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

Для работы многих электронных устройств требуется наличие импульсов, которые становятся сигналами для определённых действий. Сигнал прямоугольной формы может создавать специальное генерирующее устройство. Такие устройства, называемые генераторами тактовых сигналов, могут генерировать сигналы различных частот, чаще всего в их основе лежит либо принцип взаимного поочередного возбуждения каскадов, либо частотно-зависимая положительная обратная связь, вводимая в одном каскаде.

Устройство с взаимным возбуждением усилительных каскадов с перекрестными связями называется мультивибратором и было впервые реализовано на вакуумных триодах английскими физиками Иклсом и Джорданом еще в 1918 г. На сегодняшний день «хрестоматийный» мультивибратор выполняется на паре транзисторов со связями через времязадающие элементы. Схема не производит сигналы высокого качества (с резким фронтом импульса), в отличие, например, от более современных устройств, но её часто приводят, как наглядный пример.

3.1. Виды мультивибраторов

Существуют несколько видов самовозбуждающихся устройств типа мультивибратор. По форме генерируемого сигнала выделяют:

Симметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов в них близки или равны (скважность близка к 2).
Несимметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов не равны (скважность отличается от 2)

По типу стабильности мультивибраторы делят на:

Автоколебательные, иначе называемые нестабильными. В них колебания происходят автоматически при подключении устройства к источнику питания за счет самовозбуждения каскадов из-за действующей в схеме положительной ОС
Моностабильные, иначе называемые ждущими. При включении устройства одно состояние в них становится стабильным, другое – нет. Генерируется импульс, и устройство переходит в стабильное состояние. Чтобы запустить генерацию сигнала заново, необходимо подать дополнительный управляющий сигнал.
Бистабильные, иначе называемые триггерами. Стабильны всегда, какие-либо возбуждения отсутствуют. Изменить состояние устройства можно подачей управляющего сигнала.

3.2. Принцип работы

Чаще всего мультивибратор создают с использованием биполярных транзисторов, связь между которыми осуществляется за счёт коллекторно-базовых цепей. Схема симметричного мультивибратора показана ниже.

Рис. 17 - Схема мультивибратора.
Простейший мультивибратор состоит из следующих основных элементов: транзисторы VT1 и VT2, резисторы R1 и R4 являются коллекторной нагрузкой транзисторов, резисторы R2 и R3 являются элементами частотозадающей цепи и конденсаторы C1 и C2 также являются элементами частотозадающей цепи и связи между транзисторами. По своей сути данная схема представляет собой двухкаскадный усилитель с ОЭ, который охвачен глубокой положительной обратной связью. Для правильного функционирования мультивибратора необходимо, чтобы плечи мультивибратора обладали идентичными параметрами. В частности должны быть одинаковыми транзисторы VT1 и VT2, а в случае симметричного мультивибратора также одинаковые параметры элементов R1 = R4, R2 = R3 и C1 = C2. Опишем принцип работы мультивибратора, основываясь на его временных диаграммах.

Рис. 18 - Временные диаграммы работы мультивибратора.
Как уже говорилось выше, мультивибратор функционирует в автоколебательном режиме, поэтому для описания работы выделим один период его колебаний. Условно период работы можно разделить на два промежутка: Х1 – Х2 и Х2 – Х3. Рассмотрим их по отдельности, но прежде опишем начальные условия работы.

