АЦП для проведения лабораторных работ

Создание аналого-цифрового устройства для проведения лабораторных работ с использованием микроконтроллера. Разработка структурной и принципиальной схем. Выбор и описание элементной базы, используемого микроконтроллера. Программирование микроконтроллера.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ

Студенту Гусеву Антону Евгеньевичу

Тема дипломной работы: «АЦП для проведения лабораторных работ», утверждена приказом по университету приказом по университету № 421-ОД от 24 марта 2014г.

Срок сдачи расчетно-пояснительной записки на кафедру 25 июня 2014 г.

Исходные данные к работе: разработать АЦП для проведения лабораторных работ при помощи стенда «Дискрет», а также разработать устройство сбора аналоговых данных, подключаемый к персональному компьютеру.

Краткое содержание дипломной работы:

Исследовательской части: Провести обзор наиболее популярных семейств АЦП, а так же микроконтроллеров. Провести анализ существующего промышленного оборудования для проведения лабораторных работ.

Технологическое части: произвести выбор микросхем, описать их технические характеристики, разработать принципиальные схемы и печатные платы.

Организационно-экономическое части: произвести расчет экономических затрат на проектирование и изготовление плат для изучения АЦП и микроконтроллеров.

Охрана труда: произвести расчеты освещения и заземления производственного помещения, а так же рассмотреть вопросы техники безопасности при радиомонтажных работах.

Дата выдачи задания «13» марта 2014 г.

Научный руководитель, ст. преподаватель А.В. Варзяев

Задание принял к исполнению А.Е. Гусев

АННОТАЦИЯ

В данной дипломной работе была решена проблема создания аналого-цифрового устройства для проведения лабораторных работ с использованием микроконтроллера. Разработаны структурная и принципиальная схемы. Выбран и подробно описан используемый микроконтроллер.

Описан процесс реализации устройства, программирования микроконтроллера и выбрана элементная база.

ABSTRACT

In this thesis work has solved the problem of creating an analog-to-digital devices for laboratory work using a microcontroller. Described structural and schematic diagrams. Chosen and described in detail used microcontroller.

Describes the process of the device, microcontroller programming and selected element base.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Исследование и анализ предметной области

1.1 Современные аналого-цифровые преобразователи

1.2 Обзор аналого-цифровых преобразователей

1.3 Обзор лабораторных стендов для изучения АЦП

2. Проектирование микропроцессорной системы

2.1 Выбор элементной базы для реализации системы сбора аналоговых данных

2.2 Программирование микроконтроллера

2.3 Принципиальная схема устройства сбора аналоговых данных

2.4 Принципиальная схема стенда для исследования АЦП

2.5 Печатная плата

2.6 Программа микроконтроллера

3. Организационно-экономическая часть

3.1 Общие положения

3.2 Расчет затрат на проектирование и внедрение устройства

3.3 Определение экономической эффективности от внедрения

устройства

4. Охрана труда

4.1 Организация рабочего места программиста

4.2 Электробезопасность

4.3 Пожарная безопасность

Заключение

Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов

Список использованной литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП) [1].

Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Аналого-цифровой преобразователь (англ. Analog-to-digital converter, ADC) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).

Как правило, АЦП - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator - сравнивающее устройство) - электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе «+» больше чем на инверсном входе «?», и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше чем на инверсном входе [1].

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством входного и выходного каскадов:

Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В операционном усилителе, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.

Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход, и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером). При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).

Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (смотреть, например, триггер Шмитта - не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).

Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трехвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило +5 В или 0).

Трехвходовые компараторы имеют более широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счёт чего их вольт-амперная характеристика может представлять собой прямоугольную петлю гистерезиса.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Современные аналого-цифровые преобразователи

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин, сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП [2].

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(tj)}, j=0,1,2, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(tj)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании.

1.2 Обзор аналого-цифровых преобразователей

Параллельные АЦП. АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рисунке 1.1 показана реализация параллельного метода АЦП-преобразования для трёх разрядного числа.

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих э...