Схема сбора аналоговой информации микропроцессорной системы (стр. 1 из 6)
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. ЦЕЛЬ работы И ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
2. ТРЕБОВАНИЯ К РГР
3. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ расчетно-графической работы
4. ВЫБОР И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА
4.1 Выбор и расчет структурной схемы аналогового тракта
4.2 Определение технических требований к функциональным блокам аналогового тракта
5. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ КАНАЛА СБОРА АНАЛОГОВЫХ ДАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
5.1 Согласующий усилитель
5.2 Фильтр низких частот
5.3 Устройство выборки-хранения
5.4 Функциональный преобразователь
СПИСОК рекомендованной ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Функционально и конструктивно законченные средства, предназначенные для получения, обработки, использования информации с целью управления объектами и процессами, отображения состояния объекта, связи его с другими управляющими средствами называют электронными промышленными устройствами. Они в свою очередь являются подсистемами электронных систем управления более высокого уровня.
В настоящее время большое внимания уделяется проектированию электронных систем сбора и первичной обработки информации. Для электронных цифровых систем характерны высокая скорость измерения параметров, удобная форма представления информации, гибкий интерфейс, меньшая погрешность измерений.
Одна важнейших задач управления — регулирование состояния объектов. Это требует последовательности выполнения операций, основными из которых являются:
а) получение сведений о состоянии объекта или процесса;
б) получение извне командных воздействий, определяющих требуемое состояние объекта или процесса;
в) обработка полученных сигналов с целью наиболее эффективного приведения объекта или процесса в заданное состояние;
г) формирование управляющих воздействий, которые с помощью исполнительных органов изменяют режим работы объекта.
Часто приходится управлять не одним, а группой объектов, которые поочередно опрашиваются и для них формируются управляющие воздействия по индивидуальным алгоритмам.
Использование микроконтроллеров в изделиях электроники не только приводит к повышению технико-экономических показателей, но и позволяет сократить время на разработку изделий и делает их более гибкими, адаптивными.
1. ЦЕЛЬ работы И ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
Цель расчетно-графической работы - овладение методикой и навыками инженерного расчета основных функциональных узлов непрерывного и импульсного действия, применяемых в электронных системах управляющей и информационной электроники.
Указанная цель достигается при проектировании канала сбора аналоговой информации для микропроцессорной системы, который представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала датчика в цифровой код.
Постановка задачи
необходимо разработать структурную схему системы сбора аналоговой информации для дальнейшей ее обработки в системах более высокого уровня и определить технические требования к функциональным блокам системы, а также выбрать и рассчитать принципиальные схемы основных блоков системы. Варианты задания приведены в таблице 2 в приложении.
При этом в канале должно осуществляться 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 должны входит также ряд импульсных (аналого-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.
К АЦП можно подходить как к "черному ящику", который выполняет при подаче управляющего импульса "Пуск" преобразование напряжения на его аналоговом входе в цифровой двоичный код за конечный отрезок времени.
По завершении указанного процесса АЦП вырабатывает сигнал готовности "Готов", свидетельствующий о соответствии его выходного кода величине входного напряжения на аналоговом входе.
Временные диаграммы, иллюстрирующие работу АЦП, приведены на рис.1. Одной из особенностей работы ряда быстродействующих АЦП (например, поразрядного уравновешивания) является возможность появления сбоев при изменении уровня входного напряжения на момент преобразования.
Рисунок 1 - Временные диаграммы работы АЦП
По этой причине существует ограничение по скорости изменения входного сигнала.
Для освоения технических параметров АЦП необходимо уяснить следующее.
Суть работы АЦП заключается в том, что каждому уровню входного напряжения ставится в соответствие N -разрядный параллельный двоичный код. В самом простом случае это может быть параллельный прямой двоичный код, т.е. результат преобразования мы получаем в двоичной системе исчисления.
В двоичной системе счисления так же, как и в десятичной, каждой позиции (разряду) присвоен определенный вес.
Веса первых 10 разрядов (позиций) цифр двоичного числа имеют следующие значения, указанные в табл.1.
Таблица 1 - Значения веса первых 10 разрядов цифр двоичного числа
| Вес | 512 | 256 | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
| Разряд | D9 | D8 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
Зная вес разряда, легко осуществить перевод двоичного числа в десятичное, например,
101110121=
Число разрядов выходного двоичного кода АЦП определяет его точность. Чем больше число разрядов, тем выше точность.
Точность оценивается относительной погрешностью:
,где N - число разрядов.
Важным параметром является "Шкала АЦП", которая влияет на минимально различимый уровень входного сигнала АЦП.
Шкала АЦП численно равна максимально допустимому значению входного напряжения, которому ставится в соответствие максимальное двоичное число на выходе АЦП. Так, при шкале, равной 10 В, в десятиразрядном АЦП мы получаем при подаче
В двоичное число1111111111(2)=1023(10),
а при шкале 1 В мы при подаче уже 1 В получаем то же самое число 1023(10).
Минимально различимый уровень при шкале 10 В
а при шкале 1 В :
Вполне понятно, что максимальное напряжение на аналоговом входе не должно превышать шкалу АЦП. В противном случае нарушится однозначное соответствие выходного кода и уровня напряжения входного сигнала.
Источником информации (сигнала) для проектируемого канала сбора аналоговых данных является датчик с симметричным относительно общего провода выходом. Тип датчика не конкретизируется. Это может быть датчик перемещений, датчик температуры, измерительная мостовая схема и т.п.
Но в задании оговорена функциональная зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины, и одной из задач РГР является линеаризация характеристики измерительного тракта с целью повышения точности измерений.
Зависимость ЭДС датчика от измеряемой величины (для дневного отделения) для одних вариантов определена аналитическим выражением, для других - графической зависимостью
.Одновременно с полезным дифференциальным сигналом на вход проектируемого устройства попадает синфазная помеха, уровень напряжения которой задан. Эта помеха может иметь различную физическую природу - сетевые наводки, радиопомехи и т.п. Уровень синфазной помехи может значительно превышать уровень полезного сигнала, что требует принятия специальных мер ее подавления.
Исходные данные для проектирования канала сбора аналоговых данных микропроцессорной системы приведены в табл. 2 и на рис.2а - 2г.
Поясним отдельные технические требования к функциональным блокам проектируемого устройства.
Динамический диапазон изменения ЭДС датчика несет информацию о том, в каких пределах изменяется уровень входного сигнала, и выражается в децибелах:
Рисунок 2
Зная максимальную величину
ЭДС датчика и значение динамического диапазона, можно определить минимальное значение входного сигнала канала: 
,a затем, разработать технические требования по точностным параметрам аналогового тракта.
Время выборки tвыб определяет интервал времени, в течение которого происходит запоминание аналогового сигнала перед подачей его на вход АЦП.
Период Т следования (колебаний) выходного напряжения генератора в блоке управления устанавливает периодичность временной дискретизации аналогового сигнала и периодичность работы АЦП.
Отсутствие в задании каких-либо сведений о функциональной и принципиальной схемах проектируемого устройства вносит в РГР элементы творчества, способствует получению навыков самостоятельного инженерного поиска. Студент вправе обоснованно выбрать их вариант построения, а также использовать современную элементную базу.