На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти готовые бесплатные и платные работы или заказать написание уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов по самым низким ценам. Добавив заявку на написание требуемой для вас работы, вы узнаете реальную стоимость ее выполнения.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Быстрая помощь студентам

 

Результат поиска


Наименование:


дипломная работа Аналого-цифровой преобразователь с самоконтролем и реконфигурацией подсистемы контроля корабельного ЗРК

Информация:

Тип работы: дипломная работа. Добавлен: 13.06.13. Сдан: 2012. Страниц: 68. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


 
- 56 -
Аннотация
 
Представленный  дипломный проект посвящен разработке аналогово-цифрового преобразователя с самоконтролем и реконфигурацией в составе подсистемы контроля корабельного ЗРК.
В пояснительной  записке приводится описание аналогово-цифрового  преобразователя с самоконтролем  и реконфигурацией, назначение и  принцип работы устройства, расчеты  мощности, надежности, погрешностей и  его  компьютерное моделирование. Разработана  электрическая принципиальная схема  устройства.
В организационно-экономической  части проекта произведено технико-экономическое  обоснование разработки, приведен календарный  график длительности работ, по которому определено время изготовления изделия. Рассчитана цена разработки такого АЦП.
В разделе "Безопасность и Экологичность проекта" были изложены требования к обеспечению комфортных условий работы персонала на участке производства устройства (кондиционирование воздуха и освещенность). Был проведен выбор системы вентиляции и расчет оптимального освещения производственного помещения.
В графической  части дипломного проекта приложены  выполненные чертежи и плакаты.
 
Объем пояснительной  записки: 109 листов.
Объем графической  части: 6 листов (А1)
 
 
 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Технические требования
9
2 Подсистема автоматизированного  контроля корабельного ЗРК
10
3 Классификация АЦП
13
3.1 Параллельные АЦП
14
3.2 Последовательно-параллельные  АЦП
15
3.3 Последовательные АЦП
19
4  Параметры АЦП
26
4.1 Статистические параметры
26
4.2 Динамические параметры
29
5 Анализ прототипов
31
5.1 Зарубежные аналоги
31
5.2 Отечественные аналоги
33
6 Разработка схемы электрической  принципиальной
34
6.1 Общие сведения о  микросхемах
34
6.2 Обоснование выбора  элементной базы
39
6.2.1 Выбор и описание  матрицы сопротивлений
39
6.2.2 Выбор и описание  источника опорного напряжения
40
6.2.3 Выбор и описание  ключей
44
6.2.4 Выбор компаратора
49
6.3 Описание генератора  импульсов
56
6.4 Описание регистра  последовательного приближения
57
7 Принципы работы схемы
58
8 Расчет надежности
60
9 Расчет погрешности
62
10 Моделирование погрешностей  в АЦП
64
10.1 Программирование в  Lab VIEW
64
10.2 Расчет погрешности  с помощью  Lab VIEW
10.2.1 Вычисление мультипликативной  погрешности
65
65
10.2.2 Вычисление аддитивной  погрешности
67
11 Интерфейс АЦП
70
12 Организационно-экономическая  часть
71
12.1 Введение
71
12.2 Наименование и назначение изделия
72
12.3 Описание организации работ
73
12.4 Наиболее важные этапы планирования для данного изделия
73
12.4.1 Распространение на рынке
73
12.4.2 Конкуренция
73
12.4.3 Потребительский рынок
74
12.4.4 Цена на изделия
74
12.4.5 Рекламная компания
74
12.4.6 Маркетинг
75
12.4.7 Организация послепродажного обслуживания
75
12.4.8 План производства 
75
12.5 Источник финансирования разработки
75
12.6 Планирование работ
78
12.7 Этапы разработки
78
12.8 Составление сметы затрат на  разработку
82
12.8.1 Материалы, покупные изделия,  полуфабрикаты
83
12.8.2 Расходы по статье: спецоборудование
84
12.8.3 Расчет основной заработной платы  разработчиков
85
12.8.4 Расчет дополнительной заработной  платы разработчиков 
85
12.8.5 Отчисление в фонды
86
12.8.6 Расчет по статье: командировки
86
12.8.7 Контрагентские расходы
86
12.8.8 Накладные расходы
87
12.8.9 Прочие расходы
12.9 Экономическая целесообразность  проекта
87
91
12.10 Вывод
92
13 Экологичность и безопасность проекта
94
13.1 Кондиционирование воздуха
95
13.1.1 Система кондиционирования  воздуха в научно-исследовательской  лаборатории
96
13.1.2 Микроклимат научно-исследовательской  лаборатории
96
13.1.3 Основные отличия прецизионных  систем кондиционирования от комфортных
98
13.1.4 Выбор системы кондиционирования
99
13.1.5 Принцип работы прецизионных  кондиционеров
99
13.1.6 Правильно выбранное место установки
101
13.2 Освещенность
102
14 Заключение
107
15 Список использованной литературы
108
ПРИЛОЖЕНИЯ
 
1 Функциональная схема АЦП
 
2 Структурная схема аппаратуры  контроля
 
3 Принципиальная схема АЦП
 
4 Моделирование мультипликативной  погрешности
 
5 Моделирование аддитивной погрешности
 
6 Календарный график  длительности работ
 



 
 
 
 
 
Введение
 
Широкое распространение в радиоэлектронных системах при цифровой обработке сигналов находят многоканальные средства сбора и обработки информации(МССОАИ), использующие отдельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в каждом канале. Однако в таких устройствах могут возникать отказы, приводящие к недопустимому искажению информации, что существенно снижает эффективность таких систем. В последнее время стали выпускаться разнообразные интеллектуальные АЦП, позволяющие трансформировать алгоритм работы в процессе его выполнения. Как правило, они представляют собой измерительную систему с аппаратурно-программным контролем и коррекцией погрешностей. АЦП содержит большой объем дополнительной аппаратурной части: множество специализированных регистров, сигнальный процессор, несколько ПЗУ, вспомогательный ЦАП, датчик температуры и.т.д. Однако обеспечение требуемой достоверности самоконтроля приводит к снижению производительности при вычислениях истинного выходного кода, а также требуется  дополнительная память для хранения контролирующих программ и констант. Поэтому быстродействие такого АЦП невелико, а аппаратурная часть контроля и коррекции погрешностей превышает объём аппаратуры основной части АЦП. Для систем реального времени необходимы более простые, достоверные и быстродействующие методы самоконтроля АЦП. Поэтому актуальным является создание отказоустойчивого АЦП с самоконтролем, позволяющего обнаруживать случайные погрешности с последующей реконфигурацией схемы и восстановлением работоспособности за весьма малый промежуток времени.
В связи с этим настоящая дипломная  работа посвящена разработке аналого-цифрового преобразователя с самоконтролем и реконфигурацией в составе подсистемы контроля корабельного ЗРК.
 
1 Технические  требования
 
Количество  контролируемых параметров – 8
Тип сигнала  – напряжение постоянного тока
Погрешность преобразования – 0,025 %
Частота преобразования не менее 10 кГц (100 мкс)
Интерфейс последовательный; скорость передачи данных 210 кбит/с
Длина от АЦП до потребителя – 10 м
Наработка на отказ – 500 ч
Вероятность безотказной работы р=0,99
Температура окружающей среды 10…30°С
Срок  службы – 10 лет.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 Подсистема автоматизированного контроля корабельного ЗРК
 
Известны следующие варианты построения многоканальных средств сбора и обработки аналоговой информации. В первом варианте структуры МССОАИ, представленном на рисунке 2.1, используется единственный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого подключается к датчикам (Д) аналоговой информации через аналоговый коммутатор (АК). Во втором варианте структуры МССОАИ, представленном на рисунке 2.2, в каждом канале имеется отдельный АЦП.  Сравнение структур первого и второго вариантов МССОАИ показывает, что первая структура более экономична, так как АК требует меньше затрат, чем несколько АЦП. Однако при использовании МССОАИ на основе первого варианта с последующей обработкой цифровых сигналов на микроЭВМ может возникнуть погрешность, обусловленная неодновременной выборкой значений входных сигналов разных каналов и неодинаковым их временем установления из-за различных сопротивления датчиков и линий связи. Кроме того, имеются в этом случае трудности по обеспечению требуемой частоты дискретизации АЦП, зависящей от числа используемых каналов. При этом в некоторых применениях МССОАИ использование серийных микросхем АК не позволяет получить требуемую точность и быстродействие МССОАИ.
 

