49606

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С USB - ВЫХОДОМ

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С USB ВЫХОДОМ Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Схемотехника ЭВМ ИНМВ. Омск 2013 Задание Проектирование аналогоцифрового преобразователя с USB выходом. Объектом исследования является аналогоцифровой преобразователь с USB выходом. Цель работы – разработать функциональную и принципиальную схему АЦП рассчитать входные усилители и фильтры нижних частот выбрать микросхему АЦП выбрать тип конвертора USB рассчитать и выбрать преобразователи DCDC и микросхемы...

Русский

2014-01-04

1.03 MB

106 чел.

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматизация и системы управления»

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

____________C.Н. Чижма

«___»____________2011 г.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С USB - ВЫХОДОМ

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»

ИНМВ.300100.000 ПЗ

Студент гр. 20 З

____________ Д.П.Орловский

«__»________2013 г.

Руководитель – доцент кафедры АиСУ

____________С. Н. Чижма

«__»________2013 г.

Омск 2013

Задание

Проектирование аналого-цифрового преобразователя с USB выходом.

Таблица 1 – Исходные данные

Вариант

Тип АЦП

Разрядность АЦП

Кол-во входов

, мВ

, мВ

D, дБ

fв, кГц

Тип ФНЧ

, кГц

, дБ

, дБ

01

Пар.

8

4

50

30

22

1

Бат.

1,2

0,5

20

– максимальная амплитуда входного напряжения, мВ;

– синфазное напряжение;

D – динамический диапазон, дБ;

fв – частота высшей гармоники, кГц;

Тип ФНЧ – Чебышева(Чеб.) или Баттерворта (Бат.);

– ширина переходной области, кГц;

– затухание в полосе пропускания, дБ;

– пропускание в полосе задерживания, дБ.


Реферат

УДК 621.398

Курсовой проект содержит 36 страниц, 24 рисунков, 10 таблиц, 5 источников, 4 приложения.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), усилитель, фильтр нижних частот (ФНЧ), микросхема,  блок гальванической изоляции,  конвертер, преобразователь напряжения, АЧХ, ФЧХ, осциллограмма.

Объектом исследования является аналого-цифровой преобразователь с USB выходом.

Цель работы – 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.

В процессе работы проводились математические расчеты.

Моделирование производится в пакете Multisim 12.0.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007, демонстрационные листы выполнены в пакете Microsoft Visio 2007.

Содержание

Введение  5

1 Выбор функциональной схемы устройства 6

2 Расчет аналоговой части АЦП 8

2.1 Определение коэффициента передачи аналогового тракта и коэффициента ослабления синфазного сигнала. 8

2.2 Расчет согласующего усилителя 9

2.3 Расчет активного фильтра нижних частот 10

3. Расчет цифровой части АЦП 14

3.1 Микросхема АЦП 14

3.2 Блоки гальванической развязки 15

3.2.1. Преобразователи постоянного напряжения 16

3.2.2. Цифровые изолирующие микросхемы 17

3.3. Конвертеры USB 18

3.5 Селектор адреса 26

4 Моделирование схемы 29

4.1 Моделирование входного сигнала 29

4.2 Моделирование СУ 30

4.3 Моделирование ФНЧ 31

Заключение 34

Библиографический список 35

Приложение 36


Введение

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в цифровой код, который передается в микропроцессорную систему через интерфейс USB. 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 и дополнительного питания в +9..18 В, все прочие постоянные напряжения в схеме вырабатываются с помощью преобразователей DC-DC. Эти же преобразователи осуществляют гальваническую развязку по питанию.


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.

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

После того как обобщенная функциональная схема готова, необходимо выбрать тип микросхемы АЦП, конвертер, преобразователи DC-DC, микросхемы гальванической развязки и построить функциональную схему АЦП, которая представлена на рисунке 1.1.,

Рисунок 1.1 – Функциональная схема АЦП

где СУ1…СУn – согласующие усилители, ФНЧ1…ФНЧn – фильтры нижних частот, АЦП – микросхема аналого-цифрового преобразователя, БГР – блок гальванической развязки, КОНВ – конвертер, DC-DC – преобразователь постоянного напряжения, СП– селектор питания,USB – разъем интерфейса USB.

