Преобразователь двуполярного сигнала в униполярный

Функциональная схема устройства приведена на рисунке 19. Рисунок 19. Функциональная схема устройстваВходное двуполярное напряжение поступает на повторитель напряжения с большим входным и маленьким выходным сопротивлением. Затем происходит деление входного напряжения и смещение его до нулевого уровня сигнала АЦП (нормирование). В результате на выходе схемы мы получаем цифровой код, соответствующий входному напряжению.3.2 Выбор элементной базы3.2.1 Выбор сигма-дельта АЦПВ настоящее время ряд ведущих по аналого-цифровым ИМС фирм, такие как AnalogDevices и Burr-Brown, прекратили производство АЦП многотактного интегрирования, полностью перейдя в области АЦ-преобразования высокого разрешения на сигма-дельта АЦП.Выбираем АЦП AD7714 фирмы AnalogDevices. Основные характеристики микросхемы:Отсутствие пропущенных кодов..............................до 24 разрядовНелинейность...........................................................................0.0015%Программируемый коэффициент усиления..................от1 до 128Трехпроводной последовательный интерфейсДва типа исполнения микросхемы по питанию..........3В или 5ВНаименование выводов АЦП AD7714 приведено на рисунке 20. Рисунок 20. Структура АЦП AD7714AD7714 представляет собой 24-разрядный сигма-дельта АЦП с последовательным интерфейсом. ДанныйАЦП имеет три входных полностью дифференциальных канала, которые могут быть сконфигурированы как пять псевдодифференциальных. AD7714 имеет входной каскад с программируемым коэффициентом усиления, входной фильтр низкой частоты и отключаемый аппаратным образом входной буфер, обеспечивающий высокое входное сопротивление. На борту так же имеется контроллер калибровки с собственным статическим ОЗУ.Ток потребления микросхемы составляет 500 мкА в основном режиме и 10мкА в дежурном, что позволяет использовать это АЦП в устройствах с батарейным питанием. AD7714 выпускается в двух модификациях: AD7714-5 работает при номинальном аналоговом питании +5В, а AD7714-3 при аналоговом питании +3,3В, при этом цифровое питание различных модификаций может быть как +5В, так и +3,3В.3.2.2 Выбор операционного усилителяНа данном этапе проектирования необходимо сделать выбор операционного усилителя. Поскольку амплитуда входного или выходного сигнала близка к значениям питающего напряжения ОУ, используется усилитель AD822A от Analog Device. Характеристики ОУ приведены в таблице 2, наименование выводов – на рисунке 21.Таблица 2. Параметры ОУ.Тип ОУЧисло ОУ (Note1)КорпусViomax. (mV) (Note2)Icc на кажд ОУ (mAtyp.)ISC (mAtyp.)Ibmax. (full Tº range)GBP (MHztyp.)SR (V/µs typ.)Питание ОУ (V)Tº Диап. (ºC)Основные выполняемые функцииAD822D/QDIP/SO10/5/2200µA40300pA0.80.52.7 to 16-40/ +125НизкопотребляющийОУРисунок 21. Наименование выводов ОУ AD822A3.2.3 Выбор типа резисторовПоскольку в разрабатываемой схеме применяются микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа, применим резисторы типа CRCWкомпании Vishay, которые так же предназначены для поверхностного монтажа. Основные технические характеристики резисторов приведены в таблице 3.Таблица 3. Технические характеристики резисторов CRCWПараметрЗначениеРяд мощностей, мВтОт 0,063 до 1Максимальное напряжение, ВОт 50 до 500Рабочая температура, ºСминус 55 до +150Сопротивление изоляции, Ом, не менее1093.2.4 Выбор типа конденсаторовДля цепей частотной коррекции ОУ применим керамические конденсаторы типа VJ0805 производства компании Vishay. Основные технические характеристики конденсаторов приведены в таблице 4.