Файл: Курсовой проект по дисциплине Электроника тема работы Проектирование аналогоцифрового преобразователя.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 156
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Расчет преобразователя уровней (ПУ).
1.3. Принцип действия базовых логических элементов
1.7. Выбор биполярного транзистора для ПУ
1.9. Расчёт мощности, потребляемой преобразователем уровней от источника питания
1.10. Расчёт передаточной характеристики преобразователя уровней для номинальных параметров
1.11. Схема преобразователя уровней и его временная диаграмма
1.12. Интегральный аналог преобразователя уровней
2. АЦП двойного интегрирования
2.1. Схема АЦП двойного интегрирования К572ПВ2
3. Расчёт генератора тактовых импульсов для АЦП
3.4. Описание работы генератора тактовых импульсов
описываемого функцией непрерывного времени, в сигнал, представляемый функцией дискретного времени.
ЦАП производит обратное преобразование цифрового сигнала, представленного набором дискретных отсчетов, в аналоговый, обладающий амплитудной и временной непрерывностью.
Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность R определяется разрядностью (т.е. количеством дискретных значений выходного сигнала преобразователя) и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения Uвх макс;
Рис. 1 – График разрешающей способности R.
Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования tс, т.е. интервалом времени от момента изменения сигнала на управляющем входе АЦП до момента появления на его выходе установившегося двоичного кода, соответствующего значению входного аналогового сигнала.
Точность преобразования характеризуется абсолютной погрешностью полной шкалы σпш, нелинейностью σл , дифференциальной нелинейностью σлд и монотонностью характеристики преобразования (ХП).
Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы σпш определяется отклонением фактического выходного сигнала преобразователя от теоретического (вычисленного для идеального преобразователя) в конечной точке ХП. Измеряется σпш в единицах младшего разряда преобразования (ЕМР) либо в единицах напряжения (тока).
Дифференциальная нелинейность σлд определяется отклонением действительного значения шагов квантования от их среднего значения.
Нелинейность σл – это отклонение входного напряжения, соответствующего заданной точке ХП от значения, определяемого для идеальной ХП в этой же точке. Может определяться как в абсолютных (вольты), так и в относительных (ЕМР) единицах.
Монотонность ХП – это неизменность знака приращения выходного сигнала АЦП при неизменном знаке приращения входного сигнала.
Графическое представление рассмотренных выше статических ошибок преобразования АЦП приведено на рис. 2.
Рис.2 – Статические ошибки преобразования АЦП.
В нашем случае при проработке АЦП ограничимся учетом значений R и σ.
В зависимости от метода преобразования и способа его реализации известны много АЦП различных типов. В настоящее время разработаны АЦП с использованием методов последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного (двухкратного) интегрирования, с преобразованием напряжения в частоту, с преобразованием напряжения в интервал, параллельного преобразования и на основе дельта-преобразования.
1.1. Расчетные параметры:
1.2. Теоретические данные.
Преобразователи уровней (ПУ) — специальные элементы цифровых устройств, предназначенные для обеспечения совместимости уровней цифровых элементов различных серий. Иногда ПУ называют транслятором уровней.
При проектировании микроэлектронной аппаратуры на цифровых интегральных микросхемах (ИМС) на практике возникает необходимость в совместном использовании цифровых ИМС различных серий. Эти ИМС могут существенно различаться как конструктивно-технологическими, схемотехническими решениями, так и электрическими параметрами, вследствие чего они не могут сопрягаться непосредственно. ПУ позволяет обеспечить управление интегральным логическим элементом (ЛЭ) одной серии с помощью интегрального логического элемента другой серии, т. е. добиться электрического и временного сопряжении этих двух элементов.
Каждый ЛЭ характеризуется набором входных и выходных статических и динамических параметров, некоторые из которых показаны на рис. 3.
Рис. 3 – Набор входных и выходных параметров ЛЭ
Основным элементом схемы согласования является преобразователь уровня ПУ. Входной П1 и выходной П3 каскады обеспечивают согласование выходов ЛЭ1 со входом П2 и выхода П2 со входом ЛЭ2.