После того как функциональная схема готова, определяем необходимую частоту дискретизации АЦП. Требуемая частота дискретизации определяется по формуле (1.1):

   (1.1)

Выбираем микросхему АЦП по четырем критериям: максимальная частота дискретизации микросхемы, разрядность (8) , количество входов (4), тип выходного интерфейса: параллельный. Параметрам задания подходит 8-разрядный АЦП фирмы Analog Diveces AD7825 с 4-мя входами, параллельным интерфейсом и частотой дискретизации 2 МГц.

Выбираем конвертер, преобразующий выходной код АЦП в стандартный сигнал интерфейса USB. Для параллельного кода, на выходе АЦП рекомендуется использовать микросхему FT245R фирмы FTDI Chip.

Определяем необходимые напряжения питания схемы. Входная часть схемы, гальванически связанная с входным сигналом, питается от гальванически развязанных преобразователей DC-DC, а вторичная часть, гальванически связанная с интерфейсом USB, питается от напряжения +5В этого интерфейса.

Для питания микросхемы AD7825 необходимо напряжение +5В и опорное стабилизированное напряжение +2,5В. Напряжение +2,5В можно получить от микросхемы источника опорного напряжения. Выбираем источник опорного напряжения фирмы Analog Diveces AD780.

Для питания операционных усилителей, на которых строится аналоговая часть, необходимо два напряжения: -15В, +15В. Таким образом, необходим преобразователи +5/+5В и +5/±15В, количество которых будет выбрано далее в зависимости от потребления схемы.

Выберем гальванически развязанные преобразователи DC-DC фирмы TRACO: TMA0505S, TMA0515D.

Выбираем микросхемы гальванической развязки. Рекомендуются микросхемы серии ADuM1400, имеющие 4 канала передачи цифрового сигнала. Количество микросхем определяется номенклатурой и направлением передаваемых цифровых сигналов. Для курсового проекта необходима двунаправленная микросхема ADuM1402 и две микросхемы ADuM1400.


2 Расчет аналоговой части АЦП

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

(2.1.1)

 

 

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.

(2.1.2)

 

Суммарный коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления согласующего усилителя и активного фильтра нижних частот . Выберем  КСУ =12 и КФНЧ =10.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КО.С.С):

(2.1.3)

При амплитуде входного сигнала есmax=50 мВ, динамическом диапазоне D=22 дБ и синфазной помехе Uсинф=30 мВ минимальный входной сигнал и коэффициент ослабления синфазного сигнала будут равны соответственно:

(2.1.4)

 

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

;

(2.1.5)

.

(2.1.6)

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.

2.2 Расчет согласующего усилителя

Для реализации согласующего усилителя (СУ) можно использовать схему, представленную на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 – Принципиальная схема согласующего усилителя

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

(2.2.1)

,

(2.2.2)

(2.2.3)

(2.2.4)

(2.2.5)

(2.2.6)

(2.2.7)

.

(2.2.8)

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 R5–R8 получаются одного номинала, что облегчает их подбор.

Расчет элементов схемы начнем с каскада на DA3. Зададим номиналами резисторов исходя из неравенства:

(2.2.9)

Рекомендуемое значение ,отсюда примем

(2.2.10)

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:

  (2.2.11)

В нашем случае КСУ=12, отсюда

(2.2.12)

Номиналы резисторов R3 и R4 определим из стандартного ряда Е12 и примем их равными R3=R4=27 кОм.

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

Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:

Верхняя граничная частота = 1 кГц;

Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания =10;

Минимальное затухание в полосе пропускания α1= 0,5 дБ;

Максимальное затухание в полосе задерживания α2= 20 дБ;.

Ширина переходного участка АЧХ Δf= 1,2 кГц .

В проектируемом АЦП используется фильтр Баттерворта, который обладает монотонной (максимально плоской) АЧХ (рисунок 2.2.2). В качестве полосы пропускания выбирается диапазон частот, где значение АЧХ превышает некоторое заранее выбранное число , а полосу задерживания образует диапазон частот, в котором АЧХ меньше определенного значения .

