Проектирование канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы (стр. 1 из 2)

Канал сбора аналоговых данных представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код. При этом в канале осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) путем запоминания его мгновенных значений и хранения в течение определенного промежутка времени.

В состав канала сбора аналоговых данных входит также ряд импульсных узлов, которые синхронизируют работу его составных частей и управляют работой АЦП.

АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его нормальное функционирование.

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:

где

- максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП,

- шкала АЦП.

Максимальная величина ЭДС

датчика намного меньше шкалы АЦП, поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее чем:

где

- коэффициент запаса по усилению.

Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра

, где

- верхняя частота спектра сигнала датчика.

В задании на проект не оговорены требования к АЧХ фильтра, поэтому тип фильтра низких частот (ФНЧ) выберем самостоятельно. Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр типа Баттерворта 2-го порядка.

Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.

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

Из задания на проект известно, что требуется преобразовывать сигнал поступающий от 4 датчиков. В связи с этим в структурную схему должен быть включен мультиплексор.

В итоге анализа всего вышесказанного структурная схема может быть представлена так, как показано на рисунке 1.

исунок 1. Структурная схема аналогового тракта

СУ1…4 – согласующие усилители, ФНЧ1…4 – фильтры нижних частот, УВХ1…4 – устройства выборки-хранения, MS – мультиплексор, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта

Расчет технических требований будем производить в обратном порядке прохождения аналогового сигнала.

В качестве УВХ используем те принцип действия, которых основан на заряде емкости через ключ в течение интервала

, выборки и хранения накопленного значения в течение времени

после отключения ключа. В качестве ключа используют как биполярные, так и полевые транзисторы. Однако ключи на полевых транзисторах обладают лучшими характеристиками, поэтому их применение предпочтительней.

Основными техническими характеристиками УВХ являются:

Коэффициент передачи в момент окончания выборки

Максимальные значения входного

и выходного

напряжений.

Входное

и выходное

сопротивления по аналоговому сигналу.

Относительные ошибки выборки

и хранения

Форма и параметры сигнала на управляющем входе УВХ.

Напряжение источников питания УВХ.

В первую очередь зададимся

и найдем максимальное значение напряжения входного аналогового сигнала:

Зная, что современные методы построения УВД дают возможность реализации относительных ошибок

до

и ниже, можно установить требования к допустимой погрешности:

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:

;

Как известно, в схемах на ОУ достаточно легко реализуются большое входное сопротивление (до единиц мегом) и малое выходное сопротивление (менее десятков-сотен ом), поэтому устанавливаем требования:

;

Длительность импульсов управления и период их следования оговорены в задании на проект. Подлежит определению величина времени хранения

и амплитудные значения импульса и впадины на управляющем входе УВХ. Т.к. управляющий тракт реализуется полностью на ОУ, выбираем

;

При расчете принципиальной схемы эти данные будут уточнены.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

Верхняя граничная частота

Неравномерность АЧХ в полосе пропускания.

Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ.

Коэффициент передачи

по напряжению в полосе пропускания.