Рис. 4 – Обобщенная структурная схема согласования элементов
При проектировании преобразователей уровня необходимо учитывать следующие параметры:
В отличие от логических элементов, у которых значения уровней входных и выходных сигналов, как правило, совпадают, у ПУ значения входных и выходных сигналов всегда различны. Это характерный признак ПУ. Поэтому простейшим способом обеспечения полного сопряжения уровней ЛЭ1 и ЛЭ2 является способ построения схемы, при котором входной каскад ПУ - П1 был реализован аналогично схеме входного каскада ЛЭ1. Аналогично выходной каскад ПУ - ПЗ должен быть реализован по схеме выходного каскада ЛЭ2. Чтобы обеспечить выполнение этих условий при таком способе построения ПУ необходимо одновременно использовать питающие напряжения как ЛЭ1, так и ЛЭ2.
В практических случаях, когда ЛЭ1, ПУ, ЛЭ2 размещены на одной и той же плате или в одном корпусе микросхемы, схему ПУ можно упростить, исключив из нее каскады П1 или ПЗ или оба. В интегральном варианте ПУ может содержать все три каскада П1-П2-ПЗ, так как при этом ограничения на соединения между ПУ и цифровыми ИС с ЛЭ будут такими же, как для связей между цифровыми ИС в данной аппаратуре. Это в определенной степени облегчит конструирование электронных блоков аппаратуры.
Электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными, называется логическим элементом. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе — также получается в виде напряжения определенного уровня.
Операнды в данном случае подаются в двоичной системе счисления — на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого уровня, называемое «логическая 1» или низкого уровня, называемое «логический 0», которые и служат входными данными. Для так называемой «положительной логики» логическая единица 1 — обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 — значение ложное.
Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимости между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.
Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных. Существуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию.
Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND
Рис. 5 – Условное обозначение логических элементов «И»
«И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.
Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. - элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.
Рис. 6 – Таблица истинности для элемента «2И»
Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.
На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «&».
Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение (OR)
Рис. 7 – Логический элемент «ИЛИ»
«ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.
ЦАП производит обратное преобразование цифрового сигнала, представленного набором дискретных отсчетов, в аналоговый, обладающий амплитудной и временной непрерывностью.
Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность R определяется разрядностью (т.е. количеством дискретных значений выходного сигнала преобразователя) и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения Uвх макс;
Рис. 1 – График разрешающей способности R.
Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования tс, т.е. интервалом времени от момента изменения сигнала на управляющем входе АЦП до момента появления на его выходе установившегося двоичного кода, соответствующего значению входного аналогового сигнала.
Точность преобразования характеризуется абсолютной погрешностью полной шкалы σпш, нелинейностью σл , дифференциальной нелинейностью σлд и монотонностью характеристики преобразования (ХП).
Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы σпш определяется отклонением фактического выходного сигнала преобразователя от теоретического (вычисленного для идеального преобразователя) в конечной точке ХП. Измеряется σпш в единицах младшего разряда преобразования (ЕМР) либо в единицах напряжения (тока).
Дифференциальная нелинейность σлд определяется отклонением действительного значения шагов квантования от их среднего значения.
Нелинейность σл – это отклонение входного напряжения, соответствующего заданной точке ХП от значения, определяемого для идеальной ХП в этой же точке. Может определяться как в абсолютных (вольты), так и в относительных (ЕМР) единицах.
Монотонность ХП – это неизменность знака приращения выходного сигнала АЦП при неизменном знаке приращения входного сигнала.
Графическое представление рассмотренных выше статических ошибок преобразования АЦП приведено на рис. 2.
Рис.2 – Статические ошибки преобразования АЦП.
В нашем случае при проработке АЦП ограничимся учетом значений R и σ.
В зависимости от метода преобразования и способа его реализации известны много АЦП различных типов. В настоящее время разработаны АЦП с использованием методов последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного (двухкратного) интегрирования, с преобразованием напряжения в частоту, с преобразованием напряжения в интервал, параллельного преобразования и на основе дельта-преобразования.
1. Расчет преобразователя уровней (ПУ).