 
Рисунок 2.1 Первый вариант структуры МССОАИ
 

 
Рисунок 2.2 Второй вариант структуры МССОАИ
 
Если требуется высокая  точность и быстродействие МССОАИ и  если временной сдвиг между отдельными канальными сигналами в процессе измерений недопустим, то необходимо использовать отдельный АЦП в  каждом канале. В таком случае запуск всех АЦП осуществляется одним и  тем же тактовым импульсом, а временной  сдвиг между каналами будет определяться лишь разбросом временных параметров отдельных АЦП. Однако в таких АЦП могут возникать как внезапные, так и постепенные отказы, приводящие к недопустимому искажению информации, что существенно снижает эффективность многоканальных АЦП. Поэтому возникает необходимость в создании многоканальных отказоустойчивых АЦП.
Как известно, алгоритм функционирования отказоустойчивого АЦП состоит из трех характерных фрагментов. Первый отражает его работу по прямому назначению, второй и третий описывает шаги, предпринимаемые после обнаружения сбоя или отказа. Эти шаги состоят в поиске дефекта, реконфигурации и восстановления АЦП. При этом при построении отказоустойчивых АЦП возникают трудности выбора метода отказоустойчивости.
Выбираем второй вариант структуры, т.е. МССОАИ, использующие отдельный  аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в каждом канале.
Данный АЦП входит в состав подсистемы автоматизированного контроля корабельного ЗРК (изделие ЗКР-48 ЛИ1. 400. 023), предназначенной специализированный вычислительный комплекс, предназначенной для выполнения следующих задач:
-преобразования аналоговых сигналов  в цифровые;
-визуальная индикация готовности  к дистанционному включению и  включения входящих в комплекс  приборов, устройств подсистем;
-непрерывный контроль полного  включения и исправности приборов, устройств, подсистем в процессе  реальной работы с выводом  текстовых сообщений на видеомонитор  и (или) принтер;
-сквозная проверка готовности  комплекса к реальным работам последовательно в трех режимах:
а) автоматического функционального  контроля,
б) тренировки операторов TP,
г) реальной работы БР;
-с выводом результатов проверки на видеомонитор и принтер;
-вывод на видеомонитор  в процессе реальной работы  информации о причинах запретов  на работу и рекомендаций оператору;
-вывод на видеомонитор  мнемонической информации о наличии  и расходе изделий в процессе реальной работы;
-запись на магнитный накопитель информации ВСИ для длительного хранения и последующего вывода ее при анализе реальной работы;
 -оперативный вывод информации ВСИ в графической и/или табличной формах на видеомонитор и принтер при анализе реальных работ;
-вывод на видеомонитор и принтер  экспресс-протоколов реальных работ;
-идентификация команд управления: проверка наличия команд в  эфире при анализе реальных  работ.
 
 
 
 
3 Основные сведения об аналого-цифровых преобразователях
 
3.1 Классификация АЦП
 
В настоящее  время известно большое число  методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рисунке 3.1 представлена классификация АЦП по методам преобразования.
 

 
Рисунок 3.1 Классификация АЦП
 
В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени  разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.
 
3.1.1 Параллельные АЦП
 
АЦП этого  типа осуществляют квантование сигнала  одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рисунке 3.2 показана реализация параллельного метода
АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.
 

Рисунок 3.2 Схема параллельного АЦП
 
С помощью  трех двоичных разрядов можно представить  восемь различных чисел, включая  нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих  опорных напряжений образуются с  помощью резистивного делителя.
Если  приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона  от 5/2h, до 7/2h, где h=Uоп/7 – квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором.
Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым
 
3.1.2 Последовательно-параллельные АЦП
 
Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между  стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности  меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные.
 
а) Многоступенчатые АЦП
В многоступенчатом АЦП  процесс преобразования входного сигнала  разделен в пространстве. В качестве примера на рисунке 3.3 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.


Рисунок 3.3 Структурная  схема двухступенчатого АЦП
 
Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.
Грубо приближенная и точная величины должны соответствовать одному и тому же входному напряжению Uвх(tj). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.
 
 
б) Многотактные последовательно-параллельные АЦП
Рассмотрим  пример 8-разрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типу многотактных, смотрите рисунок 3.4. Здесь процесс преобразования разделен во времени.


 
Рисунок 3.4 Структурная схема двухтактного АЦП
 
Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного  АЦП, квант h которого определяется величиной опорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен 2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h1=0,16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h2=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова.
Очевидно, что используемые в этой схеме 4-разрядные  АЦП и ЦАП должны обладать 8-разрядной  точностью, в противном случае возможен пропуск кодов, т.е. при монотонном нарастании входного напряжения выходной код АЦП не будет принимать  некоторые значения из своей шкалы. Входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения.
Быстродействие  рассмотренного многотактного АЦП определяется полным временем преобразования 4-разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП с погрешностью, не превышающей 0,2...0,3 кванта 8-разрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входит в общее время преобразования дважды. В результате преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше. Однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения.
 
в) Конвейерные АЦП
Быстродействие  многоступенчатого АЦП можно  повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП, смотрите рисунок 3.5 вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП.
Рисунок 3.5 Структурная схема конвейерного АЦП
 
Роль  аналогового элемента задержки выполняет  устройство выборки-хранения, а цифрового  – четыре D-триггера.
Таким образом, конвейерная архитектура позволяет существенно повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохождения сигнала, соответствующая обычному многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, не имеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП хранения, поэтому работа с большим тактовым периодом приводит к значительному изменению преобразуемого сигнала в ходе преобразования.
 
3.1.3 Последовательные АЦП
 
а) АЦП последовательного счета
Этот преобразователь  является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями  и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП, смотрите рисунок 3.6. На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи с ЦАП.


Рисунок 3.6 Структурная схема АЦП последовательного  счета
 
Работа  преобразователя начинается с прихода  импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его  преобразование в напряжение обратной связи Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.
Время преобразования АЦП этого  типа является переменным и определяется входным напряжением.
Таким образом, особенностью АЦП последовательного  счета является небольшая частота  дискретизации. Достоинством АЦП данного  класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.
б) АЦП последовательного приближения
Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом  последовательных АЦП.
В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой.
 
Рисунок 3.7 Структурная схема и временная  диаграмма АЦП последовательного  приближения
Рассмотрим  принципы построения и работы АЦП  последовательного приближения  на примере классической структуры (см. рисунок 3.7, а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.
После подачи команды "Пуск" с приходом первого  тактового импульса РПП принудительно  задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому напряжение Uос на выходе ЦАП (рисунок 3.7, б):
 
Uос=23h                                                          (3.1)
 
где h – квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0.
В этом последнем  случае схема управления должна переключить  старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток, таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рисунка 3.7 б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.
Быстродействие  АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения tз. Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fтакт возможно уменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.
Данный  класс АЦП находит широкое  применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.
 
в) Интегрирующие АЦП
Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. В АЦП, рассмотренных ниже, входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временнoм интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.
      АЦП многотактного интегрирования
Упрощенная  схема АЦП, работающего в два  основных такта (АЦП двухтактного интегрирования), приведена на рисунке 3.8.


Рисунок 3.8 Упрощенная схема АЦП двухтактного интегрирования
 
Преобразование  проходит стадию интегрирования и стадию счета. В начале первой стадии ключ S1 замкнут, а ключ S2 разомкнут. Интегратор И интегрирует входное напряжение Uвх.
После окончания  стадии интегрирования ключ S1 размыкается, а ключ S2 замыкается и опорное напряжение Uоп поступает на вход интегратора. При этом выбирается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению.
Стадия  счета заканчивается, когда выходное напряжение интегратора переходит  через нуль. При этом компаратор К переключается и счет останавливается. Этот АЦП может быть выполнен многотактным.
За счет увеличения помехоустойчивости быстродействие интегрирующих АЦП является низким.
 
      Сигма-дельта АЦП
АЦП многотактного интегрирования имеют ряд недостатков. Во-первых, нелинейность переходной статической характеристики операционного усилителя, на котором выполняют интегратор, заметным образом сказывается на интегральной нелинейности характеристики преобразования АЦП высокого разрешения. Для уменьшения влияния этого фактора АЦП изготавливают многотактными. Другим недостатком этих АЦП является то обстоятельство, что интегрирование входного сигнала занимает в цикле преобразования только приблизительно третью часть. Две трети цикла преобразователь не принимает входной сигнал. Это ухудшает помехоподавляющие свойства интегрирующего АЦП. В-третьих, АЦП многотактного интегрирования должен быть снабжен довольно большим количеством внешних резисторов и конденсаторов с высококачественным диэлектриком, что значительно увеличивает место, занимаемое преобразователем на плате и усиливает влияние помех.
Эти недостатки во многом устранены в конструкции  сигма-дельта АЦП. Своим названием  эти преобразователи обязаны  наличием в них двух блоков: сумматора  и интегратора. Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов измерения на большом интервале времени.