Как говорилось выше, мультивибратор имеет два плеча, которые обладают некоторой идентичностью, но она мнимая, так как практически невозможно подобрать одинаковые во всем элементы схемы. Поэтому в начальный момент времени, при подаче питания, допустим, коллекторный ток транзистора VT1 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора VT2. Это вызовет увеличение напряжения на резисторе R1 и уменьшению коллекторного напряжения VT1, а через конденсатор C1 уменьшение на базе транзистора VT2, что в свою очередь уменьшит коллекторный ток транзистора и падение напряжения на резисторе R4. Уменьшение напряжения на R4, в свою очередь, через конденсатор C2 увеличит напряжение на базе VT1, что ещё больше увеличит коллекторный ток VT1, а соответственно и падение напряжения на резисторе R1. Таким образом, транзистор VT1 окажется насыщен, и ток через него будет ограничен только коллекторным резистором R1, а транзистор VT2 – закрыт, а ток через него практически равен нулю. Итак мы подошли к моменту времени Х1 на временных диаграммах работы мультивибратора, когда конденсатор C1 начинает заряжаться через открытый транзистор VT1 и резистор R2, а конденсатор C2 начнёт разряжаться через p-n переход база-эмиттер VT1 и резистор R4. По мере заряжания конденсатора C1 напряжение на базе VT2 увеличивается, а напряжение на базе VT1 уменьшается, и в момент времени Х2 произойдёт отпирание транзистора VT2. Вместе с открыванием VT2 произойдёт закрытие транзистора VT1. И таким образом процесс открытия и закрытия транзисторов будет происходить периодически, а на коллекторах транзисторов будут периодически возникать импульсы прямоугольной формы. Параметры импульсов полностью определяются значениями элементов схемы.

3.3. Расчет параметров

1.Частота, Гц: F = 8*10⁴ Гц

2.Скважность: 2

3.Длительность фронтов, мкс, не более: 0,1

4.Амплитуда, В, не менее: 5

В качестве генератора тактовых импульсов выбираем автоколебательный мультивибратор. Модель симметричного мультивибратора, выполненная в Multisim выглядит следующим образом:

Рис. 19 - Схема автоколебательного мультивибратора

Рис. 20 - Временная диаграмма автоколебательного мультивибратора
Выбор транзистора производится из условий:

U_кб_max ≥ Е_к

F_h_21э≥ 0,5*f_max
Данным условиям удовлетворяет огромное количество транзисторов, в частности, имеющийся в бесплатных библиотеках Multisim распространенный прибор типа 2N2923.
Параметры транзистора 2N2923:

Максимальная рассеиваемая мощность (Р_к) : 0,5 Вт

Максимально допустимое напряжение коллектор-база (U_кб): 75 В

Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (U_кэ): 40 В

Максимально допустимое напряжение эмиттер-база (U_эб): 6 В

Максимальный постоянный ток коллектора (Iк макс): 0,8 А

Предельная температура PN-перехода (Т): 175⁰С

Граничная частота коэффициента передачи тока (f_t): 300 МГц

Ёмкость коллекторного перехода (Ск): 8 пФ

Статический коэффициент передачи тока (h_21э): 100
Согласно исходным данным, частота есть величина, обратная периоду, отсюда период колебаний равен:

T_ТИ= = 1/(8*10⁴) = 1,25 мкс
Скважность - это величина, равная отношению периода к длительности импульса:

S =
Отсюда, найдя длительность импульса с учетом скважности,
t_имп= = 1,25*10^-5/5 = 0.25 мкс
Найдем длительность паузы:

t_п = T_ТИ – t_имп = 1,25

c - 0,25 c = 1 мкс

3.4. Описание работы генератора тактовых импульсов

Мультивибратор – генератор прямоугольных импульсов релаксационного типа с резистивно-емкостными положительными обратными связями, использующий замкнутый в кольцо положительной обратной связи двухкаскадный усилитель.

При работе мультивибратора в режиме автоколебаний вырабатываются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы. Частота генерируемых импульсов определяется параметрами времязадающей цепи, свойствами схемы и режимом ее питания. На частоту автоколебаний оказывает также влияние подключаемая нагрузка.

Автоколебательный мультивибратор имеет 2 стабильных состояния.

Состояние 1: VT1 закрыт, VT2 открыт и насыщен, С1 быстро заряжается базовым токов VT2 через R1 и VT2, после чего при полностью заряженном С1 через R1 не течет тока, напряжение на С1 равно току базы VT2 * R2, а на коллекторе VT1 – питанию.
Состояние 2: С2 начинает медленно перезаряжаться через открытый VT2 и R3. Отрицательное напряжение на нем уменьшается, а напряжение на базе VT1 – будет расти, пока через довольно длительное время не достигнет положительного значения. Это приведет к началу открытия VT1, появлению коллекторного тока через R1 и VT1 и падению напряжения на коллекторе VT1 (падение на R1).
Выбираем и рассчитываем номиналы элементов схемы мультивибратора.
Сопротивления в цепях коллекторов транзисторов:
E/Iк макс < Rк < E/(10…20 Iк0)
Е – напряжение источника питания

