работа Тема: Построение аналого-цифровых преобразователей (стр. 2 из 2)
Рис. 5. Функциональная схема и временные диаграммы АЦП двойного интегрирования: ЭК-электронный ключ; ПС – пороговая схема; ДЧ – делитель частоты; Г – генератор, СЛУ – счетно-логическое устройство; ИНТ – интегратор; КНУ – компаратор нулевого уровня.
Интервалы времени от tи до нулевых отметок (t1 . . . t3) пропорциональны уровню входного сигнала. Существенным преимуществом преобразователя является простота компенсации наводок сети промышленного питания.
АЦП двойного интегрирования относится к наиболее медленно работающим преобразователям. Однако, высокая точность, низкий уровень шумов и низкая стоимость делают их незаменимыми для применения в щитовых приборах, мультиметрах, цифровых термометрах и т.п. Этому способствует также то, что результаты преобразования в интегрирующих АЦП часто представляются в десятичном коде или же в удобном виде для представления цифр десятичной системы счисления.
АЦП с применением ГУН, получивших название преобразователей напряжение - частота, обладают средним временем преобразования и используются, преимущественно, в измерительных системах, например, в системах измерения скорости и торможения автомобилей, измерения ухода частоты несущей в системах связи, высокоточных накопителях информации, помехоустойчивых системах передачи данных, фильтрах и др.
2. Генератор тактовых импульсов
В качестве ГТИ используем схему мультивибратора на логических элементах (ЛЭ) серии ТТЛ. Элементы «ИЛИ-НЕ» имеют стабильные входные и выходные токи, что позволит не применять дополнительных схемных решений для строгой фиксации временных интервалов.
Смена состояния мультивибратора происходит при сравнении напряжения на входе DD1.1 с уровнем Unop. Пусть в момент времени tq DD1.1 включился, a DD1.2 выключился. Положительный перепад напряжения передаётся через конденсатор С1 на вход DD1.1. Так как при этом напряжение на выходе DD1.3 равно нулю, начинается зарядка ёмкости по цепи: выход DD1.2 - С1 - R1 - выход DD1.3.
По мере зарядки уменьшается ток через резистор и напряжение на нём. При достижении им уровня Unop мультивибратор переключается в другое состояние, в котором происходит перезаряд ёмкости С1.
Расчёт тактового генератора для АЦП.
Дано:
Частота – 1МГц
Скважность – 4
Длительность фронтов – 10-2 мкс
Амплитуда – 6В
Решение
T=1 / F=
q=T / tи =
tп = Tи - tи =
где T- период
F - частота
tи – время импульса
tп – время паузы
По заданным данным:
Согласуемые элементы серии ТТЛ- КМДП
К155 - K176
Нагрузочная способность ПУ – 3
Частота переключения – 10 МГц
Температурный диапозон - -10 - +45
Выбираю Микросхему К155ЛИ1
рис. а рис. б
УГО (условно - графическое отображение) ИМС (К155ЛИ1),дано на рис. а
На рис б.приведена принципиальная схема двухвходового логического элемента “И”.
Параметры ИМС (К155ЛИ1)
(0) Uвых = 0,4
(1) Uвых = 2,4
(0) Iвх = -1,6
(1) Iвх = 0,04
Kраз (нагрузочная способность) = 10
Преобразователь уровней
Для того, чтобы использовать выше рассмотренный генератор тактовых импульсов необходимо согласовать его выходной сигнал по амплитуде и крутизне фронтов с входами микросхем АЦП, поскольку они выполнены в основном по технологии КМОП, для обеспечения более точного преобразования аналоговых сигналов.
 |
Поэтому между генератором и АЦП необходимо включить преобразователь уровней типа ТТЛ - КМОП.
Для построения схемы ПУ используем универсальные транзисторы типа КТ3102Г: (Таблица 1 )
Таблица 1
Расчёт преобразователя уровней.
Значения резисторов RK и Rб определим из условий двухсторонних ограничений:
Из условия, что напряжение на выходе ПУ не должно быть меньше напряжения U1 кмоп, для наихудшего соотношения параметров определяем первое ограничение сверху на величину RK:
Е - минимальное напряжение питания при заданном допуске;
I1 кмоп и Iкбо, - максимальные значения входного тока КМОП-элемента и обратного тока коллектора транзистора VT1, которые достигаются при максимальной температуре Тмакс заданного температурного диапазона работы ПУ.
