Разработка адаптера для оцифровки аналогового сигнала для микропроцессорной секции

Содержание

Введение

1. Разработка адаптера аналого-цифрового преобразователя

2. Разработка активного фильтра НЧ

3. Разработка блока АЦП в составе микропроцессорной системы

4. Разработка селектора адреса

5. Разработка блок – схемы

Заключение

Список литературы

Введение

Кроме чисто "цифрового" сопряжения, часто требуется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде сигнала и наоборот. Это играет важную роль в тех случаях, когда компьютер или процессор регистрируют или контролируют ход эксперимента или технологического процесса, или всякий раз, когда цифровая техника используется для выполнения традиционно аналоговой работы. Аналого-цифровое преобразование следует использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в промежуточную цифровую форму (например, "цифровая звукотехника" или импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых разнообразных измерительных средствах (включая обычные настольные приборы типа цифровых универсальных измерительных прибором и более экзотические приборы, такие, как усреднители переходных процессов, "ловушки для выбросов" и осциллографы с цифровой памятью), а также в устройствах генерации и обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и устройства шифрования данных. И, наконец, техника преобразования является существенной составляющей способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных приборов или двух координатных изображений, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существует масса возможностей для применения аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. АЦП и ЦАП применяются для связи цифровой микропроцессорной и вычислительной техники с объектами контроля и управления, т.е. для преобразования в реальном масштабе времени аналоговых входных сигналов в цифровой код и для обратного преобразования цифровой информации в аналоговый выходной сигнал информационно-управляющих устройств.

1. Разработка адаптера аналого-цифрового преобразователя

В преобразовании сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование.

Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала (в рассматриваемом случае таким сигналом является напряжение) выбираются отдельные его значения, соответствующие тактовым моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т, называемый тактовым интервалом. Операция квантования состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени, до ближайшего уровня квантования (рисунок 1). Уровни квантования сдвинуты друг относительно друга на величину Δ, называемую шагом квантования. Каждому уровню квантования присваивается порядковый номер (0, 1, 2, 3 и т.д.).

Рис. 1. Дискретизация аналогового сигнала.

На диаграмме рисунка 1 значение напряжения в тактовый момент времени t0 заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в момент t1 – уровнем 6, t2 – 7, t3 – 7, t4 – 3, t5 – 1, t6 – 2, t7 – 3. Смысл операции кодирования заключается в представлении полученной в результате квантования последовательности десятичных чисел (3, 6, 7, 7, 3, 1, 2, 3) двоичным кодом. Теперь рассматриваемая выше последовательность будет выглядеть следующим образом: 011, 110, 111, 111, 011, 001, 010, 011. В качестве АЦП будем использовать микросхему К1113ПВ1. Режим работы микросхемы позволяет подключить ее непосредственно к системным шинам микропроцессорной секции [2]. Так как максимальная амплитуда входного сигнала (по заданию) 1,5 В, а диапазон входного однополярного напряжения микросхемы 0,5...+10,5 В, то для повышения точности работы АЦП используем предварительный усилитель напряжения. Также необходимо на входе АЦП установить фильтр низких частот. Такой фильтр предотвратит появление из-за стробоскопического эффекта "лишних сигналов" во время преобразования аналогового сигнала в цифровой [1]. Такие сигналы воспринимаются как помехи и могут существенно исказить исходный вид преобразованного сигнала.

Рис. 2. Структурная схема адаптера.

Будем использовать активный фильтр НЧ на операционном усилителе.

2. Разработка активного фильтра НЧ

Схема активного ФНЧ представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема активного ФНЧ.

В данном случае использована схема ФНЧ второго порядка Салена-Ки [3]. В этой схеме можно получить коэффициент усиления по напряжению больше 1. Этот коэффициент можно рассчитать по формуле

Кu=1+R4/R3 (1)

Если от фильтра требуется равномерность частотной характеристики в полосе частот от 0 до ώ0, то для расчета используются формулы:

C1=(R1+R2)/(√2*R1*R2* ώ0) (2)

C2=√2/((R1+R2)* ώ0) (3)

В схеме используется два RC звена, поэтому скорость спада частотной характеристики составляет – 40 дБ/дек. Для увеличения скорости спада АЧХ можно включать такие фильтры последовательно, что увеличивает порядок фильтра и скорость спада АЧХ соответственно.

Диапазон входного однополярного напряжения микросхемы АЦП 0,5...+10,5 В, а максимальная амплитуда входного сигнала (по заданию) 3 В, поэтому требуется коэффициент усиления по напряжению Кu=3, при этом опорное напряжение для микросхемы АЦП требуется 9 В.

По формуле (1) находим значения R3, R4:

R4/R3 = Кu-1

R4/R3=2, поэтому выбираем R3= 1 КОм, R4= 2 Ком

R3 - тип С2-23, R4 – тип С1-4.

Для нахожденияС1, С2:

ώ0=Fc*2π=200*6.28=1256

выбираем R1=R2= 1 КОм, тогда по формулам (2), (3):

С1=(2000)/(1,41*1000000*1256)=1,129 мкФ

С2=1,41/(2000*1256)=0,561 мкФ

Выбираем: С1 - тип К10-17Б H90 ( 1 мкФ), С2 - тип К10-17А H90 ( 0,47 мкФ)

В качестве операционного усилителя будем использовать К553УД2.

Принципиальная схема активного ФНЧ представлена на рисунке 4. резистор R5 служит для установки 0.

Рис. 4. Принципиальная схема активного ФНЧ.