Разработка канала обработки и сбора данных (стр. 1 из 2)

Введение

Курсовое проектирование является завершающим этапом изучения студентами специальных дисциплин, предусмотренных рабочим планом по специальности.

Задачи курсового проектирования - закрепление, систематизация, углубление и развитие теоретических и практических знаний, полученных в процессе изучения дисциплины, а также приобретение ими практических навыков самостоятельного решения общетеоретических, практических и методических вопросов моделирования.

Основная цель курсового проектирования состоит в изучении и анализе вопросов, связанных со специальными аспектами изучаемых дисциплин, совершенствовании общетеоретической подготовки студентов, а также самостоятельном применении полученных знаний. Цель проекта - закрепление полученной теоретической базы.

1. Анализ технического задания

В данной курсовой работе необходимо согласовать амплитуду выходного сигнала датчика со шкалой АЦП.

Параметры датчика:

В качестве датчика возьмем измеритель уровня токсичных газов и паров САРО6. На рисунке 1.1 представлена функциональная схема.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема CAPO6

Основные характеристики:

– Максимальная U_вых – 3,0 V

– Минимальная U_вых – 0,2 V

– Выходное сопротивление – 415 кΩ

– Диапазон частот – 0 … 1000 Hz

– Величина синфазной составляющей – 2 V

На рисунке 1.2 представлена характеристика зависимости выходного напряжения от концентрации газа.

Рисунок 1.2 – Характеристика концентратомера

Характеристики АЦП

- Сопротивление аналогового входа – 0,5 kΩ

- Сопротивление входа управления – 1 kΩ

- Диапазон входных напряжений – 10 V

- Число разрядов кода – N = 12

- Амплитуда импульса управления – 3 V

- Время преобразования – 10 μS

2. Построение структурной схемы

2.1 Взаимодействие блоков

По техническому заданию входной сигнал поступает с акселерометра, а преобразованный сигнал поступает на АЦП.

Согласующее устройство необходимо для согласования сопротивлений, первичного усиления, ослабления синфазной составляющей.

Фильтр низких частот необходим для ограничения частотного диапазона устройства в необходимых пределах.

Для данного датчика функциональный преобразователь не нужен так как датчик характеризуется линейной характеристикой.

Устройство выборки хранения служит для тактирования циклов выборки при преобразовании сигнала в цифровой код, т. е. для согласования устройства с АЦП.

Для снижения накопительной ошибки основное усиление должно происходить в согласующем устройстве, а остальные блоки имеют единичный коэффициент усиления.

Структурная схема приведена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 – Схема структурная канала сбора и передачи аналоговых данных.

2.2 Расчет структурной схемы

Перед тем как перейти к расчету блоков необходимо произвести расчет параметров, которые не заданны, но их, возможно, рассчитать, опираясь на характеристики датчика и АЦП.

(2.1)

(2.2)

D=23,5

Коэффициент усиления максимальный рассчитывается по формуле (2.3)

(2.3)

K_Umax=

= 65

Минимальный коэффициент усиления рассчитывается по формуле (2.4)

(2.4)

K_Umix =

= 4,3

По формуле (2.5) рассчитываем коэффициент ослабления синфазной составляющей.

(2.5)

К_ОСС =

= 20

2.2.1 Расчет устройства выборки хранения

Устройство выборки хранения служит для квантования сигнала по времени. То есть точность этого блока влияет на характеристики оцифрованного сигнала. Погрешность данного блока не должна превышать 10^–3с. Данный блок является конечным в канале сбора и обработки аналоговых данных поэтому его выходное сопротивление должно совпадать с входным сопротивлением АЦП, а так же должно быть согласование по уровню напряжения.

2.2.2 Расчет фильтра низких частот

Полоса пропускания данного устройства по техническому заданию лежит от 0 Hz до 1 kHz. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания должна быть минимальной. На граничной частоте ФНЧ должен иметь спад в –3 дБ. Коэффициент усиления по напряжению примем равным 1, для снижения погрешности преобразования. Расчет входных и выходных сопротивлений производим по формулам (2.5), (2.6).

kΩ (2.5)

(2.6)

2.2.4 Расчет согласующего устройства.