Рисунок 2.2.2 – АЧХ ФНЧ Баттерворта

Порядок фильтра Баттерворта рассчитывается по формуле:

,

     (2.3.1)

,

(2.3.2)

Находя ближайшее целое число, получим n=3.

Следующим шагом при расчете фильтра нижних частот является разработка функциональной и принципиальной схем.

Функциональная схема ФНЧ представлена на рисунке 2.3.1.

N1=2

N2=1

Рисунок 2.3.1 – Функциональная схема ФНЧ третьего порядка

На функциональной схеме n=n1+n2=2+1=3 – порядок ФНЧ. Коэффициент передачи по напряжению в полосе пропускания = 10, определим коэффициенты передачи для каждого из звеньев:

(2.3.3)

k1=10,  k2=1.

В качестве принципиальной схемы ФНЧ выбираем схему на ИНУН. Принципиальная схема ФНЧ третьего порядка на ИНУН представлена на рисунке 2.3.2.

Рисунок 2.3.2 – Принципиальная схема ФНЧ третьего порядка на ИНУН

Проводим расчет параметров ФНЧ. Коэффициенты B и C представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные для расчета ФНЧ Баттерворта третьего порядка

Минимальное затухание в полосе пропускания α1, дБ

B

С

1

1.000

1.000

-

1.000

Номинальное значение емкости C2 задается близким к величине мкФ.

.

(2.3.4)

Для первого звена ФНЧ  B=1 , C=1  и  коэффициент передачи .

Значение емкости C1 выбирается из выражения:

.

(2.3.5)

Рассчитывается значение С1 :

.

Тогда  .

Значения резисторов рассчитываются по формулам:

(2.3.6)

(2.3.7)

(2.3.8)

(2.3.9)

.

Для второго звена ФНЧ B=0 и C=1 с коэффициентом передачи  

Расчет значение емкости C3 и значения резисторов R5 формулам 2.3.5

Номинальное значение емкости C2 берем из формулы (2.3.3)

 Тогда .

(2.3.10)

Полученные емкости и сопротивления для всех конденсаторов приводятся к ряду Е12:

Таблица 2 - Номинальные значения элементов фильтра приведенные к ряду E12

Полученные при расчете

Округленные с учетом ряда Е12

С1=92 нФ

С1=100 нФ

С2=10нФ

С2=10нФ

С3=10 нФ

С3=10 нФ

R1= 31,8 кОм

R1= 33 кОм

R2=860 Ом

R2=1 кОм

R3=36 кОм

R3=39 кОм

R4=326 кОм

R4=330 кОм

R5=16 кОм

R5=15 кОм

R6=∞

R6=∞

R7=0

R7=0


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 3.1, временные диаграммы – на рисунке 3.2.

Рисунок 3.1 – Типичная схема подключения АЦП AD7825

Рисунок 3.2 – Временные диаграммы работы АЦП AD7825

Микросхема имеет четыре канала, выбор которых осуществляется по входам А0-А1. Для последовательного опроса каналов можно использовать двухразрядный счетчик. Фрагмент схемы, показывающий подключение АЦП к конвертеру USB и реализацию селектора каналов, показан на рисунке 3.3.

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 3 указаны выводы преобразователей, а на рисунке 3.4 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

Окончание таблицы 3

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 FT245R характеризуется следующими параметрами:

- Single chip USB to parallel FIFO bidirectional data transfer interface.

- Entire USB protocol handled on the chip – No USB-specific firmware programming   required.
- Simple interface to MCU / PLC I FPGA logic with simple 4-v.ire handshake interface.
- Data transfer rate to 1 Megabyte f second - D2XX Direct Drivers.

- Data transfer rate to 300 kilobyte I second - VCP Drivers

- 256 byte receive buffer and 128 byte transmit buffer utillising buffer smoothing technology to allow for high data throughput

- FTDI's royalty-free VCP and D2XX drivers eliminate the requirement for USB driver development in most cases

- New USB FTDIChip-ID feature.