1.1. Расчетные параметры:
-
Необходимо выполнить преобразователь уровня для микросхем серий: К1533>К561 (ТТЛШ > КМОП) -
Нагрузочная способность ПУ: 5 -
Частота переключения f, МГц: 6 -
Температурный диапазон, °С: - 10 ÷ 70 -
Монтажная ёмкость
-
Входная ёмкость элементов
.
1.2. Теоретические данные.
Преобразователи уровней (ПУ) — специальные элементы цифровых устройств, предназначенные для обеспечения совместимости уровней цифровых элементов различных серий. Иногда ПУ называют транслятором уровней.
При проектировании микроэлектронной аппаратуры на цифровых интегральных микросхемах (ИМС) на практике возникает необходимость в совместном использовании цифровых ИМС различных серий. Эти ИМС могут существенно различаться как конструктивно-технологическими, схемотехническими решениями, так и электрическими параметрами, вследствие чего они не могут сопрягаться непосредственно. ПУ позволяет обеспечить управление интегральным логическим элементом (ЛЭ) одной серии с помощью интегрального логического элемента другой серии, т. е. добиться электрического и временного сопряжении этих двух элементов.
Каждый ЛЭ характеризуется набором входных и выходных статических и динамических параметров, некоторые из которых показаны на рис. 3.
Рис. 3 – Набор входных и выходных параметров ЛЭ
Основным элементом схемы согласования является преобразователь уровня ПУ. Входной П1 и выходной П3 каскады обеспечивают согласование выходов ЛЭ1 со входом П2 и выхода П2 со входом ЛЭ2.
Рис. 4 – Обобщенная структурная схема согласования элементов
При проектировании преобразователей уровня необходимо учитывать следующие параметры:
-
Uвх и Uвых – входное и выходное напряжение -
U¹ и Uº - уровни логической «1» и логического «0»; -
Iºвх, I¹вх, Iºвх, I¹вх – входные и выходные токи ЛЭ в состояниях лог.0 и лог.1 по входу и выходу -
- допустимая статическая помеха на нулевом уровне (помехозащищенность снизу) -
- допустимая статическая помеха на единичном уровне (помехозащищенность сверху).
В отличие от логических элементов, у которых значения уровней входных и выходных сигналов, как правило, совпадают, у ПУ значения входных и выходных сигналов всегда различны. Это характерный признак ПУ. Поэтому простейшим способом обеспечения полного сопряжения уровней ЛЭ1 и ЛЭ2 является способ построения схемы, при котором входной каскад ПУ - П1 был реализован аналогично схеме входного каскада ЛЭ1. Аналогично выходной каскад ПУ - ПЗ должен быть реализован по схеме выходного каскада ЛЭ2. Чтобы обеспечить выполнение этих условий при таком способе построения ПУ необходимо одновременно использовать питающие напряжения как ЛЭ1, так и ЛЭ2.
В практических случаях, когда ЛЭ1, ПУ, ЛЭ2 размещены на одной и той же плате или в одном корпусе микросхемы, схему ПУ можно упростить, исключив из нее каскады П1 или ПЗ или оба. В интегральном варианте ПУ может содержать все три каскада П1-П2-ПЗ, так как при этом ограничения на соединения между ПУ и цифровыми ИС с ЛЭ будут такими же, как для связей между цифровыми ИС в данной аппаратуре. Это в определенной степени облегчит конструирование электронных блоков аппаратуры.
1.3. Принцип действия базовых логических элементов
Электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными, называется логическим элементом. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе — также получается в виде напряжения определенного уровня.
Операнды в данном случае подаются в двоичной системе счисления — на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого уровня, называемое «логическая 1» или низкого уровня, называемое «логический 0», которые и служат входными данными. Для так называемой «положительной логики» логическая единица 1 — обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 — значение ложное.
Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимости между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.
Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных. Существуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию.
Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND
Рис. 5 – Условное обозначение логических элементов «И»
«И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.
Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. - элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.
Рис. 6 – Таблица истинности для элемента «2И»
Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.
На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «&».
Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение (OR)
Рис. 7 – Логический элемент «ИЛИ»
«ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.