Интеллектуальный аналогово-цифровой преобразователь (стр. 2 из 2)
где
– относительная (безразмерная) частота;ωc – частота среза;
n – порядок фильтра.
В качестве фильтра низких частот применим фильтр Баттерворта на основе операционных усилителей со структурой Салена-Ки четвертого порядка, который представляет собой последовательное соединение двух фильтров низких частот второго порядка. Частота среза фильтра fс вычислена выше и составляет 181.5. кГц.
Рис 2. Схема фильтра низких частот.Согласно методике, предложенной в [Гут], расчет производится следующим образом:
Для первого звена: A = 1; b = 0.7654; c = 1.
= 55.1 [пФ] 
= 8.1 [пФ] 
= 41.59 [кОм] 
= 41.59 [кОм]Для второго звена: A = 1; b = 1.8478; c = 1.
= 55.1 [пФ] 
= 47.03 [пФ] 
= 17.23 [кОм] 
= 17.23 [кОм] Схема определения знака реализована на быстродействующем компараторе, неинвертирующий вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, а инвертирующий вход заземлен. Выход компаратора выведен на внешний порт. При положительной полярности сигнала компаратор выдаст высокий уровень, а при отрицательной – низкий.
Рис.3 Схема определения полярности сигнала
Расчет схемы автоматического выбора пределов измерения
Рис 4. Масштабирующий усилитель.
Устройство автоматического выбора предела измерения служит для приведения значения входного сигнала к основному пределу измерения 1В. Принцип действия устройства основан на изменении коэффициента передачи усилителя в зависимости от величины входного напряжения.
Входной сигнал Uвх поступает на входа операционного усилителя DA9 и преобразователя амплитудных значений (ПАЗ), сигнал с которого идет далее на сторожевые компараторы DA4 и DA5, изменяющие коэффициент усиления операционного усилителя DA9 с помощью мультиплексора MUXDA8.
Рис 5. Структурная схема ПАЗ.
ПАЗ работает следующим образом. Преобразуемое переменное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ DA3. Если Uвх > 0, диод VD1 смещается в прямом направлении, подключая С18 к выходу ОУ DA3. Конденсатор С18 заряжается до амплитудного значения Uвх с постоянной времени, определяемой емкостью С18 и малым выходным сопротивлением ОУ DA3 с единичной отрицательной обратной связью. При уменьшении Uвх диод VD1 смещается в обратном направлении, отключая С18 от выхода усилителя. Скорость разряда определяется значениями конденсатора С18 и резистора R10. Диод VD2 фиксирует выходное напряжение ОУ DA3 на уровне, равном –Uд, что уменьшает время, необходимое для перехода от режима разряда конденсатора С18, к режиму заряда. Погрешность преобразования определяется неидеальностью ОУ DA3, конечным значением обратного сопротивления диодов и наличием тока утечки конденсатора С18. Номинал конденсатора С18 определяется из условия:
где τраз – постоянная времени разряда ПАЗ.
Постоянная времени разряда ПАЗ должна быть в 2 – 3 раза меньше периода дискретизации. Номинал резистора R10 примем равным 2 кОм.
= 156.2 [пФ]Опорное напряжение задается источником опорных напряжений DA2 и равно 1.25В. Если Uвх менее 0.01В, то оба компаратора закрыты, если находится в пределах 0.01…0.1В, DA2 открывается, если более 0.1В, то оба компаратора открыты. Исходя из этого условия определим значения резисторов R11, R12 и R13.
Откуда находим, что R12 = 9·R13 и R11 = 115·R13.
R13 примем равным 100 Ом, тогда R12 = 900 Ом и R13 = 11.5. кОм.
Значения R14…R16 находят исходя из значения коэффициента усиления.
Значение R20 примем равным 47 кОм. При отрытых компараторах ток обратной связи усилителя будет протекать через R8 = 47 кОм (Ku = 1), при открытом DA2 – через R7 = 470 кОм (Ku = 10), при закрытых компараторах – через R6 = 4.7. МОм (Ku = 100). Значение резистора R21 можно принять равным 47 кОм.
Расчет преобразователя средневыпрямленных значений
В качестве преобразователя средневыпрямленных значений выберем двухполупериодный преобразователь средневыпрямленных значений с заземленной нагрузкой.
Рис.6 Структурная схема ПСЗ
Выходное напряжение данного преобразователя определяется из условия
при Uвх < 0
при Uвх > 0
При выполнении условия
коэффициенты преобразования полуволн напряжений равны и имеют равные знаки. В результате выходное напряжение Uвых будет однополярным и пропорциональным средневыпрямленному значению напряжения.
Чтобы сопротивление R24 не оказывало влияние на работу усилителя DA10, его целесообразно принять равным 50 ÷ 200 кОм, выбираем R24 = 100 кОм. Для получения единичного коэффициента преобразования DA2 выбираем R24 = R27 = R29.
Сопротивление R28 находится из уравнения
,откуда
= 33.3. [кОм]В качестве выпрямительных элементов целесообразно использовать универсальные и импульсные диоды. Выбираем диоды КД522А. Сопротивление R26 должно быть в 100 ÷ 200 раз больше прямого сопротивления диодов VD3 и VD4 []. У диодов КД522А сопротивление при прямом включении равно 15 Ом, принимаем R26 = 2 кОм
Коэффициент усиления DA10 для положительной полуволны примем равным 2, тогда R26 = 2 R22. R22 = 1 кОм
Сопротивление R23 определяется из
= 660 ОмПогрешности преобразования зависят от точности выполнения условия и смещения нуля ОУ DA11.
рис 7. Структурная схема устройства выборки-хранения
Список использованной литературы
1. «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ». Учебное пособие – (База необходимых знаний для подготовки бакалавров, дипломированных специалистов, магистров) – М.: Издательство МГОУ,
2. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – М.: Высш. шк., 2004.
3. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. – М.: Машиностроение, 1993.
4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988.
5. Бирюков С.А. Применение интегральных микросхем серий ТТЛ. – М.: "Патриот", МП "Символ-Р", "Радио", 1992.
6. Аналоговые измерительные устройства: Учебное пособие / В.Г. Гусев, А.М. Мулик; Уфимск. гос. авиац. техн. у-нт. Уфа, 1996.
7. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др. – Л.: Энергоатомиздат, 1987.
8. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры и применение. – М.: Энергоатомиздат, 1990.
9. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 1985.
10. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. – М.: Мир, 1982.
11. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы: Справочное пособие. – М.: "Солон-Р", 2000.
12. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1987.
13. Каталог "Чип индустрия". Осень 2003. www. chipindustry. ru
14. Справочные материалы фирмы Maxim.
15. www. maxim-ic. com
16. Справочные материалы фирмы AnalogDevice. www. analog. com
17. Справочные материалы фирмы Intersil. www. intersil. com
18. ГОСТ 2.701-84. Единая система конструкторской документации. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
19. ГОСТ 2.702-75. Единая система конструкторской документации. Правила выполнения электрических схем.