Рисунок 3.9 Структурная схема сигма-дельта модулятора
 
Основные  узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор  и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка  приведена на рисунке 3.9. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.
 
В соответствии с требованием технического задания  быстродействие разрабатываемого АЦП  должно быть не менее 100мкс, а также  учитывая, что  класс АЦП последовательного приближения занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП выбираем метод поразрядеого уравновешивания.
 
 
 
 
4 Параметры аналого-цифровых преобразователей
 
При последовательном возрастании значений входного аналогового  сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию.
 

Рисунок 4.1 Статистическая характеристика преобразования АЦП
 
Такую зависимость  по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1, см. рисунок 4.1, которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.
 
4.1 Статические параметры
 
Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности.   
Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП Uвх при изменении Dj на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.
Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.


(4.1)
 
Эта погрешность  является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается  соответствующим числом ЕМР.
Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.
Обычно  определяется по формуле


(4.2)
 
где Uвх.01 – значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из О в 1. Часто указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:


(4.3)
Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП  могут быть уменьшены либо подстройкой  аналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.
Погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простыми средствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.
Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной (линия 2 на рисунке 4.1). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Для характеристики, приведенной на рисунке 4.2.

 
(4.4)
 
Дифференциальной  нелинейностью АЦП в данной точке  k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.
Для характеристики, приведенной на рисунке 4.2,
 


(4.5)
 
 
 
 
 
 
 


Рисунок 4.2 Погрешность линейной характеристики преобразования АЦП
 
Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1 приведен на рисунке 4.2.
Монотонность  характеристики преобразования - это  неизменность знака приращения выходного  кода D при монотонном изменении  входного преобразуемого сигнала.
Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.
 
4.2 Динамические параметры
 
Возникновение динамических погрешностей связано  с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие  параметры АЦП, определяющие его  динамическую точность.
Максимальная  частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой  происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду.
Время преобразования (tпр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, примерно постоянной.
Время выборки (стробирования) - время, в течение  которого происходит образование одного выборочного значения.
 


5 Анализ прототипов
5.1 Зарубежные аналоги
 
1) AD7892:
Фирма «Analog Devices», страна производитель - США.
Функциональное  назначение и основные характеристики:
Архитектура: последовательного приближения (SAR). Разрядность- 12 разрядов. Производительность - до 600 KSPS*. Питание: один источник +5В. Мощность потребления: не более 100мВт. Состав: собственно АЦП, УВХ с малой апертурной задержкой,  ИОН +2,5 В. Порт параллельный, 3-х уровневый, 12 bit или последовательный. Диапазон входных напряжений:    10В или 5В (AD7892-1), 0…+2,5B (AD7892-2) и 2,5B (AD7892-3).
2) AD7864:    
Фирма «Analog Devices», страна производитель США.
Функциональное  назначение и основные характеристики:
Разрядность – 12 разрядов. Производительность –  до 130 KSPS. Питание: один источник +5В. Мощность потребления не более 150мВт. Диапазон входных напряжений 10B (Для AD7864-1, 0В…+2,5В и 0В…+5В для AD7864-2, 2,5В для AD7864-3). Состав четыре УВХ, четырехканальный мультиплексор, собственно АЦП и ИОН +2,4В. Порт параллельный 12 bit.
3) AD676, AD677:
Фирма «Analog Devices», страна производитель США.
Функциональное  назначение и основные характеристики:
Архитектура последовательного приближения  с распределением зарядов на переключаемых  конденсаторах. Разрядность 16 разрядов. Производительность не менее 100 KSPS. Питание от трех источников напряжения +5В, +12В и -12В. Потребляемая мощность не более 360 мВт. Прибор обеспечивает высокое значение SINAD (S/N + D=85 dB), малые нелинейные искажения (-90 dB), малые интермодуляционные искажения второго(-102 dB) и третьего порядка (-98 dB). Входная полоса частот не менее 1Мгц. Аппертурная дрожь 0,1 нсек. Встроенная система автоматической калибровки. Порт параллельный 16 бит (AD676) и последовательный (AD677).
4) AD7893:
Фирма «Analog Devices», страна производитель США.
Функциональное  назначение и основные характеристики:
КМОП АЦП  последовательного приближения. Разрядность  – 12 разрядов. Время преобразования 6мкс; полное время взятия отсчета 1,5 мкс; дифференциальная нелинейность преобразования 1 EMP; быстродействующий последовательный интерфейс с простым протоколом обмена; сигнал/шум 70 дБ; Кг – 80 дБ; интермодуляционные искажения – 80дБ; входное напряжение: 10B, 2,5B; 0В до +2,5В или 0В до +5В в зависимости от варианта исполнения; Питание: один источник +5В; Потребляемая мощность  не более 45 мВт.
5) AD9288:
Фирма «Analog Devices», страна производитель США.
Функциональное  назначение и основные характеристики:
Скоростной  АЦП со встроенным УВХ. Архитектура: комбинированная: прямого преобразования(flash), охватывающая 3 младших разряда, и многокаскадная конвейерная (pipelined) – 5 старших разрядов. Два независимых канала с возможностью синхронной работы. Разрядность – 8 разрядов. Производительность – 1…100,80,40 MSPS*. Питание +3В. Питание выходных цепей интерфейса +3В осуществляется раздельно. Суммарная мощность потребления: не более 220 мВт. Входная полоса частот не менее 475 МГц.
*MSPS-n миллионов преобразований, а секунду.
KSPS-n тысяч преобразований в секунду.
 
 
 
5.2 Отечественные аналоги
 
1) 572ПВ1:
АО «Альфа»  г. Рига
Основные  характеристики:
Разрядность-12 разрядов, напряжение питания+5В/+15В/Ток  потребления 3мА/5мА, интегральная нелинейность  2 МЗР. Время преобразования 170мкс. Технология - КМОП, ИОН –внешний. Корпус 4134.28-2. Номер ТУ бКО.347.182-ТУ3 Особенности - последовательного приближения.
2) 1108ПВ2:
Основные  характеристики:
Разрядность-12 разрядов, напряжение питания+5В/-6В /Ток  потребления80мА/150мА, интегральная нелинейность 2 МЗР, Время преобразования 2мкс. Технология - биполярная, ИОН - внутренний. Корпус 2123.40-6. Номер ТУ бКО 347.347-05ТУ. Особенности - последовательного приближения.
3) 1160ПВ1:
Основные  характеристики:
Разрядность-12 разрядов.
цифровая  часть микросхемы:
напряжение  питания +5В/ -5,2 / Ток потребления 350мА/300мА.
аналоговая  часть микросхемы:
напряжение  питания+9В/-9В / Ток потребления 100мА/100мА,
Интегральная  нелинейность 0,375, максимальная частота преобразования – 5МГц, ИОН- внешний. Особенности- конвейерный.
Анализ зарубежных и отечественных АЦП показал, что они  не имеют схем самоконтроля, что значительно снижает надежность АЦП.
 
 
6. Разработка схемы электрической принципиальной
 
При выборе элементной базы необходимо руководствоваться  в основном быстродействием, потребляемой мощностью и выходными логическими  уровнями U0 и U1. Так как в ТЗ время преобразования задано не менее 1мс, то при использовании последовательного АЦП время такта преобразования должно составлять 1/12 мс = 0,085мс=85 мкс. Учитывая, что ТТЛ серия обеспечивает высокое быстродействие (в том числе и работу с тактом от 1мкс до 85 мкс) с малой потребляемой мощностью, а также учитывая необходимость использования логических уровней ТТЛ серии для согласования с работой аналоговых схем, выбираем ТТЛ серию для цифровых микросхем.
В данном устройстве, преимущественно  используются  цифровые микросхемы серий 533 (ТТЛ), и аналоговые 590 (КМОП). Рассмотрим более подробно преимущества ТТЛ серии.
 
