Разработка последовательно-параллельного аналого- цифрового преобразователя. Анализ структурной схемы последовательно-параллельного аналого-цифрового преобразователя

Управление УВХ происходит посредством тактового генератора.

                    Рис.3.1.2. Принципиальная схема УВХ.

            Устройство выборки и хранения должно обладать высоким быстродействием и обеспечивать хранение относительно высоких напряжений.

            Выбираем УВХ (DA2) SHC298:

 -Время переключения при точности ±0,004% 16нс;

 -Максимальное входное напряжение 7В;

 -Коэффициент усиления 1;

 -КМОП-ТТЛ совместимый вход управления;

 -Напряжение питания ±15В;

 -Ток потребления не более 4,5мА.

                                  Рис.3.1.3. Диаграммы работы УВХ.

Расчет аналого-цифрового преобразователя.

АЦП параллельного типа осуществляет одновременное квантование сигнала с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов устанавливаются с помощью резистивного делителя. При подаче на такой набор компараторов исходного сигнала, на выходах последних будет проквантованный сигнал, представленный в унарном коде. Для преобразования этого кода в двоичный используются логические схемы, называемые обычно кодирующей логикой.

Для построения трехразрядного АЦП необходимо семь компараторов и шифратор, преобразующий унарный код в двоичный. Принципиальная схема трехразрядного АЦП представлена на рис.3.1.4.

                    Рис.3.1.4. Принципиальная схема трехразрядного АЦП.

В таблице 3.1.1. указаны выходные коды при срабатывании определенного компаратора.                                                            

                                                                                                    Таблица 3.1.1.          

          Выбираем компараторы (DA3-DA9) AD790:

-Время установления сигнала не более 45нс;

-КМОП совместимый выход;

-Напряжение питания ±15В;

-Ток потребления не более 3,5мА.

          Для построения  резистивного делителя необходимо применение прецизионных резисторов.      

          Выбираем резисторы.

R3-R10 - C2-13 0.125-1кОм%

R - C2-13 0.125-1кОм%

В данной схеме важно обязательное использование приоритетного шифратора, выделяющего код самого старшего разряда.

          Выбираем шифратор (DD1) HD74HC148:

-Приоритетный шифратор;

-Время задержки сигнала 50нс;

-КМОП технология;

-Напряжение питания +15В;

-Ток потребления не более 5мА.

3.2. Проектирование и расчет цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Цифро-аналоговый преобразователь представляет собой специализированную микросхему, преобразующую входной цифровой код в аналоговый сигнал. В нашем случае будут использоваться только три старших разряда. Принципиальная схема трехразрядного цифро-аналогового преобразователя представлена на рис.3.2.1.

                    Рис.3.2.1. Принципиальная схема трехразрядного ЦАП.

            Выбираем цифро-аналоговый преобразователь (DA10) LTC7541:

-12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь:

-Время задержки сигнала 0.6мкс;

-КМОП совместимые входы;

-Напряжение питания +15В;

-Ток потребления не более 5мА.

            Чтобы данная микросхема преобразовывала входной код в напряжение, необходимо применение дополнительного операционного усилителя (DA11).

          Выбираем операционный усилитель (DA11) AD711 (его параметры описаны ранее).

3.3. Проектирование и расчет принципиальной схемы вычитателя.

Данный блок схемы реализуется на основе суммирующего усилителя. Вычитатель выполняет функцию выделения ошибки преобразования, основанной на вычитании двух сигналов. Из входного сигнала вычитается дважды преобразованный сигнал и результатом является разность двух сигналов, т.е. ошибка преобразования. Принципиальная схема вычитателя представлена на рис.3.3.1.

     Рис.3.3.1.Принципиальная схема вычитателя (в конкретном случае).

          Для данной схемы: Uвых=-R12((Uвх1/R10)+(Uвх2/R11)).

Uвх1 является выходной сигнал ЦАП, а Uвх2 входной сигнал АЦП1. Т.к. выходной сигнал ЦАП является инверсным, то на выходе схемы  получаем разность напряжений, ошибку преобразования связки АЦП1 и ЦАП.

Рассчитаем необходимые резисторы.

Зададимся единичным коэффициентом усиления.

R10=R11=R12=10кОм.

Выбираем резисторы.

R10-R12 - МЛТ 0,125-10кОм%

Тогда Uвых=-(Uвх1+Uвх2).

Выбираем операционный усилитель (DA12) AD711.

3.4. Проектирование и расчет принципиальной схемы второго   аналого-цифрового преобразователя (АЦП2).

Блок АЦП2 состоит из входного усилителя, компараторов и шифратора.      

          Схема входного усилителя  представляет собой схему инвертирующего усилителя.  Принципиальная схема входного усилителя приведена на рис.3.4.1.

                    Рис.3.4.1. Принципиальная схема входного усилителя.

Входной усилитель также предназначен для усиления входного сигнала до необходимого уровня, однако выходной сигнал будет проинвертирован относительно входного. Максимальный сигнал на входе усилителя равен 0.625В. Максимальный выходной сигнал усилителя должен равняться 5В.

Расчет элементов входного усилителя.

Выбираем операционный усилитель (DA13) AD711.

Рассчитаем необходимый коэффициент усиления по напряжению.

Для данной схемы:

Uвых=-Uвх(R14/R13);

k=Uвых/Uвх;

Uвх=0.625В; Uвых=5В;

k=5/0.625=8.

          Рассчитаем необходимые резисторы.

k=R14/R13=8;

Зададимся значением резистора R14=16кОм.

Тогда R13=2кОм.

Выбираем резисторы.

R13 - C2-13 0.125-2кОм%

R14 - C2-13 0.125-16кОм%

          Дальнейшая схема полностью аналогична схеме АЦП1.

Выбираем компараторы (DA14-DA20) AD790.

Выбираем резисторы.

R15-R22 - C2-13 0.125-1кОм%

          Выбираем шифратор (DD2) HD74HC148.

3.5. Проектирование и расчет принципиальной схемы источника опорного напряжения.

Источник опорного напряжения необходим для работы блоков аналого-цифрового (АЦП1 и АЦП2) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразователей. В данной схеме применяется один источник опорного напряжения для всех блоков. Необходимая величина опорного напряжения равна 5В. Источник должен отвечать высоким требованиям: иметь низкую