- FIFO receive and transmit buffers for high data throughput

- Adjustable receive buffer timeout
- Synchronous and asynchronous bit bang mode interface options with RD# and WR# strobes allow the data bus to be used as a general purpose I/O port

- Integrated 1024 Bit internal EEPROM for storing USB VIC. PID. serial number and product description strings

- Device supplied preprogrammed with unique USB serial number.

- Support for USB suspend / resume through PWREN# pin and Wake Up pin function
- In-built support for event characters.
- Support for bus powered, set' powered, and high- power bus powered USB configurations.
- Integrated 3.3V level converter for USB re-
- integrated level converter on FIFO interface and
control pins for interfacing to 5V - 1,8V Logic
- True 5V / 3.3V i 2.8V / 1,8V CMOS drive output and TTL input.

- High I/O pin output drive option

- Integrated USB resistors

- Integrated power-on-reset circuit

- Fully integrated clock - no external crystal. oscillator, or resonator required.

- Fully integrated AVCC supply filtering - No separate AVCC pin and no external R-C filter required

- USB bulk transfer mode.

- 3.3V to 5.25V Single Supply Operation.

- Low operating and USB suspend current

- Low USB bandwidth consumption

- UHCI / OHCI EHCI host controller compatible

- USB 2.0 Full Speed compatible

-40C to 85C extended operating temperature range

- Available in compact Pb-free 28 Pin SSOP and QFN-32 packages (both RoHS compliant).

Упрощенная функциональная конвертера FT245R схема представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6– Функциональная схема FT245R

Описание функциональных блоков:

3.3V LDO Regulator - The 3.3V LDO Regulator generates the 3.3V reference voltage for driving the USB transceiver cell output buffers. It requires art external decoupling capacitor to be attached to the 3V30UT regulator output pin. It also provides 3.3V power to the 1.5kO internal pull up resistor on USBDP The main function of this block is to power the USB Transceiver and the Reset Generator Cells, rather than to power external logic However, external circuitry requiring 3.3V nominal at a current of around 50mA  could also draw its power from the 3V30UT pin if required.

USB Transceiver-The USB Transceiver Cell provides the USB 1.1 / USB 2 0 full-speed physical interface to the USB cable. The output drivers provide 3.3V level slew rate control signalling, whilst a differential receiver and two single ended receivers provide USB data in. SEO and USB Reset condition detection This Cell also incorporates internal USB series resistors on the USB data lines, and a 1 5kO pull up resistor on USBDP

USB DPLL - The USB DPLL cell locks on to the incoming NRZI USB data and provides separate recovered dock and data signals to the SIE block.

Internal 12MHz Oscillator - The Internal 12MHz Oscillator cell generates a 12MHz  reference clock input to the x4 Clock multiplier. The 12MHz Oscillate is also used as the reference clock for the SIE. USB Protocol Engine and FIFO controller blocks

Clock Multiplier - The Clock Multiplier takes the 12MHz input from the Oscillator Cell and generates the 48 MHz; clock reference used for the USB DPLL block.

Serial Interface Engine (SIE) - The Serial Interface Engine (SIE) block performs the Parallel to Serial and Serial to Parallel conversion of the USB data In accordance to the USB 2.0 specification, it performs bit stuffing/un-stuffing and CRC5/CRC16 generation / checking on the USB data stream.

USB Protocol Engine - The USB Protocol Engine manages the data stream from the device USB control endpoint. It handles the low level USB protocol (Chapter 9) requests generated by the USB host controller and the commands for controlling the functional parameters of the FIFO.

FIFO TX Buffer (128 byte) - Data written into the FIFO using the WR pin is stored in the FIFO TX (transmit) Buffer The USB host controller removes data from the FIFO TX Buffer by sending a USB request for data from the device data In endpoint.

FIFO RX Buffer (256 byte) • Data sent from the USB host controller to the FIFO via the USB data Out endpoint is stored in the FIFO RX (receive) buffer and is removed from the buffer by reading the contents of  the FIFO using the RD# pin.
                FIFO Controller - The FIFO controller handles the transfer of data between the external FIFO interface pins (DO - D7) and the FIFO transmit and receive buffers A new feature, which is enabled in the internal EEPROM allows high signal drive strength on the FIFO parallel data bus and handshake control pins.

