48732

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С USB ВЫХОДОМ

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчет аналоговой части АЦП Расчет цифровой части АЦП Микросхема АЦП Фильтр нижних частот Заключение Библиографический список Введение Аналогоцифровой преобразователь АЦП представляет собой устройство обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код который передается в микропроцессорную систему.

Русский

2013-12-14

1.37 MB

101 чел.

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения

 

Кафедра «Автоматика и системы управления»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С USB ВЫХОДОМ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»

ИНМВ.4029000.000 ПЗ

Студент  гр. _____29з_______

                                (номер группы)

__________________                  ____К.А. Литвинов  ____

(подпись студента)                      (И., О., Фамилия студента)  

__________________

         (дата)

Руководитель –

доцент кафедры АиСУ

(должность преподавателя)

_____________________    ______ С. Н. Чижма _______

(подпись преподавателя)        (И.О., фамилия преподавателя)

_______________   

          (дата)

__________________________

                  (оценка)

Омск 2012

Реферат

УДК 621.38

Курсовой проект  содержит 29 страницы, 27 рисунков, 22 формулы, 7 таблиц, 5 источников, 3 приложения.

Аналогово-цифровой преобразователь, согласующий усилитель, фильтр нижних частот, изолирующая цифровая схема, гальваническая развязка, конвертер USB, микросхема, синфазный сигнал, частотные характеристики, децибел.

Объектом разработки является аналогово-цифровой преобразователь с USB выходом.

Пояснительная записка выполнена в программе Microsoft Word 2010. Графические материалы выполнены в программе Microsoft Visio 2010. Моделирование произведено в программах Micro-Cap 10.

Содержание

[1]
Введение

[2] Задание

[3] 1 Выбор функциональной схемы устройства

[4] 2. Расчет аналоговой части АЦП

[4.1] 2.1. Определение коэффициента передачи аналогового тракта и коэффициента ослабления синфазного сигнала.

[4.2] 2.2. Расчет согласующего усилителя

[4.3] 2.3 Расчет активного фильтра нижних частот

[5] 3. Расчет цифровой части АЦП

[5.1] 3.1 Микросхема АЦП

[5.2] 3.2 Блоки гальванической развязки

[5.2.1] 3.2.1. Преобразователи постоянного напряжения

[5.2.2] 3.2.2. Цифровые изолирующие микросхемы

[5.3] 3.3. Конвертеры USB

[6] 4 Моделирование схемы

[6.1] 4.1 Моделирование генератора

[6.2] 4.2 Согласующий усилитель

[6.3] 4.4 Фильтр нижних частот

[7] Заключение

[8] Библиографический список


Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему. АЦП состоит из трех частей: аналоговой части, собственно АЦП в интегральном исполнении и цифровой части. При этом в аналоговой части осуществляется усиление, фильтрация и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в АЦП. Микросхема АЦП осуществляет преобразование входного аналогового сигнала в последовательный или параллельный цифровой код (в соответствии с заданием). Цифровая часть устройства выполняет преобразование цифрового кода с выхода АЦП в код, передаваемый на вход микропроцессорной системы по интерфейсу USB. Питание на АЦП подается от напряжения +5 В интерфейса USB, все прочие постоянные напряжения в схеме вырабатываются с помощью преобразователей DC-DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.

Задание

В ходе курсового проектирования необходимо разработать функциональную и принципиальную схему АЦП, рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот, выбрать микросхему АЦП, выбрать тип конвертора USB, рассчитать и выбрать преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции, выполнить моделирование схемы с помощью одного из программных пакетов схемотехнического моделирования.

Исходные данные для курсового проекта представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные для курсового проекта

Вари-ант

Тип АЦП

Раз-ряд-ность

Кол. вхо-дов

Uвхm, мВ

Uсф, мВ

D, дБ

fв, кГц

Тип ФНЧ

Δf, кГц

α1, дБ

α2, дБ

29

Пар

8

4

70

50

30

5

Чеб

2

0,5

20

1. Тип АЦП – последовательный или параллельный

2. Разрядность АЦП

3. Количество входов

4. Амплитуда входного напряжения, мВ

5. Синфазное напряжение, мВ

6. Динамический диапазон, дБ

7. Частота высшей гармоники, кГц

8. Тип ФНЧ – Чебышева или Баттерворта

9. Ширина переходной области, кГц

10. Затухание в полосе пропускания, дБ

11. Пропускание в полосе задерживания, дБ

1 Выбор функциональной схемы устройства

Микросхема АЦП может иметь несимметричный аналоговый вход, а датчик, сигнал с которого подается на АЦП – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный согласующий усилитель, установленный на входе устройства (СУ). Его назначение – согласование симметричного сигнала и несимметричного входа, согласование сопротивлений источника сигнала и входного сопротивления АЦП, усиление полезного сигнала и подавление синфазной помехи.