6.1 Общие сведения о микросхемах
 
В зависимости от технологии изготовления интегральные схемы (ИС) подразделяются на серии, различающиеся физическими параметрами базовых элементов, а также числом и функциональным назначением входящих в их состав микросхем. В настоящее время разработано несколько десятков технологий изготовления ИС. Наиболее широкое применение находят ИС, изготовляемые по ТТЛ и КМОП технологиям. Каждая технология совершенствуется с целью увеличения быстродействия ИС, уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции числа элементов, размещаемых на кристалле заданной площади.
Семейство интегральных микросхем  ТТЛ состоит из логических схем, быстрое развитие которых связано  с их более высоким быстродействием  по сравнению с РТЛ - схемами (резистороно -транзисторная логика) и ДТЛ - схемами (диодно-транзисторная логика) и, кроме того, с более простой технологией изготовления. Хорошие характеристики ТТЛ - схем и существенное снижение их стоимости в последние годы привели к тому, что в настоящее время это семейство имеет широкое распространение.
Помимо этого существуют серии  ТТЛ ИС, основанные на применении диодов Шоттки, предотвращающих режим глубокого насыщения транзисторов, что значительно увеличивает скорость переключения вентилей. Благодаря применению транзисторов и диодов Шоттки можно уменьшить рассеянную мощность ТТЛШ вентиля в пять раз по сравнению со стандартным ТТЛ - вентилем, не увеличивая при этом время задержки. Наиболее перспективными являются ИС с диодами Шоттки. В настоящее время широкое применение при проектировании цифровой аппаратуры находит серия 533.
Наиболее важным параметром, характеризующим качество серий ИС, является работа переключения - произведение среднего времени задержки сигналов в вентиле на мощность потребления вентиля.
Проведем сравнительный анализ различных систем интегральных схем. Все логические элементы в настоящее  время принято характеризовать  совокупностью следующих показателей:
- быстродействие;
- потребляемая мощность;
- работа переключения;
- помехоустойчивость;
- логические возможности;
- стоимость;
- надежность;
- внешние условия применения.
Общепринятым показателем быстродействия принято считать среднюю задержку распространения информации на один вентиль:             
(6.1)



где:                                                                                       
Быстродействующие ТТЛ с диодами  Шоттки (ТТЛШ), имеют типовые значения:
                                                                                                
Высокое быстродействие в ТТЛШ обеспечивается благодаря нелинейной обратной связи, устраняющей насыщение транзисторов.
В настоящее время применяются маломощные ТТЛШ - схемы с типовыми значениями:
 
Для характеристики потребляемой мощности применяется показатель средней  мощности:

                                                                                                       (6.2)
 
где  Рвыкл – потребляемая мощность в состоянии ‘включено’;
Рвкл – потребляемая мощность в состоянии ‘выключено’.
Для схем, потребляющих большую мощность во время переходных процессов переключения, вводят среднюю мощность при максимальной частоте.
Типовое значение средней мощности на вентиль:
- для быстродействующих ТТЛШ - схем Рср=20 мВт/вент;
- для маломощных ТТЛШ - схем   Рср=2,1 мВт/вент;
В последнее время для оценки интегральных схем (ИС) введено понятие  фактора качества, определяемое работой  переключения Ап, равной произведению средней потребляемой мощности на среднюю задержку распространения. Типовое значение работы переключения:
- для  быстродействующих ТТЛШ - схем  Ап = 60 пДж/вент;
- для маломощных ТТЛШ - схем   Ап = 26 пДж/вент;
Помехоустойчивость чаще всего  характеризуют напряжением помехи Uпом, при подаче которого между выходом предыдущего и входом данного элемента, работоспособность последнего не нарушается, помехоустойчивость системы элементов определяет насколько ‘жесткими’ будут при конструировании аппаратуры требования к линиям связи как на платах, где размещаются микросхемы, так и в особенности между блоками. Помехоустойчивость при температуре окружающей среды
Токр = 25 ± 10 °С для:
ТТЛШ Uпом » 1,0 В (при Токр = 125 °С Uпом =0,4 ? 0,5 В).
 
Под логическими возможностями  понимают такие качества системы  элементов, которые определяют, при  каком количестве корпусов микросхем  и при какой суммарной потребляемой мощности может быть выполнена поставленная перед разработчиком задача. Логические возможности можно характеризовать  следующими факторами:
- допустимое число входов первой ступени;
-нагрузочная способность, т.е. число аналогичных элементов, которых можно подключить к выходу данного элемента;
- наличие в составе конкретной серии элементов сдвоенных, строенных, счетверенных функциональных единиц, а также микросхем среднего и большого уровня интеграции;
- совместимость по уровням логического нуля и логической единицы, а также по характеру выходного сигнала с другими сериями или системами элементов;
- наличие элементов, способных работать на длинные линии связи, индикаторные элементы и т.п.
Выбираем микросхемы серий: 533, 133, 315 и зарубежную микросхему фирмы Analog Devices AD688. Микросхемы этих серий в сравнении со своими прошлыми аналогами (например, 155 серии) имеют более высокий уровень быстродействия и более низкую потребляемую мощность.
Серия 533 выполнена на основе транзисторно-транзисторной  логики с применением диодов и  транзисторов Шоттки (ТТЛШ). Микросхемы серии 533 предназначены для построения средств вычислительной техники с малой потребляемой мощностью.
При выборе принципиальной схемы АЦП  с самоконтролем было рассмотрено  множество интегральных схем различных  серий и в результате анализа  их характеристик были выбраны и  использованы логические элементы среднего уровня интеграции (СИС) – микросхемы серий 533, 133. Это современные элементы, которые позволили предать устройству более высокое быстродействие, снизить уровень потребляемой мощности, повысить надежность. В результате этого выполняется большее число операций в единицу времени.
 
 
 
 
 
6.2 Обоснование выбора элементной базы
 
6.2.1 Выбор и описание матрицы сопротивлений
 
Матрицы сопротивлений осуществляют суммирование напряжений, пропорциональных цифровым величинам. Существует два основных вида матриц сопротивлений.
Матрица в виде делителя R-2R, обладает следующими особенностями:
    Данная матрица требует всего лишь два номинала сопротивлений (R и 2R)
    Можно осуществить регулирование масштаба выходного напряжения
    Полная симметрия в выборе старшего и младшего разряда преобразователя относительно середины матрицы, т.е. старшим разрядом может быть как крайний правый узел матрицы сопротивлений, так  и крайний левый.
Матрица с последовательным распределением сопротивлений по двоичному закону, которая  обладает следующими особенностями:
    требуется количество сопротивлений разных номиналов, соответствующее числу разрядов преобразователя, причем номиналы сопротивлений должны различаться между собой кратно 2j
    сопротивление нагрузки невозможно включить последовательно с матрицей не шунтируя ее
    отсутствуют точные методы изменения масштаба выходного напряжения
    коэффициент передачи напряжения данной схемы равен единице
Для проектируемого устройства применяется первый тип  матрицы(R-2R), в котором существуют только два номинала сопротивлений Rи2R. Применяем микросхему 315НР8 с резисторами       R=50кОм и 2R=100кОм, допустимое отклонение коэффициента деления 8-12,2*10-5.
6.2.2 Выбор и описание источника опорного напряжения

В любой схеме  стабилизатора требуется наличие  опорного напряжения, с которым сравнивается величина выходного напряжения. Стабильность выходного напряжения стабилизатора  не может быть выше стабильности его  источника опорного напряжения. Источники  опорного напряжения (ИОН) широко применяются  также в качестве эталонной меры в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, а также в разного рода пороговых устройствах.

ИОН на стабилитронах

Простейший метод получения  опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное  напряжение прикладывают через токоограничивающий резистор к стабилитрону (рисунок 6.1 (а)).
 

Рисунок 6.1 Схемы ИОН на стабилитронах
 
Качество стабилизации оценивается  коэффициентом
 
Кст = DUвх /DUоп,                                           (6.3)
 
который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на рисунке 6.1 (а) коэффициент стабилизации
 
Кст = 1 + R/rст,                                            (6.4)
 
и составляет обычно от 10 до 100. Здесь rст - дифференциальное сопротивление стабилитрона. Оно приблизительно обратнопропорционально току, протекающему через стабилитрон, поэтому при заданном входном напряжении увеличением сопротивления резистора R невозможно добиться повышения коэффициента стабилизации. Важным фактором для выбора стабилитрона является величина шумовой составляющей напряжения стабилизации, которая сильно возрастает при малых величинах тока. Недостатком схемы на рисунке 6.1 (а) является относительно высокое выходное сопротивление (десятки Ом), которое также возрастает при уменьшении тока через стабилитрон. Другим недостатком является большой разброс напряжений стабилизации, который даже для прецизионных стабилитронов достигает 5% от номинального значения.
Существенного повышения  коэффициента стабилизации можно достичь, если токоограничивающий резистор заменить источником стабильного тока, например, на полевом транзисторе. В этом случае Кст может превысить 1000.
Можно существенно улучшить характеристики источника опорного напряжения, если использовать в его  составе операционный усилитель (рисунок  6.1 (б)). Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом влияния источников питания Kв.ип в используемом ОУ и может достигать величины порядка 10000. Выходное сопротивление этой схемы составляет десятые доли Ома. Поскольку напряжения на входах ОУ практически равны, выходное напряжение источника опорного напряжения:
 
