаваемый на вход микропроцессорной системы по интерфейсу USB. Питание на АЦП подается от напряжения +2.5 В и интерфейса USB, все прочие постоянные напряжения в схеме вырабатываются с помощью преобразователей DC – DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.


 

Выбор функциональной схемы устройства

Микросхема АЦП может иметь несимметричный аналоговый вход, а датчик, сигнал с которого подается на АЦП – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный согласующий усилитель, установленный на входе устройства (СУ). Его назначение – согласование симметричного сигнала и несимметричного входа, согласование сопротивлений источника сигнала и входного сопротивления АЦП, усиление полезного сигнала и подавление синфазной помехи.

Входной сигнал имеет паразитные высокочастотные составляющие, которые могут влиять на АЦП. Для их устранения на входе микросхемы АЦП устанавливаются фильтры нижних частот.

Микросхема АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Для гальванической развязки цифровых сигналов АЦП и интерфейса USB применяются блоки гальванической развязки, выполненные на оптронах или импульсных трансформаторах.

Преобразование цифрового кода с выхода микросхемы АЦП осуществляется с помощью конвертера, имеющего последовательный или параллельный вход, в зависимости от типа АЦП.

Обобщенная функциональная схема АЦП представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Обобщенная функциональная схема АЦП

После разработки обобщенной функциональной устройства необходимо выбрать тип микросхемы АЦП, конвертер, тип и количество преобразователей DC-DC, тип и количество микросхем гальванической развязки и построить детальную функциональную схему АЦП.

Порядок выбора следующий:

1. Определяем частоту дискретизации АЦП. Требуемая частота дискретизации определяется выражением fДИСК≥20fВЕРХ.

FВЕРХ=18 кГц,

(1)

fДИСК=360 кГц;

(2)

2.Выбираем микросхему АЦП по четырем критериям: частота дискретизации микросхемы(более 360 кГц), разрядность (8) , количество входов (4), тип выходного интерфейса: параллельный. Параметрам задания подходит АЦП AD7825 фирмы AnalogDevicesс четырьмя входами и параллельным интерфейсом.

3. Выбираем конвертер, преобразующий выходной код АЦП в стандартный сигнал интерфейса USB. Для параллельного интерфейса был использован конвертерFT245R.

4. Определяем необходимые напряжения питания схемы. Входное напряжение питания схемы АЦП AD7825равна 5 В. Максимальное Uвх=5В.Опорное напряжение равно 2,5В.

5. Выбираем микросхемы гальванической развязки. Рекомендуется взять микросхемы серии AduM1400 (2) и AduM1402 (1), имеющие 4 канала передачи цифрового сигнала. Количество микросхем определяется номенклатурой и направлением передаваемых цифровых сигналов.

Рисунок 2 – Детальная функциональная схема АЦП


 

Расчет аналоговой части

Определение коэффициентов

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:

;

(2.1.1)

где – максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, – шкала АЦП, которая определяется по паспортным данным микросхемы АЦП. Для микросхемы AD7825 при питании 5 В  также примерно равна 5В. Суммарный коэффициент усиления находим по формуле:

;

((2.1.2)

где =1,2 – коэффициент запаса по усилению.При величине входного сигнала, равным 70 мВ, KZ=86.Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот:

КZСУ∙КФНЧ;

((2.1.3)

КСУ =10 и КФНЧ =5.

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):

;

(2.1.4)

При амплитуде входного сигнала есmax= 70 мВ, динамическом диапазоне D= 22 дБ и синфазной помехе Uсинф= 50 мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно:

(2.1.5)

есmin= 0,0056В

(2.1.6)

Ko.o.c.=17.86;

(2.1.7)

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:

;

(2.1.8)

;

(2.1.9)

В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения.

Расчет согласующего усилителя

Для реализации согласующего усилителя (СУ) нам подходит микросхема операционного усилителя AD620. На каждый канал нам необходимо по одной такой микросхеме, что позволяет упростить схему прибора.

 

Рисунок 3 – Принципиальная схема согласующего усилителя

В данном СУ необходимо рассчитать R1 – резистор для настройки коэффициента усиления СУ:

,

(2.2)

RG=5.6 кОм.


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 424; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