Входной сигнал имеет паразитные высокочастотные составляющие, которые могут влиять на АЦП. Для их устранения на входе микросхемы АЦП устанавливаются фильтры нижних частот.

Микросхема АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Для гальванической развязки цифровых сигналов АЦП и интерфейса USB применяются блоки гальванической развязки, выполненные на оптронах или импульсных трансформаторах.

Преобразование цифрового кода с выхода микросхемы АЦП осуществляется с помощью конвертера, имеющего последовательный или параллельный вход, в зависимости от типа АЦП.

Обобщенная функциональная схема АЦП представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема АЦП: СУ1 – СУ4 – усилители, ФНЧ1 – ФНЧ4 – фильтры нижних частот, АЦП – микросхема аналого-цифрового преобразователя, БГР – блок гальванической развязки, КОНВ – конвертер, DC-DC – преобразователь постоянного напряжения, USB – разъем интерфейса USB

Выбор элементов:

  1.  Частота дискретизации АЦП:

fДИСК ≥ 2fВЕРХ ·NВХ

fВЕРХ = 5 кГц

NВХ = 4

fДИСК  ≥ 40 кГц

  1.   Выбор микросхемы АЦП:

Микросхема АЦП выбирается по следующим параметрам: число входов, разрядность, частота дискретизации, тип интерфейса. Заданным параметрам удовлетворяет микросхема AD7825 фирмы Analog Devices. Ее параметры представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Параметры микросхемы AD7825

Прибор

Частота преобразования

Число входов

Интерфейс

Время преобразования [нс]

Напряжение питания [В]

Потребляемая
мощность,
мВт

Мин. число выводов

Особ-ти

Положительное

Отрицательное

AD7825

2 МГц

4

Парал.

420

2.7…5.5

36

24

Конв-й

  1.  Выбор конвертера USB:

Выбираем конвертер, преобразующий выходной код АЦП в стандартный сигнал интерфейса USB. Так как интерфейс АЦП параллельный – выбираем микросхему FT245BM.

  1.  Выбор микросхем питания:

Для питания микросхемы АЦП необходимо напряжение +5 В. Для питания операционных усилителей, на которых строится аналоговая часть, необходимо два напряжения: –15 В и +15 В. Таким образом, необходим один преобразователь +5/+5 В и один преобразователь +5/±15 В. Выбираем микросхемы TMA0505S, TMA0515D.

  1.  Выбор селектора каналов:

Так как АЦП многоканальный, необходим селектор каналов, который позволит последовательно опрашивать каждый канал микросхемы АЦП. В качестве селектора каналов выбираем микросхему К155ИЕ5.

  1.  Выбор микросхемы гальванической развязки:

Для гальванической развязки выберем 2 микросхемы ADuM 1400 и одну микросхему ADuM 1402.

2. Расчет аналоговой части АЦП

2.1. Определение коэффициента передачи аналогового тракта и коэффициента ослабления синфазного сигнала.

АЦП имеет несимметричный аналоговый вход, а датчик – симметричный выход. Отсюда ясно, что в состав аналогового тракта должен входить дифференциальный усилитель, подключенный к выходу датчика. Назовем этот усилитель согласующим (СУ).

Наибольшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП, т.е. в том случае, когда:

,

где  – максимальное значение сигнала на аналоговом входе АЦП,  – шкала АЦП, которая определяется по паспортным данным микросхемы АЦП. Для выбранной микросхемы AD7825 при питании 5В  также равна 5В.

Максимальная величина ЭДС датчика намного меньше шкалы АЦП, поэтому аналоговый тракт должен обладать коэффициентом усиления не менее чем:

,

где =1,2 – коэффициент запаса по усилению.

При величине входного сигнала 70 мВ, KZ = 86.

Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот

КZСУ∙КФНЧ.

Выберем для примера КСУ =10 и КФНЧ =8,6.

Из задания на проект известно, что наряду с полезным сигналом действует синфазная помеха. Для исключения ее влияния аналоговый тракт должен иметь коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

При амплитуде входного сигнала есmax = 70 мВ, динамическом диапазоне D = 30 дБ и синфазной помехе Uсинф = 50 мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно:

В

.

Ориентируясь на выполнение аналогового тракта на операционных усилителях (ОУ), зададимся стандартной величиной напряжения источников питания:

;

.

В момент преобразования аналогового сигнала в цифровой код напряжение на входе АЦП должно быть неизменно. Следовательно, в состав аналогового тракта должно входить устройство выборки-хранения, которое периодически запоминает с осреднением мгновенное значение выходного сигнала фильтра низких частот и хранит его в течение времени хранения. Современные микросхемы АЦП, как правило, имеют встроенные устройства выборки-хранения, поэтому нет необходимости дополнительно разрабатывать и рассчитывать эти блоки.

2.2. Расчет согласующего усилителя

Для реализации согласующего усилителя (СУ) используем схему, представленную на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принципиальная схема согласующего усилителя

Расчет СУ начнем с выбора операционного усилителя (ОУ). Критериями выбора является возможность удовлетворения следующих неравенств:

Этим условиям удовлетворяет счетверенный операционный усилитель К1401УД2А:

Для достижения наибольшего ослабления синфазной помехи коэффициент усиления первой ступени усиления на DA1, DA2 примем наибольшим, а коэффициент усиления разностного усилителя на DA3 примем равным единице. В этом случае резисторы R5R8 получаются одного номинала, что облегчает их подбор.

Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3.

Зададимся номиналами резисторов исходя из неравенства:

.

Рекомендуемое значение , отсюда примем .

Расчет каскадов DA1 и DA2 начнем с выбора суммарного сопротивления резисторов R1 и R2. Примем его равным . Тогда номиналы резисторов R3 и R4 определим по формуле:

.

Для нашего примера КСУ  = 10, отсюда

.

Номиналы резисторов R3 и R4 определим из стандартного ряда Е12 и примем их равными R3=R4=22 кОм.

Зная суммарное сопротивление резисторов R1 и R2, равное , выберем значение R1 и R2 таким образом, чтобы имелась возможность изменять коэффициент усиления в пределах 20%. Выберем из стандартного ряда Е12 R1=2,2 кОм, R2=5,6 кОм. В этом случае при нахождении подстроечного резистора R2 в среднем положении суммарное сопротивление равно 5 кОм и есть возможность регулировки в пределах более 20%.

Допуск на относительный разброс номиналов резисторов, определим по формуле:

.

2.3 Расчет активного фильтра нижних частот

Из задания на проект известна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра , где fВ – верхняя частота спектра сигнала датчика. Коэффициент передачи активного фильтра КФНЧ определен выше и равен 8,6.

В задании для курсовой работы оговариваются требования к АЧХ фильтра.

Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр Чебышева, порядок фильтра рассчитывается исходя из требований к АЧХ.

Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке, практически полная развязка входных и выходных цепей и малые габариты.

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

  •  верхняя граничная частота = 5 кГц;
  •  коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания       КФНЧ  = 8,6;
  •  минимальное затухание в полосе пропускания α1 = 0,5 дБ;
  •  максимальное затухание в полосе задерживания α2 = 20 дБ;
  •  ширина переходного участка АЧХ Δf = 2 кГц.

Тогда минимальный порядок фильтра Чебышева рассчитаем по формуле:

Ближайшее целое число, большее полученного – 3, следовательно выбираем фильтр третьего порядка.

При n = 3 функциональная схема выглядит следующим образом:

Рисунок 2.1 – функциональная схема ФНЧ третьего порядка

Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания

КФНЧ = 8.6, определим коэффициенты передачи для каждого из звеньев:

В качестве принципиальной схемы ФНЧ выбираем схему с МОС.

