Методические указания к расчету и проектированию цифровых измерительных устройств

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Факультет информационных технологий Кафедра информационных технологий

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ «ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ»

Барнаул 2015

УДК 621.317

Методические указания к расчету и проектированию «Цифровых измерительных устройств» длястудентов специальности 12.03.01-Приборостроение (квалификация «Бакалавр». – Барнаул: Изд-во АлтГТУ им.И.И. Ползунова, 2015. – 53 с.

Изложены принцип действия и методика расчета цифровых измерительных устройств. Приведены примеры расчета различных АЦП.

Рассмотрены и одобрены научно-методическим советом кафедры "Информационных технологий". Протокол №1 от 09.09.2015.

Рецензент к.т.н. (АГПУ).

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.. 4

1 Проектирование измерителя временных интервалов. 7

1.1     Принцип действия измерителя. 7

1.2     Пример расчета измерителя временных интервалов. 10

2      Проектирование частотомера с цифровым отсчетом15

3      Проектирование время-импульсного преобразователя напряжения постоянного тока в код  21

3.1     Принцип действия преобразователя и основные положения. 21

3.2     Пример расчета время-импульсного преобразователя. 31

4      ПроектированиеАЦП с двухтактным      интегрированием.. 34

4.1     Принцип действия и основные характеристики. 34

4.2     Пример расчета вольтметра с двухтактным интегрированием. 37

5. Проектирование ацп поразрядного кодирования. 44

5.1. Принцип действия. 44

5.2. Определение основных параметров преобразователя. 45

5.3     Анализ погрешностей. 50

6 Список использованных источников. 53

ВВЕДЕНИЕ

Предметом курсового проектирования по дисциплине «Цифровые измерительные устройства» являются цифровые измерительные приборы (ЦИП), аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) или их отдельные блоки.

Современные цифровые измерительные устройства (ЦИУ) состоят из многих узлов и блоков, построенных в основном на элементах электроники. В конструкциях новых ЦИП и АЦП все шире используются микроэлектронные (интегральные) схемы, что привело к резкому улучшению многих характеристик и параметров цифровых измерительных устройств (точность, надежность, потребление. мощности, габариты, вес и т.д.). Промышленность выпускает большие интегральные схемы (БИС), в которых содержатся готовые функциональные схемы, такие как схемы ЦАП и АЦП на 10-12 разрядов и т.д.

В настоящее время на основе двух-трех микросхем можно собрать такое сложное устройство, как АЦП, обладающее достаточно высокими техническими характеристиками.

Наличие широкой номенклатуры готовых элементов и узлов в виде микросхем (цифровые и аналоговые) с известными характеристиками значительно облегчает задачу разработчика, но в то же время перед ним встают новые задачи, связанные со спецификой применения микроэлектронных схем (анализ характеристик микросхем, согласование параметров, выбор оптимального варианта и т.д.). Наличие готовых микросхем с заданными характеристиками явилось предпосылкой к машинному проектированию сложных цифровых устройств, например, ЭВМ. Имеется также большая вероятность, что и ЦИУ в будущем будут проектироваться аналогичным способом.

В последних разработках ЦИУ для управления работой прибора стали применять микропроцессоры, выполненные на одном или двух кристаллах. Этим самым упрощается цифровая часть устройства и дается возможность пользователю изменять функции прибора с помощью программ, вносимых в память микропроцессора.

К характеристикам выпускаемых промышленностью ЦИУ предъявляется ряд требований, нормируемых государственными стандартами. В частности, к характеристикам АЦП постоянного тока и напряжения предъявляется свыше 30 требований (ГОСТ 14014—68), а к характеристикам ЦАП — немногим меньше 30 (ГОСТ 14015—68).

При курсовом (а также дипломном) проектировании ЦИУ в первую очередь рассматриваются и рассчитываются основные технические характеристики.

К числу основных технических характеристик ЦИП и АЦП можно отнести следующие:

1)  диапазон изменения входных величин;

2)  основная погрешность преобразования или класс точности;

3)  быстродействие или время одного преобразования

4)  характер выходного кода или отсчетного устройства;

5)  входное сопротивление.

К числу основных характеристик ЦАП можно отнести:

1)  характер входного кода и число разрядов;

2)  значение выходной величины, соответствующее единице младшего разряда (ЕМР);

3)  основная погрешность преобразования;

4)  быстродействие;

5)  выходное сопротивление.

Кроме указанных выше характеристик ЦИП, АЦП и ЦАП имеется еще целый ряд других характеристик, которые в некоторых условиях могут стать важнейшими и повлиять на всю конструкцию. Это, например, надежность, степень помехозащищённости, габариты, масса и т.д.

В данном пособии не ставится цель дать методы расчета всего прибора или преобразователя, со всеми его узлами и блоками, так как это привело бы к чрезмерному увеличению объема пособия. К тому же в этом нет никакой необходимости. Методы расчета и синтеза входящих в ЦИП, АЦП или ЦАП отдельных узлов (усилителей генераторов, счетчиков, ключей и т.д.) меются во многих учебниках и учебных пособиях [1, 2, 3, 4, 5]. Во-вторых, как уже указывалось, современные цифровые измерительные устройства строятся с широким использованием готовых элементов и функциональных узлов в микроэлектронном исполнении с заданными техническими характеристиками. Задача проектировщика - умело выбрать нужные элементы и узлы, согласовать их характеристики и из этих элементов и блоков построить прибор. Поэтому в пособии приводятся методы определения на основе заданных характеристик только исходных данных для полного расчета входящих в измерительное устройство узлов. Например, для генератора импульсов стабильной частоты определяется номинальная частота и ее стабильность, для счетчика — емкость, быстродействие и т.д. По полученным основным характеристикам узлов можно производить детальный расчет и разработку или же выбор соответствующей микросхемы. Большое внимание в пособии уделено анализу погрешностей. Несмотря на то, что этому вопросу посвящено много специальных