RESET Generator  - The integrated Reset Generator Cell provides a reliable power-on reset to the device internal circuitry on power up A RESET* input is provided to allow other devices to reset the FT245R RESETS can be tied to VCCIO or left unconnected, unless there is a requirement to reset the FT245R device from external logic or an
external reset generator 1
С

Internal EEPROM - The internal EEPROM in the FT245R can be used to store USB Vendor ID (VID). Product ID (PID). device serial number, product description string, and various other USB configuration descriptors The device is Supplied with the internal EEPROM settings preprogrammed as described in Section 10. (www.ftdichip.com).

Рисунок 3.7 – Выводы FT245RL

Описание сигналов микросхемы FT245RL приведено в таблицах 7 – 10

Таблица 7 – Группа выводов управления буфером FIFO 

Вывод

Сигнал

Тип

Описание

1

DO

Ввод/вывод

0-й бит шины данных FIFO

2

D4

Ввод/вывод

4-й бит шины данных FIFO

3

D2

Ввод/вывод

2-й бит шины данных FIFO

5

D1

Ввод/вывод

1-й бит шины данных FIFO

6

D7

Ввод/вывод

7-й бит шины данных FIFO

9

D5

Ввод/вывод

5-й бит шины данных FIFO

10

D6

Ввод/вывод

6-й бит шины данных FIFO

11

D3

Ввод/вывод

3-й бит шины данных FIFO

12

PWREN#

Вывод

Низкий уровень на этом выходе свидетельствует о включении в режим USB, а высокий о приостановке USB. Может использоваться для управления внешним ключом на основе полевого транзистора с изолированным затвором и P-каналом (MOSFET). Такой ключ позволяет управлять питанием внешних микросхем в зависимости от уровня на выходе PWREN< *. Должен быть соединен с выводом VCCIO< через резистор 10 КОм.

13

RD#

Ввод

Вход записи данных в буфер FIFO через входы D0...D7. Запись байта в буфер FIFO происходит в момент перехода с высокого уровня на низкий на этом входе.

14

WR

Ввод

Вход чтения байта из буфера FIFO. При переходе на этом входе с высокого уровня на низкий очередной байт данных извлекается из буфера FIFO и подается на выводы D0... D7.

22

TXE#

Вывод

Выход готовности буфера FIFO для записи. При высоком уровне на этом выходе запись в буфер не возможна, при низком запись разрешена. (Запись производится отрицательным перепадом на входе WR). Пока идет процесс начального сброса этот выход переходит в третье состояние.

23

RXF

Вывод

Вход готовности данных в буфере FIFO для чтения. Высокий уровень на этом входе возникает, если чтение данных не возможно. При низком уровне чтение разрешено. (Чтение производится импульсом низкого уровня на входе RD#). Пока идет процесс начального сброса этот выход переходит в третье состояние. Если микросхема переведена в режим разрешения автоматического пробуждения (путем записи соответствующего кода во внутренний EEPROM микросхемы), данный вывод становится входом и используется для пробуждения USB интерфейса. Если USB переходит в режим приостановки обмена (о чем сигнализирует высокий уровень на выходе PWREN#) подача импульса низкого уровня на вход RXF длительностью не менее 20ms выводит USB из спящего режима и заставляет его возобновить обмен по USB шине.

Таблица 8 –Группа выводов USB

Вывод

Сигнал

Тип

Описание

15

USBDP

Ввод/вывод

Линия данных USB Плюс. Содержит внутренний последовательный резистор 1.5кОм и подтягивающий резистор к линии 3.3В.

16

USBDM

Ввод/вывод

Линия данных USB< Минус. Содержит встроенный последовательный резистор.

Таблица 9 – Группа дополнительных сигналов

Вывод

Сигнал

Тип

Описание

8, 24

NC

NC

Нет внешних соединений

19

RESET#

Вход

Вход начального сброса (низкий активный уровень). Может использоваться внешним устройством, для перезапуска микросхемы FT245R. Если внешний сброс не требуется, можно оставить этот вход свободным или соединить с линией VCC.