Принципиальная схема ФНЧ третьего порядка с МОС представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – принципиальная схема ФНЧ третьего порядка с МОС

Таблица 2.1 – Исходные данные для расчета ФНЧ

Тип ФНЧ

Порядок фильтра

Минимальное затухание в полосе пропускания α1, дБ

B

C

Чебышева

3

0,5

0,626

1,142

0,626

Для первого каскада, представляющего собой ФНЧ 2-го порядка с МОС, параметры рассчитываются по приведенным ниже формулам.

Номинальное значение емкости C2 задается близким к величине .

Значение емкости C1 выбирается исходя из выражения:

Значения резисторов рассчитываются по формулам:

Рассчитаем численные значения этих параметров, учитывая, что

B = 0,626, C = 1,142, коэффициент передачи :

Выберем значение С1  = 10-11 Ф.

 

Для второго каскада, который является ФНЧ 1-го порядка, параметры рассчитываются следующим образом.

Значение емкости C1 задается близкое к величине .

Параметры резисторов рассчитываются по следующим формулам:

Рассчитаем численные значения этих параметров, учитывая, что C=0,626, коэффициент передачи :

В результате получим следующую схему ФНЧ:

Рисунок 2.3 – Результирующая схема ФНЧ третьего порядка с МОС

3. Расчет цифровой части АЦП

3.1 Микросхема АЦП

Рисунок 3 – Функциональная схема АЦП AD7825

Микросхема имеет четыре канала, частота дискретизации – 2 МГц, разрядность – восемь, выходной интерфейс – параллельный. Напряжение питания VDD лежит в диапазоне от 3 до 5 В, внешнее опорное напряжение VREF  = 2,5 В. Микросхема выполнена по КМОП-технологии. Типичная схема подключения микросхемы к внешней шине показана на рисунке 7, временные диаграммы – на рисунке 3.2.

Рисунок 3.1 – Типичная схема подключения АЦП AD7825

Рисунок 3.2 – Временные диаграммы работы АЦП AD7825

Микросхема имеет восемь каналов, выбор которых осуществляется по входам А0-А2. Для последовательного опроса каналов можно использовать трехразрядный счетчик. Фрагмент схемы, показывающий подключение АЦП к конвертеру USB и реализацию селектора каналов, показан на рисунке 9.

Рисунок 3.3 – Подключение АЦП к конвертеру USB

3.2 Блоки гальванической развязки

Одна из наиболее серьезных проблем, возникающих при передаче данных между электронными устройствами (или между различными узлами одного устройства), – несовпадение нулевых потенциалов этих устройств, так называемых «земель». Если непосредственно соединить земляные цепи разных устройств при помощи провода или экрана кабеля, то возникают паразитные контуры, по которым начинают проходить земляные токи. Они вызывают искажения сигналов, помехи, повышенный уровень излучения, а при большой разности земляных потенциалов могут приводить к повреждениям устройств. Кроме того, в некоторых применениях, например в медицинской аппаратуре, гальваническая связь может приводить к опасности поражения электрическим током. Поэтому для передачи сигналов между устройствами с различными земляными потенциалами линии связи должны иметь гальваническую развязку. Ее задача – обеспечивать передачу информации без искажений в условиях изменения земляных потенциалов устройств и наличия синфазных помех.

Так как входная часть АЦП должна быть изолирована от интерфейса USB, то необходимо использовать устройства с гальванической изоляцией. Для передачи цифровых сигналов можно использовать оптронные пары или микросхемы с импульсными трансформаторами, для передачи постоянного напряжения – блоки DC-DC.

3.2.1. Преобразователи постоянного напряжения

Преобразователи постоянного напряжения DC-DC предназначены для передачи постоянного напряжения и гальванической изоляции. Преобразователи выпускаются с различными номиналами входных и выходных напряжений. Рассмотрим преобразователи фирмы TRACO, имеющие входное напряжение +5 В.

В таблице 5 указаны выводы преобразователей, а на рисунке 10 показано условное графическое обозначение микросхемы.

Преобразователи серии ТМА имеют в номенклатуре блоки как с выходным напряжением +5 В, так и с двумя напряжениями ±15 В. Маркировка этих преобразователей следующая: первые две цифры – входное напряжение, третья и четвертая цифры – выходное напряжение, последняя буква – количество выходных напряжений: S – одно, D – два. Для питания цифровых цепей и микросхемы АЦП можно использовать ТМА0505S, для питания операционных усилителей – ТМА0515D.