Uвых = Uоп(1 + R2/R1)                                   (6.5)
 
и не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона. Применение ОУ позволяет также путем подгонки соотношения сопротивлений резисторов R2/R1 достичь высокой точности опорного напряжения.
Таким образом, колебания  выходного напряжения источника  опорного напряжения, выполненного по схеме на рисунке 6.1 (б), при реальных изменениях входного напряжения и нагрузки не превышают 1 мВ. Существенно большие значения имеют температурные колебания опорного напряжения. Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры:
ТКН = DUст /(Uст DТ)                                   (6.6)
     
Для большинства стабилитронов  он находится в пределах 1· 10-3 К -1. Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, для больших - положителен. Минимума по абсолютной величине этот коэффициент достигает при напряжениях стабилизации около 6 В. Стабилитроны, имеющие ТКН в пределах 1· 10-5 К -1, называют опорными диодами и используют в схемах источников опорного напряжения на напряжения обычно свыше 7,5 В.
Для повышения температурной  стабильности в некоторые ИМС  источников опорного напряжения  встраивают термостаты с нагревательным элементом. Обе части схемы (нагреватель  и ИОН) изготавливаются на одном  кристалле, который помещается в  теплоизолированном корпусе. Это позволяет  достичь ТКН < 1· 10-6 К-1 в диапазоне температур от минус 25 °С до плюс 85 °С. Недостаток такого решения - довольно большая мощность, потребляемая источником опорного напряжения (около 400 мВт при 25 °С).
 


Таблица 6.1
Модель
Примечание
Источники опорного напряжения на стабилитронах
AD688
10±0.0025
3.6
12
10
5000
0.05
15
Два симметричных выхода
LM399
6.95±035
3
17
10

0.7
140

REF-08G
-10±0.02
10
2
10
500
2


MAX671C
10±0.001
3
9
10
20000
0.01
500

Источники опорного напряжения на ширине запрещенной зоны
ТL431
2.5±0.05
10
1
100

1.2

Отечественный аналог - 142ЕН19
LМ385
1.24±0.015
30
0.01
30

0.3
20
Трехвыводной параллельный
АD1582В
2.5±0.002
50
0.065
5
40000
0.25
250
Последовательный
АD1586В
2.5±0.002
50
0.05
10

0.5
250
Параллельный
AD589М
1.225±0.025
10
0.05
310

0.6

Параллельный
REF195E
5±0.002
5
0.045
30
40000
0.02
1200
Последовательный
MAX676A
4.096±0.001
1
10
10
8000
0.04
80
Есть выход датчика температуры
ADR291E
2.5±0.002
3
0.012
5
1300
0.075
0.5
XFET-источник

 


Исходя  из вышеизложенных определений выбираем наиболее подходящий источник опорного напряжения AD688.
 
6.2.3 Выбор и описание ключей
 
Общие сведения о ключах.
Аналоговый ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии "включено", его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии "выключено", выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.
Существуют различные  схемные решения ключей, удовлетворяющие  указанным условиям. Их принцип действия показан на рисунке 6.2 на примере механических (контактных) переключателей.
 

Рисунок 6.2 Схемы ключей
 
На рисунке 6.2 (а) представлен последовательный ключ. Пока контакт замкнут, Uвых=Uвх. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю, если источник сигнала имеет нулевое выходное сопротивление, и емкость нагрузки равна нулю. При значительном выходном сопротивлении источника сигнала напряжение Uвых делится между этим сопротивлением и резистором R. При существенной емкости нагрузки, во время разряда этой емкости при размыкании ключа S выходное напряжение ключа снижается до нуля довольно долго.  В схеме параллельного ключа (рисунок 6.2 (б)) Uвых=Uвх при разомкнутом ключе, если входное сопротивление нагрузки ключа бесконечно велико. Если же оно соизмеримо с сопротивлением резистора R, то на резисторе будет падать часть выходного напряжения источника сигнала. При наличии емкостной нагрузки будет относительно медленно устанавливаться выходное напряжение после размыкания ключа.

Особенности электронных ключей

Разновидности аналоговых ключей, показанные на рисунке 6.2, могут быть реализованы на электронных элементах с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности, они вносят погрешности в обрабатываемые сигналы. Источниками погрешностей электронных аналоговых ключей являются:
- ненулевое проходное сопротивление электронного ключа во включенном состоянии и конечная его величина в выключенном;
- остаточное падение напряжения на замкнутом ключе
- нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном и управляющем входах;
- взаимодействие управляющего и коммутируемого сигналов;
- ограниченный динамический диапазон (по амплитуде и по знаку) коммутируемых токов и напряжений.
Ключи на биполярных транзисторах и, в особенности, на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы милливольт, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов (менее 100 мВ). Более широкое  применение нашли ключи на полевых  транзисторах.

Ключи на полевых транзисторах.

Полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток Uзи. На рисунке 6.3 (а) изображена упрощенная схема последовательного коммутатора на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом.
 

Рисунок 6.3 Последовательный ключ на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом
 
Для того, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток Uзи следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий pn-переход откроется, и выход коммутатора окажется соединенным с цепью управления. Равенство нулю Uзи непросто реализовать, так как потенциал истока изменяется согласно изменению входного потенциала. Наиболее простой путь преодоления этой трудности показан на рисунке 6.3 (б).
Если напряжение Uупр установить большим, чем максимально-возможное входное напряжение коммутатора, диод VD закроется и напряжение Uзи будет, как это и требуется, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R1 течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в случае, если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.
Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа  использовать полевой транзистор с  изолированным затвором (МОП-транзистор). Схема ключа на МОП- транзисторе приведена на рисунке 6.4. Здесь ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при Uзи < 0.

Рисунок 6.4 Последовательный ключ на МОП-транзисторах
 
В этом состоянии сопротивление  канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного  положительного напряжения приводит канал  в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 20 до 200 Ом для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей.

Рисунок 6.5 Зависимость сопротивлений каналов транзисторов КМОП -  ключа от Uвх
Таблица 6.2

 
Согласно  таблице 6.2 наиболее подходящей микросхемой является 590КН25 с сопротивлением открытого ключа 10 Ом.
 
 
 
 
 

Рисунок 6.6 УГО микросхемы 590КН25
 
Назначение  выводов:
I0-I1 - аналоговые  входы
O0-O1- аналоговые  выходы
E0-E1 - разрешение.
E+ положительное  напряжение питания (+15 в).
E- отрицательное  напряжение питания (-15 в).
Gnd- общий вывод (цифровая земля).
 
6.2.4 Выбор компаратора
 
Компаратор  – это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для  сравнения величин двух аналоговых сигналов.
Входные аналоговые сигналы компаратора  суть Uвх - анализируемый сигнал и Uоп - опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:
Uвх= U1вых, при Uвх-Uоп>0;
Uвх= U0вых, при Uвх-Uоп<0.
Выходной  сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей  и потому согласуется по уровню и  мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.
Реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (см. рисунок 6.7).

                                    а)                                                   б)
Рисунок 6.7 Характеристики компараторов
 

Рисунок 6.8 Процессы переключения компараторов
 
Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину   |U1вых – U0вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рисунке 6.8) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.
Рассмотрим  первый путь. Как бы велико усиление не было, при Uвх близком к нулю характеристика будет иметь вид рисунок 6.7 (а). При очень медленном изменении Uвх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рисунке 6.8). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рисунок 6.7 (б)).
В качестве компаратора может быть использован  операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рисунке 6.9. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2
 

Рисунок 6.9 Схема компаратора на ОУ
Пусть R1 = R2. Если Uвх – Uоп > 0, то диод VD2 открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При Uвх – Uоп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Uст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Включение по схеме на рисунке 6.8 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью.
Параметры компараторов.
Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные. Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения tп. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Эксплуатационные параметры компараторов определяют допустимые режимы работы их входных и выходных цепей, требования к источникам питания и температурный диапазон работы. Важными эксплуатационными параметрами являются уровни выходных сигналов, а также способы подключения нагрузки к выходу компаратора.
Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены  конечными значениями пробивных  напряжений и допустимыми токами через транзисторы компаратора. Поскольку компараторы могут работать со значительными дифференциальными входными напряжениями, важными характеристиками компаратора являются максимально допустимые величины дифференциального и синфазного входных напряжений. Эти ИМС можно условно разделить на следующие группы: универсальные (общего применения), быстродействующие, прецизионные, микромощные. В таблице 6.3 приведены модели компараторов и их основные свойства.
 