Согласующее устройство служит для подавления синфазной составляющей, а так же для усиления сигнала до необходимой амплитуды.

Коэффициент ослабления синфазной составляющей рассчитывается по формуле (2.4).

Коэффициент усиления по напряжению примем равным

Сопротивление входа согласующего устройства рассчитывается по формуле (2.7)

(2.7)

3 Расчетная часть

3.1 Подбор элементов

При подборе элементов необходимо учитывать, чтобы их параметры не влияли на преобразованный сигнал. То есть они имели бы достаточно широкий частотный диапазон и амплитуды рабочих сигналов.

Выбор ОУ производится по величине выходного напряжения, т. е. оно должно согласовываться со шкалой АЦП.

Подбор ОУ ведется по следующим параметрам:

- максимальный выходной ток;

- максимальное выходное напряжение;

- максимальная скорость нарастания выходного напряжения;

- входное сопротивление;

- коэффициент ослабления синфазной составляющей;

- напряжение смещения;

- напряжение сдвига;

- ток смещения;

Во всей схеме лучше использовать один тип ОУ т. к. тогда необходим лишь один двуполярный источник питания.

Ко всем узлам схемы желательно выбирать ОУ с как можно большим входным сопротивлением и коэффициентом ослабления синфазной составляющей, c как можно меньшими входными токами и напряжениями смещения.

ОУ OPA131P имеет очень высокое входное сопротивление, напряжение выхода данного ОУ и скорость нарастания отвечают предъявляемым к схеме требованиям, поэтому его можно использовать в построении данной схемы.

Данные ОУ OPA131P

Напряжение выхода U_{вых max}= ± 18 V;

- Коэффициент усиления без обратной связи К_U= 100000;

- Коэффициент ослабления синфазной составляющей К_ОСС = 80 дБ;

- Ток выхода I_{вых мах} = 1 mA;

_-

Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых = 10 ^V/_mks;

_-

Сопротивление входа

_- Сопротивление выхода

_-

Напряжение питания U_пит = ± 18 V;

_- Тепловой дрейф напряжения смещения

Критерием выбора полевого транзистора служит величина тока утечки, а так же напряжения затвор-сток, затвор-исток.

В качестве ключевого транзистора выбираем 2SJ68, т. к. он обладает высоким быстродействием, малым током утечки, малыми внутренними емкостями.

Данные полевого транзистора 2SJ68

- Максимальная рабочая частота f_max=150 MHz;

- Постоянный ток стока I_Cmax= 50 mA;

- Ток утечки затвора I_З.утч = 10 nA;

- Постоянное напряжение Затвор – Исток U_{ЗИ МАХ} =12 V;

- Постоянное напряжение Затвор – Сток U_{ЗС МАХ} = 40 V;

- Постоянное напряжение Сток – Исток U_{СИ МАХ} = 40 V.

В данной схеме необходимо использовать высокочастотные диоды, чтобы их рабочая частота превышала 1 kHz. Т. к. токи протекающие между ОУ очень малы то необходимо учитывать обратные токи диодов. Поэтому обратный ток должен быть как можно меньшим.

Диод выбирается по величине тока утечки и величине обратного напряжения.

В качестве диода выберем диод 1N3063.

Данные полупроводникового диода 1N3063:

- Максимально допустимый прямой ток I_прVD=50 mA;

- Максимально допустимый обратный ток I_обрVD= 0.1 mkA;

- Максимально допустимое обратное напряжение U_обрVD=50 V;

- Максимальная рабочая частота F_рабVD=20 MHz;

- Постоянное прямое напряжение U_пр = 1 V.

3.2 Расчет УВХ

Схема устройства выборки хранения изображена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – Схема электрическая УВХ.

Расчет данного узла производим по следующей методике.

Ёмкость времязадающего конденсатора вычисляется по формуле (3.1)

(3.1)

= F

Номинал резистора R28 можно вычислить по формуле (3.2)

(3.2)

Ω