Таблица 3 – Преобразователи ТМА

Тип преобразователя

Входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

Максимальный выходной ток, мА

Коэффициент полезного действия, %

TMA0505S

5 ± 10 %

5

200

71

TMA0512S

12

80

78

TMA0515S

15

65

78

TMA0505D

±5

±100

72

TMA0512D

±12

±40

78

TMA0515D

±15

±30

79

Таблица 3.1 – Выводы ТМА

Вывод

Одиночный преобразователь

Сдвоенный преобразователь

1

2

4

5

6

+Vin (Vcc)

Vin (GND)

Vout

Не используется

+Vout

+Vin (Vcc)

–Vin (GND)

–Vout

Common

+Vout

Необходимо выполнить проверку по входному и выходному току преобразователей. Преобразователи серии ТМА имеют выходной ток соответственно 200 мА при 5 В и 30 мА при 15 В. Для проверки необходимо посчитать потребляемый ток по цепям +5 и ±15 В, после этого делать вывод о возможности применения преобразователей выбранного типа.

Рисунок 3.4 – Условное графическое обозначение ТМА0505S

3.2.2. Цифровые изолирующие микросхемы

Для гальванической развязки узлов радиоэлектронной аппаратуры традиционно использовались трансформаторы и оптические изоляторы. С совершенствованием технологий появилась возможность упаковывать в обычные корпуса микросхем индуктивные элементы и передавать данные через магнитное поле внутри корпуса. Фирма Analog Devices разработала и запатентовала технологию производства таких устройств под названием iCoupler. Главным их достоинством по сравнению с оптическими изоляторами является более высокая скорость передачи данных. Кроме того, у них при одинаковых скоростях заметно меньше потребляемая мощность. А при создании многоканальных, и особенно двунаправленных, гальванически развязанных линий передачи данных их применение вместо оптических изоляторов позволяет в несколько раз сократить габариты, потребляемую мощность и стоимость узлов гальванической развязки.

Наиболее многочисленная группа устройств, в которых используется технология iCoupler – это цифровые изоляторы (digital isolators). Они предназначены для построения гальванически развязанных линий передачи цифровых сигналов. Как на входах, так и на выходах этих устройств не требуется дополнительных балластных или нагрузочных резисторов или каких-либо других деталей. Как входная, так и выходная части устройства могут работать при напряжении питания от 3 до 5,5 В. При этом значения питающих напряжений по обе стороны изолирующего канала не зависят друг от друга и могут быть как одинаковыми, так и разными. Таким образом, изоляторы iCoupler в дополнение к гальванической развязке могут обеспечивать преобразование цифровых уровней. Заметим, что при питании 5В значения входных логических порогов близки к стандартным уровням ТТЛ. Выходные напряжения при любом питании приближаются к уровням питающих напряжений (КМОП-уровни). В одном корпусе цифрового изолятора iCoupler может быть от одного до четырех каналов. Эти каналы могут быть как однонаправленными, так и разнонаправленными. На рисунке 11 изображены микросхемы гальванической изоляции ADuM1400 и ADuM1402 соответственно, первая из которых – однонаправленная, вторая – двунаправленная.

а)

б)

Рисунок 3.5 – Микросхемы гальванической изоляции ADuM 1400(а), 1402(б)

3.3. Конвертеры USB

Конвертер USB-параллельный интерфейс FT245BM характеризуется следующими параметрами:

  •  однокристальный двунаправленный преобразователь USB – FIFO;
    •  буфер приема данных 384 байта с программируемым таймаутом по приему, буфер передачи – 128 байт;
    •  совместимость со спецификациями USB 1.1 и USB 2.0;
    •  совместимость с интерфейсами хост-контроллеров UHCI/OHCI /EHCI;
    •  напряжение питания от 4,4 В до 5,25 В и интегрированный стабилизатор напряжения 3,3 В;
    •  встроенная схема формирования сигнала "Сброс";
    •  встроенный умножитель частоты 6 МГц – 48 МГц;
    •  возможность программирования микросхем EEPROM с протоколом Microwire под управлением USB;
    •  встроенный преобразователь уровней FIFO и управляющих сигналов для управления 5 В и 3,3 В логикой.