Rк – сопротивление нагрузки в цепи коллектора

Iк0 – обратный ток коллектора.
С учетом невысокой частоты генерации и необходимости получения относительно крутых фронтов, согласно вышеуказанному условию выбираем Rк = 750…1000 Ом. Стандартный номинал ряда Е24 – 750 Ом. Применяем резистор серии MF0207 Vishay.
Сопротивления в базовых цепях транзисторов выбираются по критерию:
Rб < Rк * h21эмин

Rб < 750 *100 = 75 кОм.
С учетом значения частоты генерации более 100кГц и для снижения влияния паразитных ёмкостей транзисторов, выбираем сопротивления базовых резисторов в районе 15…30кОм. Стандартный номинал – 24кОм

Для сокращения ассортимента деталей используем резисторы MF0207 Vishay
Поскольку нам требуется тактовый сигнал со скважностью не равной 2 (длительность импульса и паузы различны), то сам мультивибратор будет несимметричным, номиналы времязадающих конденсаторов можно рассчитать по формуле:

С1 = tи /(0.7*Rб1)

С2 = tп /(0.7 * Rб2)
Рассчитываем величины ёмкостей конденсаторов и выбираем максимально близкие стандартные номиналы:
С1 = 1,25 мкс /(0.7*24кОм) ≈ 51пФ

С1 = 1 мкс /(0.7*24кОм) ≈ 240пФ
Для повышения температурной стабильности генерируемого сигнала используем конденсаторы температурной группы NP0 типа К10-57 или пленочные конденсаторы с полипропиленовым диэлектриком серии MKP2 Wima.
В реальных устройствах стабильность тактовой частоты, генерируемой двухтранзисторным мультивибратором весьма низкая, и такие генераторы не используют для тактирования АЦП, т.к. в результате получатся слишком большие динамические погрешности преобразования. Обычно тактовые генераторы для АЦП выполняются на основе генерирующих цепей с положительной обратной связью и стабилизацией частоты с помощью высокодобротных пьезоэлектрических кристаллов кварца (т.н. кварцевые генераторы).

4. Вывод

Как пример реализации АЦП, на рис. 21 приведена принципиальная схема полного 6-разрядного АЦП параллельного преобразования с цепями предварительного усиления и подготовки аналогового сигнала, кварцевым тактовым генератором с цифровой системой формирования сигнала тактирования со скважностью 6. АЦП выполнен на основе микросхемы К1107ПВ1. Преобразователь уровней ТТЛ-КМОП (10В) выполнен согласно расчёта схемы ПУ, выполненной выше. Дополнительно выходы ПУ буферизированы триггерами Шмитта для формирования крутых фронтов и спадов с симметричной скоростью нарастания/спада.

Необходимо отметить, что параметры преобразователя уровней, выполненного на основе биполярных транзисторных ключей, работающих в режиме насыщения, достаточно посредственны, особенно в части, касающейся точности передачи временных параметров импульсов. Улучшить их можно только за счет существенного усложнения схемы, например с использованием дифференциальных каскадов и каскадов с общей базой. Но в дискретном исполнении такие схемы получаются громоздкими и неудобными, поэтому намного более эффективно применение специализированных микросхем с элементами преобразователей уровня, напр., 564ПУ6, рассмотренную выше. Вариант схемы АЦП с преобразователями уровня ТТЛ-КМОП на этих микросхемах приведен на рис. 22.
Аналоговый вход АЦП рассчитан на работу с двуполярным сигналом, изменяющимся в пределах от -0.5 до +0.5В, при этом 0 шкалы преобразования соответствует значению -0.5В. Максимальная частота аналогового сигнала зависит от тактовой частоты преобразователя и в данном расчётном случае составляет 100 кГц, что определяется частотой дискретизации 200 кГц (согласно теореме Котельникова, предельная частота в спектре достоверно преобразуемого сигнала не может превышать половины частоты дискретизации).