Таблица 6.3 Модели компараторов и их основные свойства
Модель компаратора
Примечание
Универсальные компараторы
521CA2
+12; -6
1.5
3
250 00
ТТЛ
5
8
2.5
90
Аналог мА710
SE521
±5...±15
5
5
250 00
ТТЛ
5
5
-
12
Открытый коллектор
LM139 (1401 CA1)
5...36
200
1
25
ТТЛ. КМОП
36
0.7
15
700
4-х каналь-ный открытый коллектор
Прецизионные компараторы
521CA3
±13...±15
200
3
100
  30
6
50
200
Открытый коллектор и эмиттер
AD790
+5...±15
Гистерезис
0.25
1800
То же
15
10
10
40
Открытый коллектор
597CA3
±12...±18
70
3
350
То же

2
10
300
Сдвоенный
Быстродействующие компараторы
597CA1
±5; -5.2
1
2
100 00
ЭСЛ. ТТЛ
3
35
10
6.5
Триггер-защелка
SE9685
+5:-5.2
300
5
200 00
ЭСЛ
5


2.3
Парафазный выход
MAX96 92
+5; -5.2
3
6.5
5000
ЭСЛ
5.5
26
30
1.2
Триггер-защелка
TL714C
5
Гистерезис


ТТЛ
0...VS
12
40
6
Частота переключения до 50 МГЦ



Продолжение таблицы 6.3
Модель компаратора
Примечание
Микромощные компараторы
MAX922
±1.25...±5.5
10
10
5
ТТЛ. КМОП
VS + 0.3В
3.2 мкА
4
12000
Сдвоенный
MAX919
1.8...5.5
Гистерезис
5
1
КМОП
-0.3В - VS…VS +0.3B
0.38 мкА
50
95000
Симметричный выход
TLC339
±1.5...±8

5
0.005
ТТЛ. КМОП

10 мкА
10
2500
Счетверенный. Открытый сток.
LMC72 15
2…8
10000
6
0.00 05
ТТЛ. КМОП
-0.3В - VS…VS +0.3B
0.7 мкА
30
20000
 



 
 
 
 
 
 
 
 


Исходя  из характеристик и параметров наиболее подходящем для данной схемы является компаратор серии 1401СА1.
 
4.3 Описание генератора импульсов
 
В качестве генератора импульсов была выбрана  микросхема 530ГГ1.
 

Рисунок 6.10 УГО микросхемы 530ГГ1
 
Назначение  выводов:
FC-вход для подачи управляющего напряжения UFC= 0…5 B. RN-вход для подачи управляющего напряжения URN=0…5 B,задающего диапазон изменения частоты генератора под воздействием напряжения U FC; С- входы переключения конденсатора или кварцевого резонатора; - разрешение работы генератора (при =1 выход G=1);
R1=R2= 10кОм, С=0,1 мкФ.
 
6.4 Описание регистра последовательного приближения
 
Регистры – это устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации в виде т-разрядного двоичного кода.
Основным  классификационным признаком регистров  являются способ записи двоичного кода в регистр и его выдача. Параллельный регистр выполняет операцию записи параллельным кодом. Последовательный регистр осуществляет запись последовательным кодом, начиная с младшего или  старшего разряда, путем последовательного  сдвига кода тактирующими импульсами. Параллельно-последовательные регистры имеют входы как для параллельной, так и для последовательной записи кода числа.
В данной работе был выбран 12 разрядный  регистр последовательного приближения, цифровая микросхема 133ИР17.
Микросхема 133ИР17 (см. рисунок 6.11) - специальный регистр, предназначенный для построения аналого-цифровых преобразователей, работающих по принципу последовательного приближения с числом разрядов до 12. Имеет четыре входа: С - для подачи тактовых импульсов, D - для подачи запоминаемой регистром информации, Е - разрешения преобразования и ERD - сброса.
 

Рисунок 6.11 Микросхема 133ИР17
                                       
7 Принцип работы схемы
 
Рассмотрим  функциональную схему данного АЦП. В случае неисправности или случайных погрешностей аналоговых элементов проводится самоконтроль, по отрицательному результату которого производится реконфигурация, при этом разрядность АЦП уменьшается на один разряд.

Рисунок 7.1 Функциональная схема ООАЦП с реконфигурацией
 
Для этой цели вводится дополнительный (m+1)-й контрольный такт. Работа ООАЦП производится следующим образом. Устройство формирует  сигнал «конец преобразования», как только разность между компенсирующими и измеряемым напряжениями становится меньше величины напряжения младшего разряда. Для формирования напряжения Uкомп +Uмл.р. используется в ЦАП-1 резистивная матрица R-2R , у которой оконечный (m+1)-й резистор 2R через электронный ключ Кm+1 подсоединен к источнику эталонного напряжения постоянного тока Uэт. Для формирования напряжения Uкомп –Uмл.р. используется в ЦАП-1  резистивная матрица R-2R, у которой оконечный (m+1)-й резистор 2R через электронный ключ 2Кm+1 подсоединен к источнику эталонного напряжения отрицательной полярности– Uэт. В ЦАП-1 и ЦАП-2 электронные ключи подсоединены к источнику U эт.. Для управления работой РПП используются два компаратора КН-1 и КН-2. При этом на выходе компаратора КН-1 разрешающий уровень1 формируется при Uвх> Uкомп+Uмл.р., а запрещающий уровень 0 – при Uвх< Uкомп+Uмл.р. На выходе компаратора КН-2 разрешающий уровень 1 формируется при Uвх> Uкомп-Uмл.р, а запрещающий уровень 0 – при Uвх< Uкомп-Uмл.р. Если в процессе преобразования выполняются одновременно неравенства Uвх< Uкомп+Uмл.р и Uвх> Uкомп-Uмл.р., то на и выходе элемента ИЛИ-1 формируется запрещающий уровень 0, который через элементы НЕ-2, ИЛИ-2 установит триггер Т-3 в состояние 1 и на входе S  РПП установится уровень 1 , прерывающий процесс преобразования. Если после m-го импульса не были одновременно выполнены неравенства Uвх< Uкомп+Uмл.р. и Uвх> Uкомп-Uмл.р., то с задержкой, определяемой элементом задержки ЭЗ-1, триггер Т-1 установится в состояние 1 и электронные ключи Кm+1 и 2Кm+1 произведут коммутацию оконечных резисторов 2R резистивных матриц ЦАП-1 и ЦАП-2 соответственно к источникам 2 Uэт., – Uэт. На выходах ЦАП-1 и ЦАП-2 установятся соответственно напряжения Uкомп+2Uмл.р. и Uкомп-2Uмл.р.. Компараторы КН-1 и КН-2 сравнивают входное измеряемое напряжение с этими компенсирующими напряжениями. Если одновременно выполняются неравенства Uвх< Uкомп+2Uмл.р. и Uвх> Uкомп-2Uмл.р., то на выходе элемента И-4 сформируется уровень 0, который будет выдан во внешнее устройство как значение кода младшего разряда. Если вышеприведенные неравенства одновременно не выполняются, то после (m+1)-го такта на выходе элемента И-2 с задержкой , определяемой элементом задержки ЭЗ-2, сформируется уровень 1, который установит триггер Т-2 в состояние 1 и на выходе которого сформируется сигнал «отказ». После (m+1)-го такта на выходе Р РПП установится уровень 1, который через элементы НЕ-3, ИЛИ-3 и триггер Т-3 установит на входе S уровень 1, и процесс преобразования закончится,  при этом сигнал «отказ», поступающий во внешнее устройство, не позволит принять код из РПП.
 