Основное описание. FT245BM предоставляется как простой выгодный метод передачи информации между периферийным устройством и хостом со скоростью до 1 Мб/с. Это простое, разработанное по принципу FIFO устройство, легко соединяет любой микроконтроллер или микропроцессор с портами ввода-вывода. Передать данные от периферии к компьютеру можно просто добавив биты для записи в модуль при низком значении сигнала TXE#. Если буфер передачи (384 байта) переполнен или происходит сохранение заранее переданных байт, устройство устанавливает TXE# в 0 до момента, когда некоторое число байт из очереди будет передано через USB на хост. TXE# переходит в 1 после каждого записанного байта.

Когда хост передает данные к периферии через USB, микросхема устанавливает выход RXF# в низкий уровень, позволяя периферийному устройству информацию о том, что как минимум один бит информации  доступен для чтения. Периферийное устройство может считать байт информации в любое время, пока бит RXF# установлен в 0. После каждого прочитанного байта RXF# переходит в 1.

При использовании драйверов FTDI – виртуальный COM-порт периферийное устройство для программных приложений выглядит как стандартный COM порт. Команда установки скорости игнорируется – микросхема передает информацию с максимально возможной скоростью, несмотря на установки программных приложений.

Альтернативными являются драйверы FTDI D2XX, позволяющие программным приложениям получать доступ к устройству напрямую через объявленную DLL, встроенную в API. Подробную информацию о VCP и D2XX драйверах можно найти на сайте фирмы FTDI (www.ftdichip.com).

Упрощенная функциональная конвертера FT245BM схема представлена на рисунке 12.

Рисунок 3.6– Функциональная схема FT245BM

Описание функциональных блоков. LDO регулятор генерирует напряжение 3,3 В для питания USB Transceiver, передающего байты выходного буфера в USB. Это требует реализуя внешнюю развязку, присоединить конденсатор к выходу 3,3 В регулятора. Это также дает напряжение 3,3 В на выход RSTOUT#. Основная функция этого блока – питание USB-трансивера и блока Reset Generator, по сравнению с функцией питания внешнего электронного устройства. Однако, если это необходимо, к этому выходу может быть и подключено внешнее электронное устройство, рассчитанное на 3,3 В и не потребляющее тока более чем 5 мА.

USB-трансивер обеспечивает передачу блоков информации с полной скоростью по USB-кабелю через интерфейсы USB1.1/1.0. Выходной драйвер обеспечивает напряжение 3,3 В, сигнализируя о скорости нарастания выходного напряжения, пока дифференциальный приемник и два простых приемника обеспечивают прием данных USB, определение условий SEO и USB reset.

USB DPLL блокирует входящую NRZI USB информацию и обеспечивает раздельную синхронизацию и передачу информационных сигналов от блока SIE.

Резонатор 6 МГц генерирует тактовые импульсы частотой 6 МГц. Импульсы тактовой частоты приходят на множитель частоты. Можно использовать внешний 6МГц-ый кварцевый или керамический резонатор.

Множитель частоты преобразует импульсы 6МГц-го резонатора в импульсы с частотой 12 МГц для SIE, USB protocol engine, FIFO. Также он вырабатывает частоту 48 МГц для USB DPLL.

Serial Interface Engine (SIE) выполняет преобразование информации из протокола USB в протокол серийного порта и наоборот. Трансляция производится с использованием методов stuffing/un-stuffing и CRC5/CRC16 generation/сhecking.

USB Protocol Engine управляет потоком информации от USB для контроля над конечной точкой. Оно управляет нижним уровнем протокола USB, создаваемым контроллером USB и командами для функционального контроля параметров FIFO.

FIFO буфер приема (128 байт). Информация передается от хоста USB к FIFO через выход USB в буфер приема FIFO и возвращается оттуда чтением FIFO с использованием RD#.

FIFO буфер передачи (384 байта). Информация, записанная на вход попадает в буфер передачи при установке WR#. Из буфера она передается хосту после отправки им запроса к конечной точке.

FIFO контроллер  управляет передачей информации между внешними FIFO интерфейсами и FIFO буфером приема и передачи.