26

TEST

Вход

Переводит микросхему в режим проверки. В режиме нормальной работы должен быть соединен с общим проводом GND, иначе микросхема будет вести себя как дефектная.

27

OSCI

Вход

Вход модуля генератора 12MГц. Использование не обязательно. Для нормальной работы можно оставить вход не подключенным.

28

OSCO

Выход

Выход модуля генератора 12MГц. Использование не обязательно. Для нормальной работы можно оставить вход не подключенным.

Таблица 10 – Группа выводов питания и заземления

Вывод

Сигнал

Тип

Описание

4

VCCIO

Питание

+1.8В … +5.25В – питание для группы выводов FIFO Интерфейса (1-3, 5, 6, 9-14, 22, 23). В проектах использующих напряжение USB шины присоедините этот вывод к входу 3V3OUT, чтобы получить напряжение +3.3В. В проектах использующих CMOS уровни подключите вывод к линии VCC (напряжение 5В). На этот вывод так же можно подавать напряжение от внешнего источника +1.8В … +2.8В для работы на более низких уровнях. Причем это внешнее напряжение должно быть сформировано из того же самого источника, что и основное питание VCC. Для этого нужно применить стабилизатор напряжения, получающий питание от линии +5В шины USB.

7, 18, 21

GND

Питание

Общий вывод всех цепей питания микросхемы.

17

3V3OUT

Выход

Выход +3.3В встроенного стабилизатора напряжения. Этот вывод должен быть соединен с общим проводом через конденсатор 100nF. Главное назначение этого стабилизатора – питание напряжением 3.3В цепей приемопередатчика USB интерфейса и питание подтягивающего резистора 1.5kОм для выхода USBDP. Кроме того стабилизатор может питать внешние схемы с током потребления до 50mA. Напряжение, снимаемое с этого вывода, может так же использоваться для подачи питающего напряжения на вывод VCCIO.

20

VCC

Питание

+3.3В … +5.25В – питание вычислительного ядра микросхемы.

25

AGND

Питание

Аналоговая земля – общий провод для напряжений питания умножителя тактовой частоты.

На рисунке 3.8 показаны временные диаграммы микросхемы FT245R в режиме  чтения FIFO.

Рисунок 3.8 – Диаграммы микросхемы FT245R в режиме чтения

Рисунок 3.9– Схема подключения FT245R к интерфейсу USB

Источник опорного напряжения

В качестве внешнего источника опорного напряжения выбираем микросхему фирмы Analog Devices AD780. На рисунке 3.4.1 представлены функциональная схема  и выводы AD780.

а)                                                              б)

Рисунок 3.4.1 – а) – Функциональная схема AD780,

          б) – Выводы ИОН AD780.                 

3.5 Селектор адреса

В качестве счетчика используем микросхему ТТЛ-типа  К155ТМ2. Микросхема представляет собой два независимых D-триггера, срабатывающих по положительному фронту тактового сигнала. На рисунке 3.5.1 представлен корпус микросхемы К155ТМ2 типа 201.14-2, масса не более 1г.

Рисунок 3.5.1 – Корпус микросхемы К155ТМ2 типа 201.14-2

На рисунке 3.5.2 представлено условно-графическое обозначение К155ТМ2.

Рисунок 3.5.2 - Условно-графическое обозначение К155ТМ2

В таблице 11 приведены выводы микросхемы К155ТМ2.

Таблица 11 – Выводы К155ТМ2

Выводы

Назначение

1

инверсный вход установки "0" R1

2

вход D1

3

вход синхронизации C1

4

инверсный вход установки "1" S1

5

выход Q1

6

выход инверсный Q1

7

общий

8

выход инверсный Q2

9

вход Q2

10

инверсный вход установки "1" S2

11

вход синхронизации C2

12

вход D2

13

инверсный вход установки "0" R2

14

напряжение питания

В таблице 12  приведены электрические параметры  К155ТМ2.