8 Расчет надежности
 
Надежность-это  свойство изделия выполнять заданные функции сохраняя свои эксплуатационные показатели в течение требуемого промежутка времени.
Надежность  схем должна обеспечиваться правильным набором элементов, правильным их соединением, согласованием параметров, грамотной  эксплуатацией.
Для каждого  элемента определяем значение интенсивности  отказов.
В состав устройства входят:
- цифровые  микросхемы:
    533ЛЛ1-1 шт.;
    533ЛН1-1 шт.;
    533ЛИ1-4 шт.;
    533ЛИ3-1 шт.;
    533ТР2-1 шт.;
    1401СА1-1 шт.;
    133ИР17-1 шт.
- аналоговые  микросхемы:
    530ГГ1-1 шт.;
    AD688-4 шт.;
    315НР8 2 шт.;
    590КН25-24 шт.
Всего используется - 41 микросхема.
Интенсивность отказов для цифровых микросхем: l=0.0197*10-6
Интенсивность отказов для аналоговых микросхем: l=0.033*10-6
 
Основные расчетные формулы  интенсивности отказов аппаратуры:


                                                                                                   (8.1)
 
где li – интенсивность отказов элементов.
1
= 10*0,0197*10-6  = 0,197*10-6
интенсивность отказов  для цифровых микросхем.
2
=31*0,033*10-6 = 1,023*10-6
интенсивность отказов  для аналоговых микросхем.
1
+
2
= 0,197*10-6 + 1,023*10-6 = 1,22*10-6   
Среднее время  наработки на отказа устройства, т.е. какое количество часов схема будет работать без поломок:


 
                                                                                            (8.2)
 
T0   =1/1,22*10-6 =8*10 ч
Вероятность безотказной работы за определенный промежуток времени 


                                                                                                   (8.3)
 
где: t – время, за которое определяется вероятность безотказной работы.   
l – суммарная интенсивность отказов элементов
е – натуральный логарифм (е=2,71)
Среднее время работы за 1 год=500ч.:
P=2,71-1,22*0,000001*500   =0,99939
В соответствии с техническим заданием среднее время наработки на отказ должно быть не менее 500 часов и вероятность безотказной работы должно быть 0,99 . Расчет показал, что условия заданные в техническом задании выполнены.
 
9 Расчет погрешности
 
Для общей  оценки и анализа распределения  различных видов инструментальной погрешности используем статистический метод. Все погрешности делятся на систематические и случайные. Систематические погрешности, в свою очередь, делятся на ряд групп в соответствии с вызывающими их причинами и используемыми элементами. Некоторые из этих погрешностей, образованные рядом факторов 1,2…n, могут характеризоваться некоторыми средними значениями  ?ср.1, ?ср.2 ?ср.n и при оценке общей погрешности подлежат алгебраическому суммированию. Причины же 1,2…p, некоторых систематических погрешностей ?сист.1,  ?сист.2 …?сист. p независимы, а сами погрешности распределены по случайному закону вокруг средних значений и суммируются геометрически.
Случайные погрешности ?сл.1,  ?сл.2  ?сл.m являются действительно величинами случайными со своими одномерными законами распределения и всегда суммируются только геометрически.
Полную  инструментальную погрешность АЦП  при этом можно определить по формуле:
? инстр. = (?ср.1 +  ?ср.2 +…+  ?ср.n ) + {(?2сл.1 +  ?2сл.2 +…+ ?2сл.m ) + (?2сист.1  +?2сист.2  +…+ ?2сист.p )}1/2     ,                  (9.1)   
 
где:  ?ср.1 – средняя ошибка из причин 1…n
?сл.1 – случайная ошибка из причин 1…m
?сист.1– систематическая ошибка из причин 1…p
Формула 9.1 всегда справедлива при нормальном распределении отдельных случайных составляющих, а также в тех случаях, когда имеет место большое число независимых случайных погрешностей с различными законами распределения.
Сумма инструментальной погрешности и погрешности квантования(методическая погрешность) определяет максимальную суммарную погрешность функции преобразования:                  
?общ.= ?инстр+ ?м          (9.2)
?инстр – инструментальная погрешность
?м - методическая погрешность (равна половине величине)
АЦП с  числом разрядов n=12 имеющего следующие величины ошибок:
 
Таблица 9.1

 
? инстр. = 0,061% + {(0,001)2 + (0,002)2 + (0,001)2 + (0,004)2 + (0,002)2}1/2  + {(0,001)2 + (0,002)2 + (0,001)2 + (0,003)2 + (0,002)2}1/2 =
0,061% + 0,009%=0,07%
Из расчетов видно что инструментальная погрешность  равна 0,07%, что превышает заданное условие т.е. 0,0125%, однако за счет регулирования источника опорного напряжения среднюю ошибку (0,061) можно свести к 0.Получаем что инструментальная погрешность равна 0,009%.
Методическая  погрешность: 0.5x2,5мВ=1,25мВ=1,25x10-3 В=0,0125%
Таким образом, видно, что максимальная общая погрешность равна
?общ =0,0125%+0,009%=0,0215%, и не превышает заданную 0,025%.
 
10 Моделирование погрешностей в аналогово-цифровом преобразователе
10.1 Программирование в Lab VIEW
 
Lab VIEW – это аббревиатура от Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (среда разработки лабораторных виртуальных инструментов для инженеров) – это графический объектно-ориентированный универсальный язык программирования, разработанный корпорацией National Instruments. Программа, разработанная в системе LabVIEW, называется виртуальным инструментом (VI или ВИ), поскольку она моделирует некоторый реальный или воображаемый прибор.
LabVIEW имеет большой набор готовых библиотек программ ВИ для математических, логических, текстовых преобразований данных, операций ввода/вывода, управления таймером компьютера, интерфейсными модулями и т.д. Лицевая панель ВИ представляет собой аналог панели некоторого реального или воображаемого прибора с возможностью выбора разнообразных органов управления программой (интерактивный интерфейс пользователя). Регуляторы (control) служат для ввода данных в программу, а индикаторы (indicator) – для отображения результатов работы. Блок-диаграмма ВИ соответствует лицевой  панели ВИ и создается одновременно, но в другом окне. Блок- диаграмма собственно и является программой в LabVIEW. Компоненты блок-диаграммы соответствуют элементам традиционного языка программирования, например, циклам, операторам условного перехода, арифметическим функциям, и т.п., но они представлены в виде графических объектов. Необходимо отметить, что ВИ создается в виде иерархической модульной структуры. ВИ, расположенный внутри блок-диаграммы другого ВИ, называется виртуальным подприбором  (sub VI) и обозначается значком-иконкой. Иконка-коннектор как раз и служит для обозначения подпрограммы, причем для ввода и вывода данных иконка имеет специальные терминалы, с помощью которых она по определенным правилам включается в блок-диаграмму нового ВИ.
 
10.2 Расчет погрешностей с помощью Lab VIEW
10.2.1 Вычисление мультипликативной  погрешности
 
В виртуальном  приборе SAR.vi на блок-диаграмме заменим число 256 на число 246. На лицевой панели установим напряжение, соответствующее коду 11111111 и в графе DIGITIZED VALUE зафиксируем величину входного напряжения. Вычислим абсолютную величину мультипликативной погрешности. Мультипликативная погрешность может быть определена как отношение разности между реальным значением входной величины и номинальным к данному номинальному значению:
 
                 (10.1)
 

Рисунок 10.1. Лицевая панель 8-разрядногоАЦП с измененной величиной опорного напряжения
 

Рисунок 10. 2. Блок-диаграмма 8-разрядного АЦП с измененной величиной опорного напряжения
 
Для того чтобы вернуться к прежнему значению опорного напряжения равному 256 мВ необходимо не сохранять данный ВП, чтобы можно  было после проведенных измерений установить прежнюю величину опорного напряжения 256 мВ. Установим прежнюю величину опорного напряжения 256.
 
10.2.2 Вычисление аддитивной погрешности
 
В виртуальном  приборе SAR.vi на блок-диаграме заменим число 0 на другое, например, на число 2.

Рисунок 10.3. Блок-диаграмма 8-разрядного АЦП с измененной величиной смещения нуля (2мВ)
 
Для того чтобы вернуться к прежнему значению величины смещения нуля (0 мВ) необходимо не сохранять данный ВП, чтобы можно  было после проведенных измерений  установить прежнюю величину смещения нуля (0 мВ). Установим прежнюю величину смещения нуля (0 мВ).
На рисунке  10.3 показана лицевая панель 8-разрядного АЦП с измененной величиной смещения нуля (2мВ).
Осуществим  переход  на лицевую панель, которая  открывается после выбора Show Panel  меню  Windows.
Установим в графе INPUT VOLTAGE число 7. Зафиксируем величину кода.
Запустим  виртуальный прибор SAR.vi., перейдём к блок-диаграмме и заменим число 2 на прежнее значение 0. Зафиксируем величину кода при входном напряжении 7мВ. Вычислим абсолютную величину аддитивной погрешности.
 
,                  (10.2)
Где – абсолютное значение данной погрешности, численно равное значению входной величины Хсм, соответствующему нулевому коду на выходе АЦП, Хнм – предельное номинальное значение входной величины, определяемое диапазоном ее изменения.
 