RESET генератор переключения обеспечивает надежный сброс питания устройства до включения питания внешней микросхемы. В дополнение, вход RESET# и выход RSTOUT# обеспечивают возможность сброса другим устройствам FT245BM и FT245BM сбрасывать другие устройства соответственно. В течение сброса RSTOUT# устанавливается в "0", в противном случае – выход имеет потенциал 3,3 В, обеспечивающийся установленным на плате регулятором. RSTOUT# может быть использован для контроля внезапного отключения на USBDP прямо тогда, когда задержанному USB это необходимо. RSTOUT# может быть "0" когда около 5 мс питающее напряжение превышает 3,5 В и генератор запущен, и RESEТ# находится в "1". RESET# должен быть соединен с питающим напряжением (VCC), если не требуется сброс микросхемы от внешнего устройства или внешнего генератора.

Интерфейс EEPROM. Хотя FT245BM может работать без EEPROM, дополнительная внешняя память 93C46 (93C56 или 93C66) может быть использована для установки собственных значений параметров USB, таких как USB VID, PID, Serial Number, Product Description Strings и Power Descriptor для OEM приложений. Другие параметры, контролируемые EEPROM, содержат удаленное включение устройства, изохронный режим передачи, программное отключение питания и дескриптор USB 2.0.

EEPROM должна иметь 16-ти битную расширенную структуру, такую как MicroChip 93LC46B или с подобными возможностями, 1Мб/сек скорости, питающим напряжением от 4,35 до 5,25 В. EEPROM может быть запрограммирована на микросхеме (программатором) или через USB с использованием утилит, доступных на сайте FTDI.

Если EEPROM не подключено или пусто, устройство использует свойства USB по умолчанию (USB VID, PID, Serial Number, Product Description Strings и Power Descriptor).

Выводы FT245BM показаны на рисунке 13, временные диаграммы микросхемы FT245BM в режиме чтения FIFO показаны на рисунке 14, подключение к интерфейсу USB и микросхеме памяти EEPROM соответственно на рисунках 15 и 16.

Рисунок 3.7 – Выводы FT245BM

Рисунок 3.8 – Диаграммы микросхемы FT245BM в режиме чтения

Рисунок 3.9– Схема подключения FT245BM к интерфейсу USB

Рисунок 3.10 – Схема подключения FT245BM к микросхеме памяти EEPROM 93С46

4 Моделирование схемы

4.1 Моделирование генератора

Рисунок 4.1 – Схема генератора

Полезный сигнал:

U = Uвхm/2 = 70/2 = 35 мВ

f = fв = 5 кГц

Синфазная помеха

U = Uсф = 50 мВ

f = fв/2,5 = 2 кГц

Шум

U = Uвхm/10 = 7 мВ

f = 10fв = 50 кГц

4.2 Согласующий усилитель

Согласующий усилитель используется для подавления синфазной помехи и усиления входного сигнала. С помощью пакета «Micro-Cap» моделируем согласующий усилитель, схема которого была приведена в пункте 2.2. Значения резисторов согласующего усилителя возьмём так же из пункта 2.2. Схема моделирования согласующего усилителя представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Схема моделирования согласующего усилителя

На вход согласующего усилителя подается входное напряжение (35мВ), синфазное напряжение (50мВ) и напряжение шума (7мВ). Входной сигнал, подаваемый на СУ представлен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Входной сигнал на СУ

Сигнал на выходе СУ, изображенный на рисунке 4.4, уже без синфазной составляющей и имеет большую амплитуду.

Рисунок 4.4 – Сигнал на выходе СУ

Определяем коэффициент усиления СУ и коэффициент ослабления синфазной помехи:

;

(4.1)

.

(4.2)

4.4 Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот используется для подавления паразитных высокочастотных составляющих и усиления входного сигнала. С помощью пакета «Micro-Cap» моделируем ФНЧ, схема которого была приведена в пункте 2.3. По заданным параметрам в задании моделируем ФНЧ Чебышева 3 порядка с МОС. Рассчитанные значения резисторов и емкостей ФНЧ возьмём так же из пункта 2.3. Схема моделирования активного фильтра нижних частот представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Схема моделирования ФНЧ

На вход ФНЧ подается сигнал с высокочастотной помехой, изображенный на рисунке 4.6 , а выходной сигнал на выходе ФНЧ, изображенный на рисунке 4,7 является усиленным и без высокочастотных помех.

