Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.

В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют работой АЦП.

АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его нормальное функционирование.

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:

где - максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, - шкала АЦП.

Максимальная величина ЭДС датчика намного меньше шкалы АЦП, поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее чем:

где - коэффициент запаса по усилению.

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):

Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра , где - верхняя частота спектра сигнала датчика.

В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому тип фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.

Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.

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 .

Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен быть включен мультиплексор.

В итоге анализа всего вышесказанного структурная схема может быть представлена так, как показано на рисунке 1.

Р
исунок 1. Структурная схема аналогового тракта

СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 – устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта

Расчет технических требований будем производить в обратном порядке прохождения аналогового сигнала.

В качестве УВХ используем те принцип действия, которых основан на заряде емкости через ключ в течение интервала , выборки и хранения накопленного значения в течение времени после отключения ключа. В качестве ключа используют как биполярные, так и полевые транзисторы. Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшими характеристиками, поэтому их применение предпочтительней.

Основными техническими характеристиками УВХ являются:

Коэффициент передачи в момент окончания выборки

Максимальные значения входного и выходного напряжений.

Входное и выходное сопротивления по аналоговому сигналу.

Относительные ошибки выборки и хранения .

Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.

Напряжение источников питания УВХ.

В первую очередь зададимся и найдем максимальное значение напряжения входного аналогового сигнала:

Зная, что современные методы построения УВД дают возможность реализации относительных ошибок и до и ниже, можно установить требования к допустимой погрешности:

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

;

Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление (менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:

;

Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения

и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к. управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем

;

При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

Верхняя граничная частота .

Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.

Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.

Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания.

Входное и выходное сопротивления.

Напряжение источников питания.

При использовании фильтров Баттерворта неравномерность АЧХ в полосе пропускания задавать не требуется, т.к. она получается минимальной.

Скорость спада выберем порядка 12 дБ/октаву.

Фильтры Баттерворта, выполненные на ОУ, имеют . В нашем случае зададимся . Исходя из этого, можно определить требования к максимальной величине входного напряжения:

Входное сопротивление выберем , а выходное определим по формуле:

Напряжение источников питания выберем таким же, как и для устройства выборки и хранения.

Согласующий усилитель должен обладать номинальным коэффициентом усиления разностного сигнала не менее чем

Этот коэффициент изменяется в пределах , т.е.

Коэффициент ослабления синфазной помехи должен быть не менее чем

Входное сопротивление выберем из соотношения:

Выходное сопротивление согласующего усилителя

Напряжения источников питания выберем таким же, как и для остальных блоков аналогового тракта.

Выбор и обоснование структурной схемы управляющего тракта

Р
исунок 2. Структурная схема управляющего тракта.

Для генерации импульсов выборки используем генератор сигналов прямоугольной формы (Г1). С его выхода импульсы поступают на управляющий вход УВХ.

В соответствии с заданием на проект за время хранения АЦП должен обработать сигналы с выходов 4 датчиков. Для управления мультиплексором, выполняющим переключение между датчиками используем счетчик (СТ). Два первых выхода счетчика подключены к адресным входам мультиплексора. Для генерации импульсов на запуск АЦП используем генератор запускающийся по заднему фронту импульса выборки (Г2). Этот генератор за время хранения должен выработать 4 импульса длительностью с интервалом .

Р
исунок 3. Временные диаграммы.

В соответствии с заданием на проект пуск АЦП должен происходить спустя время после окончания импульса выборки. Для осуществления задержки используем генератор генерирующий импульс длительностью , по заднему фронту импульса от Г2,.

Расчет технических требований к функциональным узлам управляющего тракта

Для реализации узлов управляющего тракта наиболее удобно использовать микросхемы с технологией ТТЛ. Микросхемы на основе этой технологии имеют достаточное быстродействие, низкое энергопотребление и наиболее удобный (в данной ситуации) набор логических функций.

Согласно заданию на проект амплитуда импульсов пуска АЦП составляет 8¸12 В. По техническим данным напряжение логической единицы, микросхем ТТЛ не превышает 5 В, следовательно, потребуется согласование по напряжению импульса пуска АЦП.

Для реализации генераторов импульсов выборки и пуска АЦП используем генераторы импульсов прямоугольной формы на основе мультивибраторов. Для реализации генератора задержки используем схему задержки на мультивибраторах.

Для питания узлов управляющего тракта потребуется напряжение:

Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему представленную на рисунке 4.

Р
исунок 4. Принципиальная схема согласующего усилителя

Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:

Этим условиям удовлетворяет операционный усилитель К153УД2:

Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице. В этом случае резисторы R5¸R8 получаются одного номинала, что облегчает их подбор.

Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.

Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:

По паспортным данным, отсюда примем.

Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления резисторов R1 и R2. Примем его равным . Тогда номиналы резисторов R3 и R4 определим по формуле:

Зная требуемый минимальный коэффициент усиления согласующего усилителя , рассчитаем максимальное суммарное сопротивление резисторов R1 и R2:

Исходя из максимального коэффициента усиления , определим минимальное значение суммарного сопротивления резисторов R1 и R2.

Номинал резистора R1 определим из стандартного ряда, по ближайшему меньшему значению .

Номинал резистора R2 определим по формуле:

Подберем ближайший номинал из стандартного ряда .

Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по формуле:

Оценим напряжение ошибки на выходе каскада, обусловленной дрейфом напряжений смещений нуля и разностных входных токов.

Сравним напряжение ошибки с

Фильтр низких частот

Р
исунок 5. Фильтр низких частот

Устройство выборки-хранения

Р
исунок 6. Устройство выборки и хранения

Для обработки аналоговых сигналов на современном этапе характерны цифровые методы, в результате чего операционный усилитель вытесняется микропроцессорами, ставшими универсальными компонентами электронных конструкций. Тем не менее, специалисты по аналоговым схемам продолжают создавать микросхемы с более высокой степенью интеграции, предназначенные для универсальных подсистем. На базе АЦП, ЦАП, коммутаторов, схем выборки и хранения, операционных усилителей и других аналоговых элементов разрабатывают операционные узлы в виде БИС, способные обрабатывать аналоговую информацию без преобразования ее в цифровую форму.

Датчики, пожалуй, являются теми устройствами, в которых острее всего нуждаются производственные участки предприятий, особенно промышленные роботы.

В области преобразования данных основной движущей силой является стремление к повышению точности и быстродействию. Однако существенное значение начинают приобретать и новые факторы: сильный сдвиг в сторону технологии КМДП, разработка преобразователей специального назначения и использование новых методов преобразования, в том числе схем коррекции погрешностей.

Весьма сложную задачу представляет собой организация ввода-вывода информации. Это связано с огромным разнообразием периферийных устройств, которые необходимы в микро-ЭВМ.

Методические указания к курсовому проекту по курсу «Электронные цепи» по теме «Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы» /Сост. А.В. Дорошков. – Сумы: СумГУ, 1991.

Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных интегральных схем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.

Микропроцессоры: В 3 кн. Кн 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб. Для вузов / В.Д.Вернер, Н.В. Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш. Шк., 1986.

Цифровые и аналоговые интегральные схемы: Справ. Пособие / С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.; Под ред. С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985.

Ю.А. Мячин: 180 аналоговых микросхем (справочник) - М. Патриот, 1993.