 
Рисунок 10.4. Лицевая панель 8-разрядногоАЦП c величиной смещения нуля (2 мВ)

 
Рисунок 10.5. Лицевая панель 8-разрядногоАЦП при величине входного напряжения 7мВ (при нулевом напряжении смещения нуля и номинальном значении опорного напряжения)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11 Интерфейс АЦП
 
В АЦП последовательного  приближения выходное значение кода  может быть считано в виде последовательного  кода прямо с компаратора или  регистра последовательного приближения(РПП).
Для связи  данного АЦП с приемником информации воспользуемся SPI-интерфейсом. Он работает следующим образом. В приемнике информации. Имеется процессор, который является является ведущим. Он инициирует начало процесса преобразования подачей импульса на вход «Пуск» АЦП. С тактового выхода процессора на вход синхронизации АЦП постепает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пуска на выходе данных АЦП формируется последовательный код выходного слова старшими разрядами вперед. Этот сигнал поступает на вход MISO процессора. Такой интерфейс имеет скорость не менее 500 кббит/c, что удовлетворяет требованию технического задания (200кбит/с).
 
 
 
 
 
 
 
 
12 Организационно – экономическая часть
12.1 Введение
 
В экономической  ситуации нашего времени у предприятий  появляются большие возможности  для выбора типа деятельности, дальнейшего  совершенствования, развития выхода на мировой рынок и т.п. Но для  того, чтобы в условиях свободного рынка продукция предприятия  пользовалась повышенным спросом, она  должна содержать в себе множество  различных свойств и удовлетворять  большому числу требований как внутри страны (стандарт ГОСТ Р ИСО 9001-96), так международным стандартом. На сегодняшний день только такие предприятия являются благополучными.
При создании нового устройства или прибора исследователи  и конструкторы всегда должны учитывать  не только современную и техническую, но и экономическую сторону проводимой разработки. Экономический анализ дает возможность выбрать наиболее эффективный  вариант новой техники, способствующий внесению в создаваемую конструкцию  таких улучшений, которые позволили  бы получить необходимые результаты при наименьших материальных, трудовых и денежных затратах. Одним из оптимальных  вариантов достижения таких решений  является прогрессивная форма планирования - бизнес-план.
Бизнес-план составляется в целях эффективного управления и планирования бизнеса  и является одним из основных инструментов управления предприятием, определяющих эффективность его деятельности.
Сам по себе бизнес-план - это краткое, точное и  ясное описание целей нового или  действующего бизнеса, а также средств  и способов их достижения. В условиях современного рынка и жестокой конкурентной борьбы предприятие должно уметь  быстро и адекватно реагировать  на изменения, происходящие во внешней  среде и внутри самого предприятия. Эти факторы являются не маловажными  при разработке нового устройства.
Бизнес-план позволяет сделать оценку текущего состояния экономики, сильных и  слабых сторон производства, показать достоинства и выгоду предполагаемого  проекта и привлечь инвестора, который  вложит свои средства в тот или  иной проект, который с достаточной  вероятностью гарантирует ему получение  максимальной прибыли.
Данный  бизнес-план посвящен разработке аналого-цифрового  преобразователя с самоконтролем  и реконфигурацией для корабельных ЗРК.
 
12.2 Наименование и назначение изделия (описание продукта)
 
Широкое распространение в радиоэлектронных системах при цифровой обработке  сигналов находят многоканальные средства сбора и обработки информации(МССОАИ).  использующие отдельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в каждом канале. Однако в таких устройствах могут возникать отказы, приводящие к недопустимому искажению информации, что существенно снижает эффективность таких систем. В последнее время стали выпускаться разнообразные интеллектуальные АЦП, позволяющие трансформировать алгоритм работы в процессе его выполнения. АЦП содержит большой объем дополнительной аппаратурной части: множество специализированных регистров, сигнальный процессор, несколько ПЗУ, вспомогательный ЦАП, датчик температуры и.т.д. Однако  обеспечение требуемой достоверности самоконтроля приводит к снижению производительности при вычислениях истинного выходного кода, а также требуется  дополнительная память для хранения контролирующих программ и констант. Поэтому быстродействие такого АЦП невелико, а аппаратурная часть контроля и коррекции погрешностей превышает объём аппаратуры основной части АЦП. Для систем реального времени необходимы более простые, достоверные и быстродействующие методы самоконтроля АЦП. Поэтому актуальным является создание отказоустойчивого АЦП с самоконтролем, позволяющего обнаруживать случайные погрешности с последующей реконфигурацией схемы и восстановлением работоспособности за весьма малый промежуток времени.
 
12.3 Описание организации работ*
 
Данная работа относится  к НИР, так как её результатом  является разработка нового технического проекта, и впоследствии макет ячейки.
 
12.4 Наиболее важные этапы планирования для данного изделия
12.4.1 Распространение на рынке
 
Данное изделие предназначено  для военного применения. Оно производится по специальному госзаказу, что исключает  его свободное распространение  на рынке.
 
12.4.2 Конкуренция
 
Исходя из того, что Заказчик заключил Договор только с данным Исполнителем и данный Исполнитель – единственное предприятие, занимающееся разработками данного вида, конкуренция отсутствует. Поэтому в качестве изделия –  конкурента было рассмотрено аналогичное  по функциональному назначению изделие  – прототип, разработанное ранее  на этом же предприятии – Исполнителе.
 
 
* стр. 8, А.Е. Фатеев, И.А Нуль «Выполнение  орг-экономической части дипломного проекта»
12.4.3 Потребительский рынок
 
Потребитель есть, так как в случае полного выполнения всех условий  Договора со стороны Исполнителя, Заказчик гарантирует оплату (покупку) изделия. Заказчик является потребителем для  данного изделия.
 
12.4.4 Цена на изделие
 
Цена может изменяться в зависимости  от объема работ, а также от изменений  длительности разработки, но главное  от чего она зависит  – это  то, что цена устанавливается на основе проведенных Исполнителем расчетов затрат на производство; с учетом инфляции. Цена устанавливается и закрепляется в согласованном Договоре.
 
12.4.5 Рекламная компания
 
Данная разработка –  несекретная  часть проекта, имеющего закрытый статус разработки. Соответственно этому, рекламной  деятельности и освещения данного  продукта (научные публикации в отраслевых/специальных  журналах либо других изданиях, как  в бумажном так и электронном виде) производится не будет.
 


12.4.6 Маркетинг
Затраты на продвижение и распространение  изделия на рынок производится не будут, так как данное изделие  производится в количестве 2-6 штук/год  только по заказу Министерства Обороны.
 
12.4.7 Организация послепродажного обслуживания
 
Обслуживание включает в себя обеспечение  установки изделия на месте эксплуатации, проверка работоспособности изделия  в рабочих условиях а также последующий периодический контроль за правильной работой изделия и устранение возможных неполадок.
 
12.4.8 План производства
 
План производства совпадает с  планами производства аналогичных  изделий. Новые этапы как по составлению  плана (по его порядку и пунктам  выполнения), так и по оборудованию (использование нового или специального оборудования не предусмотрено) в новый  план не включены.
 
12.5 Источник финансирования разработки
 
Источником финансирования является хоздоговор, заключенный между Заказчиком и Исполнителем. Заказчиком данной научно-исследовательской работы является Министерство Обороны (МО). Данная работа – государственный заказ. Исполнителем данной работы является группа разработчиков  одного из отделов данного предприятия.
- Предмет договора
Исполнитель обязуется выполнить  и сдать НИР «Разработка отказоустойчивой, многоканальной системы сбора и  обработки аналоговой информации для  корабельных ЗРК.» в полном объеме и в указанные сроки, а Заказчик  обязуется принять и оплатить работу в установленные сроки и в полном объеме.
- Технические условия
Предусмотренная договором работа выполняется Исполнителем в полном соответствии с ТЗ. Вопрос об использовании, в том числе и передаче Исполнителем результатов работ, выполненных  по настоящему договору, решается по согласованию с Заказчиком.
- Сроки исполнения
Работа исполняется в заранее  установленные сроки.
Срок сдачи работы
- 27 января 2011 года.
Датой исполнения обязательств по договору в целом считается дата подписания (утверждения) соответствующих документов о приемке работы при выполнении последнего этапа работы при выполнении всех условий, указанных в техническом  задании.
- Стоимость работы и порядок  расчетов
Выполненная в соответствии с установленными требованиями договора работа оплачивается по цене, согласованной Исполнителем и Заказчиком.
Цена работы по настоящему договору устанавливается согласно нижеприведенным  расчетам. Выдача авансов и определение  их размеров производится в установленном  порядке. Первоначальный аванс перечисляется  Заказчиком в 5-дневный срок после  подписания сторонами настоящего договора в размере 50% от договорной цены по счету  Исполнителя.
Оплата всей работы в целом (за вычетом  данного аванса) производится Заказчиком на основании акта (или удостоверения) о приемке работы.
Исполнитель обязан обеспечить у себя надлежащий бухгалтерский учёт и  анализ фактической стоимости работы. Заказчик имеет право анализировать  фактические затраты на выполне
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.