Разработка и расчет измерительного преобразователя

Разработка принципиальной схемы измерительного преобразователя, который преобразует входной ток заданной амплитуды в специальный код, рассчитанный для подключения 3.5-декадного ЖКИ индикатора; позволяет измерять величину электрического сопротивления.
Краткое сожержание материала:

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор

2 Разработка структурной схемы

3 Разработка и расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет дифференциального усилителя

3.2 Расчёт управляемого выпрямителя

3.3 Расчет фильтра низших частот (ФНЧ I)

3.4 Расчет формирователя управляющего напряжения (ФУН)

3.5 Расчет неинвертирующего усилителя

3.6 Расчет прецизионного выпрямителя

3.7 Расчет фильтра низших частот (ФНЧ II)

3.8 Разработка и расчёт АЦП

3.9 Разработка и расчёт блока питания

4 Анализ погрешности

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

В курсовом проекте разрабатывается измерительный преобразователь. Измерительный преобразователь -- техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

Разрабатываемый преобразователь позволяет измерять величину электрического сопротивления (Если к нему подключить устройство цифровой индикации, например светодиодный или ЖК индикатор).

1 Обзор

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

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.

В устройстве разрабатываемого измерительного преобразователя используется АЦП 572ПВ5 (смотри рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Внешний вид и расположение выводов АЦП 572ПВ5

Микросхемы представляют собой аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования и предназначены для применения в измерительных приборах напряжения, тока, сопротивления, температуры, веса и др. с выводом информации на семисегментный индикатор.

АЦП обеспечивает автоматическую коррекцию нуля и определение полярности входного сигнала. ИС имеют дифференциальные входы для аналогового сигнала и опорного напряжения, что позволяет измерять напряжения, «плавающие» относительно источника питания. Вывод 32 предназначен для использования в качестве аналогового общего провода при измерении напряжений, «плавающих» относительно напряжения питания. При этом напряжение, создаваемое на выводе 32, может быть использовано в качестве опорного. Диапазон входного сигнала определяется значением внешнего опорного напряжения из соотношения VIN =±1.999VREF.

Структурная схема и типовая схема включения приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Структурная схема и типовая схема включения АЦП 572ПВ5

Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП. Обычно измеряется в вольтах, поскольку для большинства АЦП входным сигналом является электрическое напряжение. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую зависит от разрядности АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку .

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

1) Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт

Разрядность АЦП 12 бит: уровней квантования

Разрешение по напряжению: (10-0)/4096 = 0.00244 вольт = 2.44 мВ

2) Диапазон входных значений = от ?10 до +10 вольт

Разрядность АЦП 14 бит: уровней квантования

Разрешение по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 =

=0.00122 вольт = 1.22 мВ

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (effective number of bits -- ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП.

При преобразовании сильно зашумленного сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум. Для достижения заявленной разрядности отношение С/Ш входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности.

Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).

Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР -- младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0.4 %.

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.

Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T -- период дискретизации) и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования.

Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП -- устройства выборки-хранения -- УВХ. УВХ, как правило, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании -- хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.

АЦП как правило, выпускаются в виде микросхем. Для большинства АЦП разрядность составляет от 6 до 24 бит, частота дискретизации до 1 МГц. Мега- и гигагерцовые АЦП также доступны (февраль 2002). Мегагерцовые АЦП требуются в цифровых видеокамерах, устройствах видеозахвата и цифровых TV-тюнерах для оцифровки полного видеосигнала. Коммерческие АЦП обычно имеют выходную ошибку от ±0,5 до ±1,5 МЗР.

Один из факторов увеличивающих стоимость микросхем -- это количество выводов, поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединён к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс. Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью.

Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключённых внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор. Различные модели АЦП могут включать в себя устройства выборки-хранения, инструментальные усилители или высоковольтный дифференциальный вход и другие подобные цепи.

АЦП встроены в большую часть современной звукозаписывающей аппаратуры, поскольку обработка звука делается, как правило, на компьютерах; даже при использовании аналоговой записи АЦП необходим для перевода сигнала в PCM-поток, который будет записан на компакт-диск.

Современные АЦП, используемые в звукозаписи, могут работать на частотах дискретизации до 192 кГц. Многие люди, занятые в этой области, считают, что данный показатель избыточен и используется из чисто маркетинговых соображений (об этом свидетельствует теорема Котельникова-Шеннона). Можно сказать, что звуковой аналоговый сигнал не содержит столько информации, сколько может быть сохранено в цифровом сигнале при такой высокой частоте дискретизации, и зачастую для Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехники используется частота дискретизации 44.1 кГц (стандартная для CD) или 48 кГц (типична для представления звука в компьютерах). Однако широкая полоса упрощает и удешевляет реализацию антиалиасинговых фильтров.

Аналого-цифров...