Таблица 4. Технические характеристики конденсаторов VJ0805ПараметрЗначениеТип диэлектрикаX7RТип корпуса0805Рабочее напряжение, В10 – 100Диапазон емкостей, пФ100 – 106Тангенс угла диэлектрических потерь, %3,5Рабочая температура, ºСминус 55 до +1503.3 Разработка схемы электрической принципиальнойСхема электрическая принципиальная преобразователя двуполярного входного сигнала (диапазон от -10В до 10В) в диапазон одной полярности (от 0,5 до 4,5 В) с последующей обработкой этого сигнала сигма-дельта АЦП, удовлетворяющая требованиям Технического задания и функциональной схеме, показана на рисунке 22. Рисунок 22. Схема электрическая принципиальная преобразователяНормирующий преобразователь выполнен на двух ОУ AD822 с использованием универсальной схемы (рисунок 5). Приведённый сигнал поступает на вход АЦП.3.3 Расчёт элементов схемыИсходные данные для расчёта:Диапазон входных напряжений -10 - +10ВШкала АЦП 0,5–4,5 ВНапряжение смещения подаёмVcc=-10 ВУравнения для решения в программе MathCadсоставляем следующим образом:Напряжения заданы вВ, сопротивления в кОм. Значение резистора R5 задаем перед расчетом равным 10 кОм, а для резисторов R1, R2 указаны начальные значения. Расчетные значения получились 10 и 10 кОмНайдём недостающее сопротивление делителя:R4 = R3*(1 - (Uвых/Uвх))/ (Uвых/Uвх)Задаёмся R3=100 кОм, тогда R4=122 кОм. Принимаем R4=120 кОм, последовательно ему устанавливаем подстроечное сопротивление номиналом 5 кОм для точной подгонки диапазона.После симуляции проекта (рисунок 23) подгоняем R4=8200 Ом.выходвходРисунок 23. Результаты моделирования для прямоугольного сигналаРисунок 24. Результаты моделирования для сигнала треугольной формыРисунок 25. Результаты моделирования для синусоидального сигналаКак видно из рисунков, сигнал на выходе схемы не зависит от формы и частоты входного сигнала.4. Расчёт отношения сигнал/шум схемыВсесхемы усиления и обработки сигналов на выходе, помимо усиленного сигнала, имеют в наличии собственные шумы. Они обусловлены тепловыми шумами резисторов схемы и шумами активных элементов. Наличие этих искажений приводит к ухудшению качества выходного сигнала.При расчете предположим, что корреляция различных видов шумов отсутствует. В этом случае шумы складываются по правилу суммирования случайных величин:где ЕΣ — суммарный шум схемы; Е1, Е2,…ЕN — шумы компонентов схемы.4.1 Расчёт шумов усилителяУчитывая, что в дифференциальной схеме включения ОУ составляющая шума от резисторов схемы составит:,воспользуемся соотношением, приведённым в (2):.Шум, порождаемый внутренними источниками ОУ, выразится следующим образом:,Суммарный шум ОУ равен:.4.2 Расчёт шумов АЦПОтношение сигнал-шум дельта-сигма АЦП определяется по известной формуле:SNR= 6,02q+1,76 dB, q>1Это значит, что уже при трех битах SNR = + 20 дБ, а при 6 битах - +38 дБ. Различие огромное, однако уровень сигнала выше уровня шума. Это исключает необходимость использовать очень высокую частоту дискретизации и модуляторы высокого порядка для достижения, например, SNR=120 дБ. ЗаключениеВ результате выполнения курсовой работы была разработана схема масштабирующего преобразователя длядельта-сигма АЦП и произведён расчёт уровня шумов.Список использованных источников1 Вологдин Э.И. СИГМА ДЕЛЬТА МОДУЛЯЦИЯ В ЦИФРОВОЙ АУДИОТЕХНИКЕ. Конспект лекций. - СПбГУТ,2013.2 ШУМЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ. Г. Денисов, вед.специалист ООО «ЛАД»//Аналоговые компоненты, № 03, 2010.3 Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи Texas Instruments. Г. Штрапенин// Компоненты и технологии, №1, 2007.4 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб.пособие для приборостроит. Спец. вузов. - 2-е изд.:перераб. и доп. - М.: Высш. шк. 1991,-622с.5 Хоровиц П.: Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х томах. - 3-е изд., стереотипное - М.:Мир. 19866 Технические данные ОУ. Электронный ресурс http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD822.pdf7 Технические данные АЦП. Электронный ресурс http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7714.pdf