Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.
Работа № 112937
Наименование:
Курсовик ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕ-ЛЕЙ С USB-ВЫХОДОМ
Информация:
Тип работы: Курсовик.
Предмет: Схемотехника.
Добавлен: 31.05.18.
Год: 2018.
Страниц: 24.
Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%
Описание (план):
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения
Кафедра "Автоматика и системы управления"
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С USB-ВЫХОДОМ
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Электроника и схемотехника»
Объектом исследования является аналого-цифровой преобразователь. Цель работы – разработка функциональной и принципиальной схемы аналого-цифрового преобразователя. В результате работы были рассчитаны входные усилители и фильтры нижних частот, были выбраны микросхема аналого-цифрового преобразователя, тип конвертора USB, преобразователи DC-DC, микросхема гальванической изоляции, было выполнено моделирование схемы, была получена схема электрическая принципиальная со спецификацией элементов. Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2010, моделирование схем сделано с помощью пакета MultiSim 12. ? Задание Разработать функциональную и принципиальную схемы АЦП, рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот, выбрать микросхему АЦП и тип конвертера USB, рассчитать и выбрать преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнить моделирование схемы с помощью одного из программных пакетов схемотехнического моделирования (Multisim). Номер варианта соответствует последним двум цифрам номера в зачетной книжке. Задание на курсовую работу приведено в таблице 1. Таблица 1 – Данные задания по курсовой работе для варианта 14 Вари- Ант Тип АЦП Раз- ряд- ность АЦП Кол- во входов e_(c max), мВ U_синф, мВ D, дБ f_(в,) кГц Тип ФНЧ ?f, кГц ?1, дБ ?2, дБ 14 Посл. 12 1 120 10 30 14 Чеб. 3,5 0,5 0 ? Содержание
Введение 5 1 Выбор функциональной схемы устройства 7 2 Расчет аналоговой части 9 2.1 Определение коэффициента передачи аналогового тракта и коэффициента ослабления синфазного сигнала 9 2.2 Расчет согласующего усилителя 10 2.3 Расчет активного фильтра нижних частот 10 3 Разработка цифровой части АЦП 13 3.1 Выбор микросхемы АЦП 13 3.2 Источник опорного напряжения 13 3.3 Микросхемы гальванической изоляции 13 3.4 Преобразователи постоянного напряжения DC-DC 14 3.5 Конвертеры USB – последовательный интерфейс. 15 3.6 Счетчики 18 Заключение 24 Библиографический список 25 Приложение 26
? Введение Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему. АЦП состоит из трех частей: аналоговой, собственно АЦП в интегральном исполнении и цифровой. В аналоговой части осуществляются усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведения аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП. Микросхема АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в последовательный или параллельный цифровой код. Цифровая часть устройства выполняет преобразование цифрового кода с выхода АЦП в код, передаваемый на вход микропроцессорной системы по интерфейсу USB. Напряжение питания +5 В подается на АЦП от стабилизатора L7805CV, постоянное напряжение других значений в схеме вырабатывается с помощью преобразователей DC-DC. Передаточная характеристика АЦП – зависимость числового эквивалента выходного двоичного кода от величины входного аналогового сигнала. Говорят о линейных и нелинейных АЦП. Такое деление условное. Обе передаточные характеристики – ступенчатые. Но для «линейных» АЦП всегда всегда возможно провести такую прямую линию, чтобы все точки передаточной характеристики, соответствующие входным значениями delta*2k (где delta – шаг дискретизации, k лежит в диапазоне 0..N, где N – разрядность АЦП) были от нее равноудалены. Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от m(k+b) до m(k+1+b), где m и b – некоторые константы. Константа b, как правило имеет значение 0 или –0,5. Если b=0, АЦП называют квантователем с нулевой ступенью, если b=– 0,5, то АЦП называют квантователем с нулем в центре шага квантования. ? 