Файл: Курсовой проект по дисциплине Электроника тема работы Проектирование аналогоцифрового преобразователя.doc

Рис. 14 - Временная диаграмма преобразователя уровней К1533 > К561
Как видно из временной диаграммы, результаты моделирования соответствуют расчётным данным, что позволяет применять пакет Multisim в ряде случаев при эмуляции функционирования простейших устройств.

1.12. Интегральный аналог преобразователя уровней

Интегральным аналогом преобразователя уровней является микросхема К564ПУ6. Микросхема К564ПУ6 содержит четыре канала сдвига логических уровней (СУ) от низкого напряжения к высокому. На микросхему К564ПУ6 подают два напряжения питания: на вывод 1 — коллекторное Uи.п.к = 5 В, на вывод 16 — стоковое Uи.п.с до 15 В. В этом случае получается преобразование логических уровней ТТЛ в уровни КМОП. Входные данные (ТТЛ) подаются на входы А — D, выходные (КМОП) выделяются на выходах QA — QD. Каждый канал ПУ имеет также входы разрешения ЕА — ED. Преобразование ТТЛ-КМОП (без инверсии данных) разрешается при высоких уровнях на входах EA-ED. При низком уровне на входе разрешения соответствующий выход данных переходит в разомкнутое состояние Z.

Разрешающие импульсы должны быть в ТТЛ-уровнях.

Значения времени задержки распространения от уровней "разомкнуто" (Z) до высокого (В) или низкого (Н) составляют от 60 до 300 нс в зависимости от условий переключения. Для 564ПУ6 нет ограничений последовательности включения питающих напряжений Uи.пК и Uи.пС и подачи входных сигналов. Микросхему 564ПУ6 можно эксплуатировать при условии Uи.пК > Uи.пС, что соответствует преобразованию от высокого уровня к низкому.

Зарубежным аналогом микросхемы К564ПУ6 является микросхема 40109, CD40109 (Texas Instruments).

Рис. 15 – Структурная схема преобразователя ПУ К564ПУ6

Электрические параметры микросхемы К572ПВ2

Таблица 6

Напряжение питания	+4,75…+5,25В
Входное напряжение	-1,9…+1,9В
Входной или выходной ток через контакт	10 мА
Мощность рассеяния на один корпус	500 мВт
Рабочая температура	-10…+70⁰С
Выходное напряжение «0» при U_и.п.=+5В при U_и.п.=+10В при U_и.п.=+15В	0,05В 0,05В 0,05В
Выходное напряжение «1» при U_и.п.=+5В при U_и.п.=+10В при U_и.п.=+15В	4,95В 9,95В 14,95В
Входной ток при U_и.п.=+15В	±0,1
Ток потребления (макс) в состоянии покоя при U_и.п.=+20В	2 мкА
Выходной ток при U_и.п.=+5В при U_и.п.=+10В при U_и.п.=+15В	0,2 мА 0,45 мА 1,5 мА
Время задержки фронта импульса	≤ 60 нс
Длительность фронта импульса	≤ 70 нс

2. АЦП двойного интегрирования

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, ёмкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

2.1. Схема АЦП двойного интегрирования К572ПВ2

При использовании в цифровых мультиметрах аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного счёта и последовательного приближения достаточно удобны, но технологически проблема заключается в производстве высокоточной матрицы типа R-2R. Причём, чем выше разрядность АЦП, тем точнее должна изготавливаться эта матрица. Более технологичен (и соответственно более дешев) АЦП двойного интегрирования.

Рис. 16 – Схема АЦП двойного интегрирования К572ПВ2

Входной сигнал подается на неинвертирующие входы компараторов (DA1-DA8), соединенные параллельно. На инвертирующие входы этих компараторов подаются опорные напряжения с делителя напряжений на сопротивлениях R1-R9; на каждый компаратор подается опорное напряжение, отличающееся от соседних на один уровень квантования. Как только входное напряжение аналогового сигнала превышает опорное напряжение на входе какого-либо компаратора, то на его выход переходит из состояния лог.0 в состояние лог.1.

Если напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя меньше всех напряжений, подаваемых на опорные (инвертирующие) входы компараторов, то на всех выходах компараторов формируются нулевые уровни сигналов. Код на выходе линейки компараторов будет равен 0000000. При увеличении уровня входного сигнала, он в какой-то момент превысит значение опорного напряжения нижнего компаратора. В этом случае на его выходе сформируется уровень логической единицы. Код на выходе линейки компараторов примет значение 0000001. При дальнейшем увеличении уровня сигнала на входе параллельного АЦП код будет принимать значения 0000011, 0000111, и так далее. Максимальное значение кода 1111111 будет выдано на выходе линейки компараторов параллельного аналого-цифрового преобразователя при превышении входным сигналом значения сигнала на опорном входе самого верхнего компаратора.

В результате, на выходах всей совокупности компараторов формируется т.н. «термометрический» код, который далее преобразуется в двоичный код при помощи приоритетного шифратора.

Аналоговые компараторы по внутреннему устройству и схемотехнике очень похожи на операционные усилители с дифференциальным входом, в которые добавлены цепи, отвечающие за «стробирование» компаратора, т.е. активизацию именно в момент запуска преобразования. Отличием является наличие цифрового выходного каскада (с ТТЛ или ЭСЛ логическими уровнями).

Приоритетный шифратор обычно строится по многоступенчатой схеме, что позволяет увеличить частоту преобразования АЦП при сохранении его времени преобразования, т.е. позволяет работать с большими частотами дискретизации не меняя технологии производства кристалла.

Самые быстродействующие АЦП обычно имеют выходы, совместимые с LVDS, ECL и CML логикой, АЦП среднего быстродействия совместимы с ТТЛ/КМОП.

Достоинства

высокое быстродействие, достигающее в современных микросхемах flash ADC десятых долей наносекунды (в лучших образцах – 35…40 фемтосекунд – HMCAD5831 с частотой преобразования 26 ГГц)

Недостатки

большая сложность (количество компараторов в схеме равно числу уровней квантования, и равно 2ⁿ, где n - разрядность выходного кода
высокая стоимость ввиду сложности технологического процесса производства, совмещающего на кристалле аналоговые и цифровые цепи
Невысокая точность (в лучших образцах – до 14 разрядов)

Особенности сопряжения с микропроцессорными системами

Поскольку АЦП данного типа, как правило, имеют быстродействие, большее чем микропорцессорная система, то приходится вначале записывать данные с выхода АЦП в быстродействующее буферное ОЗУ.