Таблица 12 – Электрические параметры  К155ТМ2

Электрические параметры

Значение

1

Номинальное напряжение питания

5 В 5 %

2

Выходное напряжение низкого уровня

не более 0,4 В

3

Выходное напряжение высокого уровня

не менее 2,4 В

4

Напряжение на антизвонном диоде

не менее -1,5 В

5

Входной ток низкого уровня
    по входам 2,4,10,12
    по входам 1,3,11,13


не более -1,6 мА
не более -3,2 мА

6

Входной ток высокого уровня
    по входам 2,12
    по входам 4,3,11,10


не более 0,04 мА
не более 0,08 мА

7

Входной пробивной ток

не более 1 мА

8

Ток короткого замыкания

-18...-55 мА

9

Ток потребления

не более 30 мА

10

Потребляемая статическая мощность на один триггер

не более 78,75 мВт

11

Время задержки распространения при включении

не более 40 нс

12

Время задержки распространения при выключении

не более 25 нс

13

Тактовая частота

не более 15 мГц


4 Моделирование схемы

Моделирование схемы произведено в программном пакете схемотехнического моделирования в Multisim 12.0.

4.1 Моделирование входного сигнала

Входной сигнал моделируется с помощью трех генераторов (один генератор и два источников синусоидального напряжения, так как в используемом пакете нельзя задействовать больше одного генератора).

Первый генератор используется для моделирования полезного сигнала, его характеристики рассчитываются по формулам 4.1.1.

(4.1.1)

Результаты расчетов параметров генератора полезного сигнала представлены ниже:

Второй генератор используется для моделирования шума, его характеристики рассчитываются по формулам 4.1.2.

(4.1.2)

Результаты расчетов параметров генератора шума представлены ниже:

Третий генератор используется для моделирования синфазной помехи, его характеристики рассчитываются по формулам 4.1.3.

(4.1.3)

Результаты расчетов параметров генератора синфазной помехи представлены ниже:

Схема, посредством которой реализуется моделирование входного сигнала, и результаты моделирования представлены на рисунке 4.1.1.

Рисунок 4.1.1 – Моделирование входного сигнала

4.2 Моделирование СУ

Схема, посредством которой реализуется моделирование СУ, и результаты моделирования представлены на рисунках 4.2.1 и 4.2.2 соответственно. Номиналы элементов выставляются в соответствии с пунктом 2.2.

Рисунок 4.2.1 – Схема моделируемого СУ

Рисунок 4.3 – Результат моделирования

Как видно из результатов моделирования согласующий усилитель убрал синфазную помеху и нормализовал сигнал. Экспериментальный коэффициент усиления СУ равен 12,03 (0,421/0,035), что является близким к теоретическим расчетам.

4.3 Моделирование ФНЧ

Схема, посредством которой реализуется моделирование ФНЧ, и результаты моделирования представлены на рисунках 4.3.1 и 4.3.2 соответственно. Номиналы элементов выставляются в соответствии с пунктом 2.3.

Рисунок 4.3.1 – Схема моделируемого ФНЧ

Рисунок 4.3.2 – результат моделирования

Как видно из результатов ФНЧ убирает шум и делает из симметричного полезного сигнала несимметричный.

Для проверки правильности расчетов необходимо проанализировать АЧХ и ФЧХ моделируемого ФНЧ, для этого на его вход нужно подать синусоидальное напряжение, а к выходу подключить Bode Plotter.

Для АЧХ ФНЧ необходимо выразить КФНЧ в децибелах, он будет равен КФНЧ=20*lg КФНЧ=20*lg10=20дБ.

Определяем частотные характеристики ФНЧ.

Рисунок 4.3.3 – КФНЧ =20,143дБ на АЧХ ФНЧ

Рисунок 4.3.4 – fверхняя=1,135кГц на АЧХ ФНЧ

Рисунок 4.3.5 – f=1,191кГц на АЧХ ФНЧ

Таблица 4.3.1 –Сравнительный перечень основных параметров ФНЧ

Величина

К

fв, кГц

f, кГц

Полученная в результате теоретического расчета

20

1

1,2

Полученная в результате моделирования

20,143

1,135

1,191

Полученные величины практически аналогичны рассчитанным, следовательно .ФНЧ рассчитан и смоделирован правильно.