Для нахождения I1 кмоп и Iкбо используем упрощенное выражение, описывающее зависимость обратного тока р-n перехода Iо от температуры окружающей среды Т:
Т* - приращение температуры, при которой обратный ток Iо (То) удваивается
(Т*~ (6 или 7)°С для кремния);
Iо (То) - ток Iо при некоторой исходной температуре Т0, который приводится в справочнике.
I вх КМОП (Т макс) ~ 1,5мкА * 2 (45 C– 20 C / 6 C) =
I кбо (Т макс) ~ 0,05мкА * 2 (45 C– 20 C / 6 C) =
Rk < (6,05 – 6) / ((2*(48,3мкА)+(16,1мкА)) =
Второе ограничение сверху на величину RK определяется
требованиями обеспечения заданного быстродействия ПУ:
Rк < 1 / (2,3 * f * Cн)
где Сн = nCвх +См
n - нагрузочная способность ПУ;
Свх - входная ёмкость КМОП - элемента;
См - ёмкость монтажа;
f - частота переключения ПУ.
Rк <
 |
Из условия ограничения тока коллектора насыщенного транзистора VT1 максимально допустимым током IK макс для наихудшего соотношения параметров определим ограничение снизу на величину RK:
где Е - максимальное напряжение питания при заданном допуске.
Uкэн ~ Iк макс * Rкэн = 0 В
Rк >
С точки зрения уменьшения мощности, потребляемой ПУ, необходимо выбрать величину RK наибольшей, удовлетворяющей двустороннему ограничению и в соответствии со стандартным рядом номиналов резистора.
Принимаем RK =
Мощность рассеиваемая на резисторе RK при насыщении транзистора VT:
P Rк > (E - Uкэн)’ / Rк =
Мощность резистора принимаем минимальной величиной - 0,125 Вт
Из условия, что ток базы Iб транзистора VT не должен превышать
ток I1 вых КМОП, получаем первое ограничение снизу на величину R6:
Rб >
еоб- напряжение на р - п переходе Б - Э насыщенного транзистора (для кремниевых транзисторов еоб ~ 0,6В)
Rб <
Из условия, что ток Iб не должен превышать максимально
допустимый ток базы Iб макс выбранного транзистора VT, получим
второе ограничение снизу на величину Rб.
Rб >
Для определения ограничения сверху на величину R6 потребуем, чтобы обеспечивалась для выбранного транзистора VT степень насыщения S. Тогда
Rб <
Величину Rб выбираем наибольшей, удовлетворяющей двустороннему ограничению, и в соответствии со стандартным рядом номиналов резистора.
Принимаем Rб = кОм.
Расчёт мощности, потребляемой ПУ от источника питания.
Если Uвх = Uo ттл, то транзистор VT находится в режиме отсечки и через резистор Rк протекает ток 2I1 кмоп + Iкбо, который будет максимальным при наибольшей температуре. Поэтому мощность, которую ПУ потребляет от источника питания Е в состоянии лог.1 на выходе, равна:
P = E* (n* Iвх кмоп + Iкбо) =
Если Uвх = U1 ттл, то VT насыщен и мощность, потребляемая ПУ в состоянии лог. О на выходе равна:
P = E*Iкн = E*((E – Uкэн) / Rк) + n*Iвх кмоп) =
Интегральный аналог ПУ
рис.6
Микросхема К176ПУ3 содержит шесть независимых преобразователей уровня без инверсии сигнала.
На вывод 1 подаётся напряжение +5В, а на вывод 16 - +9В. Условное обозначение и цоколёвка ИС приведены на рис.6. ИС предназначена для преобразования сигналов от КМДП ИС в сигналы ТТЛ ИС.
Литература:
1. М.И.Богданович, И.Н.Грель, В.А. Прохоренко. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. - Минск. “Белорусь” 1991г.
2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: "Радио и связь", 1987.
3. В помощь радио – любителю. Выпуск 109, 111.- г.1991