Рисунок 4.6 – Сигнал на входе ФНЧ

Рисунок 4.7 – Сигнал на выходе ФНЧ

Определяем коэффициент усиления ФНЧ:

(4.3)

KФНЧ=0,86/0,100=8,63

(4.4)

Частотная характеристика ФНЧ изображена на рисунке 4.7. По ней необходимо определить значения fB и Δf, полученные в результате моделирования. Для этого необходимо знать следующие параметры:

Рисунок 4.8 – АЧХ ФНЧ

Рисунок 4.9 – АЧХ ФНЧ

Рисунок 4.10 – ФЧХ ФНЧ

Таблица 3.3 – Параметры ФНЧ

Показатель

К

fв, кГц

f, кГц

Задание

8,6

5

2

Моделирование

8,18

4,393

5,2


Заключение

В ходе работы составлена функциональная схема аналогово-цифрового преобразователя, рассчитаны входные усилители и фильтры нижних частот, Выбрана микросхема АЦП, выбран тип конвертора USB, рассчитаны и выбраны преобразователи DC-DC и микросхемы гальванической изоляции. Для аналоговых блоков подобраны элементы по ряду Е12. Разработана принципиальная электрическая схема. Все расчеты проверены моделированием в программе Micro-Cap 10. В ходе моделирования, полученные параметры отличаются от показателей полученных расчетным путем не более чем на 10%.


Библиографический список

  1.  Волович Г.О. Схемотехника аналоговых и цифро-аналоговых электронных устройств./Г.О Волович, М:Издательский дом «Додека-XXI», 2007. 528 с.
    1.  СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов/ ОмГУПС, Омск, 2005. 28с
    2.  Чижма С.Н. Проектирование активных фильтров / ОмИИТ, 1993. 46 с.
    3.  Чижма С.Н. Проектирование аналогово-цифрового преобразователя с USB-выходом: Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»/ОмГУПС. Омск, 2009г. 37с.


(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

EMBED Equation.DSMT4  

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

EMBED Visio.Drawing.11  

2 каскад

1 каскад

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(18)

(17)

2 каскад

1 каскад


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69432. Код с простым повторением 89.5 KB
  В основу построения данного кода по аналогии с двоичным положен метод повторения исходной кодовой комбинации. Отличие qичного кода от аналогичного двоичного заключается в том что повторение кодовой комбинации qичного кода может производится параллельно во времени...
69433. Код Эллайеса 191 KB
  Цель: Изучить код Эллайеса выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения Код Эллайеса как итеративный код содержит 2 системы проверок внутри каждой кодовой комбинации.
69434. Код Варшамова 157.5 KB
  Цель: Изучить код Варшамова выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения Код предложенный Варшамовым является типичным представителем систематических кодов т. Благодаря этому возможно построить все комбинации кода...
69435. Коды Рида-Маллера 277 KB
  Эти m строк составляют векторы первого порядка b. Далее идут строки векторов второго порядка которые получаются из всех произведений двух строк первого порядка затем – строки третьего порядка являющиеся всеми произведениями трех строк первого порядка и т.
69436. Код Грея 206 KB
  Отражённые ( рефлексные ) коды строятся таким образом, что соседние кодовые комбинации, в отличии от простых двоичных кодов, различаются цифрой только в одном разряде, т.е. кодовое расстояние между соседними кодовыми комбинациями такого кода равно единице.
69437. Двоично-десятичный код 114 KB
  Цель: Изучить двоично-десятичный код выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения. В двоично-десятичном коде каждая десятичная цифра представляется группой цифр состоящей из 4х двухпозиционных символов.
69438. Код Бергера Код Эллайеса 104 KB
  Цель: Изучить код Эллайеса выяснить особенности его построения и применения Краткие теоретические сведения Коды Бергера относятся к разряду несистематических кодов. Существует несколько вариантов построения кодов Бергера. Например сообщение 011010 закодированное кодом Бергера выглядит как 011010100.
69439. Код Шеннона-Фано 64.5 KB
  Основной принцип положенный в основу кодирования по методу ШеннонаФано заключается в том что при выборе каждой цифры кодовой комбинации следует стремится к тому чтобы содержащееся в ней количество информации было наибольшим т. Сообщениям имеющим большую вероятность...
69440. Код Хэмминга 271 KB
  Формирование r проверочных элементов в комбинации этого кода осуществляется по k информационным элементам. Таким образом длина кодовой комбинации n = r k. Проверочные элементы представляют собой линейные комбинации информационных элементов т.