1 Выбор функциональной схемы устройства Микросхема АЦП может иметь несимметричный аналоговый вход, а датчик, сигнал с которого подается на АЦП – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный согласующий усилитель, установленный на входе устройства (СУ). Его назначение – согласование симметричного сигнала и несимметричного входа, согласование сопротивлений источника сигнала и входного сопротивления АЦП, усиление полезного сигнала и подавление синфазной помехи. Входной сигнал имеет паразитные высокочастотные составляющие, которые могут влиять на АЦП. Для их устранения на входе микросхемы АЦП устанавливаются фильтры нижних частот. Микросхема АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Для гальванической развязки цифровых сигналов АЦП и интерфейса USB применяются блоки гальванической развязки, выполненные на оптронах или импульсных трансформаторах. Преобразование цифрового кода с выхода микросхемы АЦП осуществляется с помощью конвертера, имеющего последовательный или параллельный вход, в зависимости от типа АЦП. Обобщенная функциональная схема АЦП представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Обобщенная функциональная схема АЦП СУ1 – согласующий усилитель, ФНЧ1 – фильтр нижних частот, АЦП – микросхема аналого-цифрового преобразователя, БГР – блок гальванической развязки, DC-DC – преобразователь постоянного напряжения, КОНВ – конвертер, USB - разъем интерфейса USB. После разработки обобщенной функциональной схемы устройства необходимо выбрать тип микросхемы АЦП, конвертер, тип и количество преобразователей DC-DC, тип и количество микросхем гальванической развязки и построить детальную функциональную схему АЦП. Определяем частоту дискретизации по условию f_дискр?2f_верх. f_верх=14кГц (1.1.1) f_дискр?28кГц (1.1.2) Выбираем микросхему АЦП по четырем критериям: частота дискретизации, количество входов, тип входного интерфейса, разрядность. В соответствии с параметрами для выданного варианта выбрана микросхема фирмы Microchip MCP3201, параметры представлены в таблице 1.2. Таблица 1.2 – Параметры микросхемы MCP3201 Частота преобразования Число входов Инте-рфейс На ряжение питания (положительное) Разр шение (Бит) Корпус 100КГц 1 Посл. 2,7 – 5,5 12 DIP-8
? 2 Расчет аналоговой части 2.1 Определение коэффициента передачи аналогового тракта и коэффициента ослабления синфазного сигнала
АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ). Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда: U_(вх max)^((АЦП))=Ш_АЦП, (2.1.1) где? U?_(вх max)^((АЦП)) – максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП, Ш_АЦП – шкала АЦП, которая определяется по паспортным данным микросхемы АЦП. Для микросхемы MCP3201 при питании 2,7–5,5В Ш_АЦП примерно равна 5В. Суммарный коэффициент усиления находим по формуле: , (2.1.2) K_Z=1,2 5/0,12=50 где =1,2 - коэффициент запаса по усилению. Аналоговый тракт имеет коэффициент усиления равный KZ=50 Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот: КZ=КСУКФНЧ, (2.1.3) КСУ =14,7 и КФНЧ =3,4. Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помехаU_синф. Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС): К_(о.с.с)=?2U?_симф/ _(с min) , (2.1.4) При амплитуде входного сигнала есmax=120мВ, динамическом диапазоне D=30дБ и синфазной помехе Uсинф=100мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно: e_(c min)=e_(c max) ?10?^((-D)?20), (2.1.5) e_(c min)=0,12*?10?^((-30) 20)=3,8мВ К_(о.с.с)=(2*0,1)/0, 038=52,63, Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания ; (2.1.6)
В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения. 2.2 Определение порядка фильтра ФНЧ представляет собой устройство, которое пропускает сигналы низких частот и задерживает сигналы высоких частот. Для фильтра Чебышева с дБ минимальный порядок можно определить по следующему соотношению:
(2.2.1) n=5,832, Находя ближайшее целое число, получим n = 6. Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания K_ФНЧ=3,4, определим коэффициенты передачи для каждого из звеньев: ? К?_ФНЧ=К_1*К_2*К_3=2* ,7*1=3,4 (2.2.2) 2.3 Расчет параметров элементов звеньев фильтров В качестве принципиальной схемы ФНЧ выбираем схему на ИНУН. Принципиальная схема ФНЧ второго порядка на МОС представлена на рисунке 2.3.1, чтобы получить схему шестого порядка, необходимо последовательно соединить три таких схемы.