Заключение

В ходе проектирования АЦП с USB выходом был приобретен ряд навыков необходимых для выполнения поставленной задачи. Первым из необходимых навыков на первых этапах проектирования был навык работы с документацией к используемым микросхемам. А на последнем этапе проектирования были приобретены навыки моделирования в пакете Multisim 12.0, результаты которого полностью подтвердили правильность теоретических расчетов аналоговой части. Моделирование является неотъемлемой частью проектирования какого-либо вида устройств.

Результатом проектирования стал АЦП с USB выходом, принципиальная схема которого представлена в приложении.


Библиографический список

1 Справочник. Микросхемы АЦП и ЦАП./Интегральные микросхемы, М:Издательский дом «Додека–XXI», 2007. 528 с.

2 Чижма С.Н. Проектирование аналогово-цифровых преобразователей с USB выходом / С. Н. Чижма. Омский государственный университет путей сообщения, 2008. 36 с.

3 Чижма, С.Н. Проектирование активных фильтров на операционных усилителях: Методические указания к курсовому проекту / С. Н. Чижма. Омский институт инженеров железнодорожного транспорта, 1992. 46 с.

4 СТП ОмГУПС-1.2-05. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов/ ОмГУПС, Омск, 2005. 28с.

5 СТП ОмГУПС-1.1-02. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: Общие положения / ОмГУПС, Омск, 2002. 14с.


Приложение

Аналогово – цифровой преобразователь с USB выходом


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27710. Хулиганство (ст. 213 УК). Отличие этого преступления от вандализма (ст. 214 УК) 55 KB
  При квалификации действий лица по пункту а части 1 статьи 213 УК РФ судам следует при необходимости на основании заключения эксперта устанавливать является ли примененный при хулиганстве предмет оружием предназначенным для поражения живой или иной цели. В случаях когда в процессе совершения хулиганства лицо использует животных представляющих опасность для жизни или здоровья человека содеянное с учетом конкретных обстоятельств дела может быть квалифицировано по пункту а части 1 статьи 213 УК РФ. дает основание для квалификации содеянного...
27712. Принудительные меры медицинского характера. Виды, основания применения и порядок исполнения. Продление, изменение и прекращение применения принудительных мер медицинского характера 34.5 KB
  Продление изменение и прекращение применения принудительных мер медицинского характера. Принудительные меры медицинского характера это установленные уголовным законом меры государственного принуждения применяемые к лицам совершившим преступление и нуждающимся в лечении с целью их излечения и предупреждения с их стороны совершения новых общественно опасных деяний. Принудительные меры медицинского характера сами по себе наказанием не являются отрицательной оценки деяния от имени государства не выражают кары в себе не содержат судимости...
27714. Присвоение или растрата (ст. 160 УК). Особенности субъекта данного преступления. Отличие данного преступления от злоупотребления должностными полномочиями (ст. 285 УК), совершенного из корыстной заинтересованности 33 KB
  Особенности субъекта данного преступления. Отличие данного преступления от злоупотребления должностными полномочиями ст. Объект преступления отношение собственности. ОСОБЕННОСТИ SТА: Особенностью квалификации в данном случае является то что при совершении данного преступления группой лиц по предварительному сговору отдельные участники хищения не являющиеся ни должностными лицами ни лицами которым имущество было вверено или передано в ведение несут ответственность по ст.
27716. Преступление против основ конституционного строя и безопасности гос-ва 46 KB
  Разглашение гос. Объект: безопасность госва а также установленный порядок охраны сведений составляющих гос. Предмет преступления составляют сведения отнесенные законом к гос.
27718. Рецидив преступлений и его виды. Уголовно-правовое значение рецидива 32 KB
  Рецидив преступлений это совершение умышленного преступления лицом имеющим судимость за ранее совершенное умышленное преступление ст. В зависимости от количества судимостей за ранее совершенные преступления а также от тяжести ранее совершенных преступлений и тяжести вновь совершенного преступления законодатель выделяет три вида рецидива преступлений: простой ч. 1 Простым рецидивом признается совершение умышленного преступления лицом имеющим судимость за ранее совершенное умышленное преступление. 2 Рецидив преступлений признается...