Рисунок 2.3.1 – Принципиальная схема ФНЧ второго порядка на ИНУН Исходные значения для расчета фильтра Чебышева представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Исходные данные для расчета ФНЧ Тип ФНЧ Порядок фильтра B C Чебышева 6 0.1550 1.0 30 0.4240 0.5900 0.5790 0.1560 Номинальное значение емкости C2 задается близкое к величине: C_2=(10*?10?^(-6))/f_в =?10*10?^(-6)/?14*10 ^3 =6,8*?10?^(-10) Ф (2.3.1) Значение емкости C1 выбираем из условия: C_1?(B^2 C_2)/4C(k+1) (2.3.2) Номиналы резисторов рассчитываются по формулам: (2.3.3) Приведем пример расчета первого звена. Значения приводятся к ряду е24. k = 2; В = 0.5790; С = 0.1560; C_2 = 6,8*?10?^(-10) Ф; C_1=(?0.579?^2*6,8*? 0?^(-10))/(4*0.156*(2 1) ) = ?10?^(-8) Ф; R_1=2/([BC_2+v(?[B?^ +4C(k-1)]C_2^2-4CC_1 C_2 )]2?f_в )= 2/([11,86*?10?^(-10)+v 140,67*?10?^(-20)-13 ,41*?10?^ -20) )*100,53*?10?^3])=47 кОм; R_2=1/(CC_1 C_2 R_1 (2?f_в )^2 ) =1/(?0.156*10?^(-8)*6 8*?10?^(-10)*47000*?87 20?^2 )=22 кОм;
Передаточная функция второго звена – типовая полиномиальная передаточная функция ФНЧ второго порядка, которая описывается соотношением (1.22): H_2 1S)=u_2/u_1 =(?kC??_c^2)/(S^2+?B? _c S+?C??_c^2 ), (3.1) где S = j?. H_1 (S)=u_2/u_1 =(?kC??_c^2)/(?-??^2+? ???_c B+?C??_c^2 ), Разделим передаточную функцию на действительную и мнимую часть. Сделаем подстановку: a=?C*??_c^2,b=?B*??_c. H_1 (S)=u_2/u_1 =ka/(?-??^2+j?b+a)=ka (?(a-??^2)+j?b); (3.2)
H_1 (js)=(ka?(a-??^2)-j?a k)/(??(a-??^2)?^2+?(b? ?^2 ); ?Re[H?_1 (js)]=(ka?(a-??^2))/(? (a-??^2)?^2+?(b?)?^2 ); ?Im[H?_1 (js)]=-?abk/(??(a-??^2 ?^2+(b?)^2 ). Передаточная функция всего фильтра определяется как произведение передаточных функций его звеньев: H(S)= H_1 (S)*H_2 (S) ?*H?_3 (S).
? 4 Исследование амплитудной и частотной характеристик звеньев фильтра (АЧХ и ФЧХ)
По известной передаточной функции звена H(S) находим его АЧХ A(?) как модуль передаточной функции и ФЧХ ?(?) как аргумент передаточной функции: A(?)=|H(j?)|=v(?Re?^2 [H(j?)]+?Im?^2 [H(j?)] ), (4.1) ?(?)=arctg[Im[H(j?)] Re[H(j?)] ]. Находим АЧХ звена второго порядка: A_1 (?)=v((k^2 a^2 ??(a-??^2)?^2+k^2 a^2 b^2 ?^2)/([???(a-??^2)?^2+? ??^2]?^2 ))=ka/v((??a-??^2)?^2+?( ?)?^2 ); (4.2)
(4.3) A_1 (?)=kC/v((?C-?(?/?_c )?^2)?^2+?(B?/?_c )?^ ); Находим ФЧХ звена второго: ?_1 (?)=-arctg (B??_c)/(C?_c^2-?^2 )=-arctg B?/(?_c (C-(??/?_c )?^2)). (4.4) Исходя из выведенных формул (4.1)-(4.4), мы можем построить расчётные АЧХ и ФЧХ для первого и второго звена, а также для всего фильтра. АЧХ и ФЧХ фильтра находятся по формулам: A(?)=А_1 (?)А_(2(?)) А_3 (?), (4.5) ?(?)=?_1 (?)+?_2 (?)+?_3 (?),
(4.6) На рисунке 4.1 изображены АЧХ ФНЧ и трех его звеньев.
Рисунок 4.1 – АЧХ фильтра Чебышева и его звеньев k_фнч=k_1 k_2 k_3=2*1,7*1=3,4 Ширина частотной области ??f=f?_1-f_в=17,5кГц- 4кГц=3,5кГц. Идеальная ширина переходной области шире реальной за счет округлений в процессе вычислений. Определим по графику k_c и k_1 Для этого переведём затухания ?1 и ?2 из логарифмической шкалы ([?] = дБ) в линейную ([?] = 1). АЧХ выражается в децибелах с помощью формулы: A(?),дБ=20 lg?|H(j?)|=20lgA(?), (4.7) Из формулы (2.7) следует, что затуханию сигнала в ? дБ соответствует его уменьшение в ?10?^(а?20) раз. k_c=A(0)/?10?^(a_1?2 ) =3,21;
k_1=A(0)/?10?^(a_2?2 ) =0,34; Ширина переходной области реального ФНЧ ??f=f?_1-f_в=15,7кГц- 4кГц=1,7кГц. На рисунке 4.2 изображены ФЧХ ФНЧ и трех его звеньев.
Рисунок 4.2 – ФЧХ фильтра Чебышева и его звеньев ? 5 Исследование логарифмических амплитудной и частотной характеристик звеньев фильтра (ЛАЧХ и ЛФЧХ)
Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) определяется по формуле (5.1): L(?)=A(?),дБ=20 lg?|H(j?)|=20lgA(?), (4.1) ЛАЧХ всего фильтра определяется как сумма ЛАЧХ звеньев: L(?)=L_1 (?)+L_2 (?)+L_3 (?), (4.2) ЛФЧХ всего фильтра определяется как сумма ЛФЧХ звеньев: ?(?)=?_1 (?)+?_2 (?)+?_3 (?), (4.3) На рисунке 5.1 изображены ЛАЧХ ФНЧ и трех его звеньев.
Рисунок 5.1 – ЛАЧХ фильтра Чебышева и его звеньев k=L(0)=20log3,4=10,6 По графику ЛАЧХ удобнее определять частоту среза и полосу пропускания. Так как a_1и a_2 даны нам в дБ, то нужно вычесть их из значения k, дБ на частоте f=0. k_c=L(0)-a_1=10,12 дБ k_1=L(0)-a_2=-9,38 дБ Ширина переходной области реального ФНЧ ??f=f?_1-f_в=15,7кГц- 4кГц=1,7кГц. На рисунке 5.2 изображены ЛФЧХ ФНЧ и трех его звеньев.
Рисунок 5.2 – ЛАЧХ фильтра Чебышева и его звеньев ? 6 Экспериментальная часть
Моделирование ФНЧ реализуем с помощью пакета Multisim 12 с использованием практических номиналов элементов из ряда E24. K f, Hz f0 2 0 fc 0,35 14 f1 0,3 15,7
Рисунок 6.1 – АЧХ первого каскада
K f, Hz f0 1,69 0 fc 1,82 14 f1 1.29 15,7
Рисунок 6.2 – АЧХ второго каскада
K f, Hz f0 1 0 fc 6,8 14 f1 3,29 15,7
Рисунок 6.3 – АЧХ третьего каскада
K f, Hz f0 2,56 0 fc 4,51 14 f1 1,22 15,7
Рисунок 6.4 – АЧХ третьего каскада ? 7 Моделирование схемы СУ и ФНЧ ИНУН Было проведено моделирование схемы СУ и ФНЧ ИНУН в среде Multisim12. Результаты работы представлены на рисунках 7.1 – 7.2.
Рисунок 7.1 ? Схема СУ
Рисунок 7.2 ? Схема ФНЧ ИНУН ? 8 Анализ результатов проектирования Для анализа результатов проектирования сравним значения расчетных и экспериментальных параметров фильтра (таблица 8.1). Таблица 8.1 – Сравнение параметров ФНЧ на разных этапах проектирования Параметр Расчетные значения Эксперимент значения К, раз 3,4 3,4 (по АЧХ) fc, Гц 14000 1444 (по АЧХ) f1, Гц 17500 17555 (по АЧХ) TW, Гц 3500 3111 (по АЧХ) Как видно из таблицы 8.1, экспериментальные значения отличаются от расчетных не более чем на 5%. Здесь отклонение параметров можно объяснить погрешностью приведения номиналов элементов схемы к ряду E24, дискретностью положения визира анализатора графиков и погрешностью вычислений, проводившихся вручную. В целом можно отметить, что моделирование фильтра проведено успешно, так как выполнены исходные требования к трём основным параметрам фильтра: k, fc и ?f. К положительным факторам можно отнести и то, что ширина переходной области получилась немного меньше.
9 Проектирование схемы
Было произведено проектирование схемы АЦП в среде EasyEDA для дальнейшей реализации на печатной плате.
Рисунок 9.1 ? Схема АЦП
Рисунок 9.2 – Печатная плата ? Заключение В результате выбора и расчета всех элементов была спроектирована принципиальная схема АЦП. На выходе этой схемы был получен цифровой сигнал, на ее вход был подан аналоговый. Это означает, что данная схема выполняет свою задачу и преобразует один тип сигнала в другой. Выполнено моделирование схемы в MultiSim 12. Небольшие отличия результатов моделирования от исходных и рассчитанных данных объясняются погрешностью в вычислениях. ? Библиографический список Чижма, С.Н. Проектирование активных фильтров на операционных усилителях: Методические указания к курсовому проекту / С. Н. Чижма. Омский институт инженеров железнодорожного транспорта, 1992. 46 с. Чижма С.Н. Проектирование аналогово-цифровых преобразователей с USB выходом / С. Н. Чижма. Омский государственный университет путей сообщения, 2008. 35 с. Техническая документация ОУ AD620 [Электронный ресурс]: media/en/technical-do umentation/data-sheet /AD620.pd . Техническая документация АЦП AD7818 [Электронный ресурс]: media/en/technicaldoc mentation/datasheets/ D7818.pdf Техническая документация преобразователя USB FT232 [Электронный ресурс]: DataSheets/DS_FT232R.p f. Техническая документация К155ИЕ5 [Электронный ресурс]: docs/Datasheet/k155ie5. df. Техническая документация гальванической изоляции ADuM 1400 [Электронный ресурс]: data-sheets/ADuM1400.pd . Техническая документация преобразователя постоянного напряжения [Электронный ресурс]: tma.pdf. ?
Приложение Аналогово – цифровой преобразователь с USB выходом !!!Внимание этого приложения нет!!!
* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.
