Аналого-цифровой преобразователь

Содержание

 

1 Введение ..........................................................................................................2

2 Техническое  задание ....................................................................................3

3 Функциональные  блоки схемы ..............................................              ….4

3.1 Управляемый автоколебательный мультивибратор ..................................4

3.2 ГПН на основе  ОУ.........................................................................................7

3.3.  . Сумматоры..................................................................................................9

4. Конструктивно-электрический расчёт резисторов………………….  …11

5.  Конструктивно-электрический  расчёт конденсаторов……………………….16

6. Топологический расчёт компонентов…………………………………………23

Список используемых источников…………………………………………….    24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

В данной курсовой работе рассматривается  аналого-цифровой преобразователь. В нем осуществляется импульсная модуляция линейно-нарастающего сигнала, с дальнейшей перспективой его преобразования в двоичный код. Отсюда, основными функциональными блоками устройства являются мультивибратор и ГЛИН. Мультивибратор формирует прямоугольные модулирующие импульсы. Управляемый ГЛИН – пилообразные импульсы. Импульсы промодулированные по амплитуде усиливаются с помощью двух усилителей, выполненных на ОУ. Изготовление устройства планируется осуществить по тонкопленочной технологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Техническое задание

 

Подлежит разработке Аналого-цифровой преобразователь

ь

 

Рис.1. Блок схема аналого-цифрового  преобразователя: 1-Мультивибратор; 2-ГПН; 3- Сумматор; 4- Модулятор- повторитель напряжения.

 

 

Исходные данные. Технология тонкопленочная. Блок схема. Мультивибратор 1: Период колебаний генератора: Т₁ =1.2 мкс, =0,5 мкс, =0,7 мкс. ГПН 2: Период колебаний генератора: Т₂ =16 мкс.  Сумматор 3 : Коэффициент усиления по входу 1 –(-10); Коэффициент усиления по входу 2 (+1). Делитель напряжения R9/R10 c коэффициентом передачи- 0,4. RC-элементы тонкопленочные.  Операционный усилитель имеет размеры 2.4х 2.4 мм. Диод имеет размеры 4 мм х 1.5 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Функциональные блоки схемы

 

Блок-схема многофункционального АЦП изображена на рис.1.

Рис.2 Принципиальная электрическая  схема устройства

 

Она состоит из  мультивибратора; генератора пилообразного напряжения (ГЛИНа), сумматора, модулятора- повторителя напряжения. Рассмотрим эти блоки.

 

3.1.Управляемый автоколебательный мультивибратор.

Он  выполнятся отдельно на  на  ОУ DA1 (Рис.2).

 

                                             А)

Рис.3. Выходная ВАХ мультивибратора

В мультивибраторе  делитель напряжения содержит  резисторы R3. R4. Переключение мультивибратора из одного состояния в другое осуществляется релаксационным изменением напряжения на инвертирующем входе.

Механизм  работы мультивибратора на  ОУ DA2 сводится к следующему. Если напряжение на резисторе R3 больше напряжения на конденсаторе С1, на выходе мультивибратора имеет место высокий уровень выходного напряжения, равный упрощающим предположениям  Е .  Напряжение  на неинвертирующем входе при этом условии постоянно: U_вх = γ Е . Напряжение на инвертирующем входе, равное напряжению на конденсаторе U_C1 , вследствие заряда последнего через цепочку VD1 R1 экспоненциально возрастает   с постоянной времени R1 R _VD1C1, стремясь к асимптотическому уровню Е (временная диаграмма U_вх2 на рис.3, в). В момент, когда U_C1. достигает верхнего порогового уровня  = γ Е , происходит скачкообразное  изменение режима ОУ  и выходное напряжение падает до нижнего возможного уровня . В изменившемся состоянии мультивибратора конденсатор С1 разряжается через резистор R2 R _VD2 и выход усилителя. Напряжение на инвертирующем входе падает с постоянной времени R2 R _VD2 C1, стремясь к асимптотическому уровню  . В момент, когда U_C1  достигает нижнего порогового уровня   = γ Е ,  низкий уровень выходного напряжения сменяется высоким, и далее процесс повторяется [3].

Длительность  поддержания высокого и  низкого  уровней  выходного напряжения ( , , см. временную диаграмму U_вых2  рис. 3),   определяется соотношениями

=   (R1 R _VD1) С₁1n(1+(1- / Е ) R3/ R4);     (1)

=  (R2 R _VD2 ) С₁1n(1+(1- Е / ) R3/ R4),     (2)

Период колебаний Т₂ для распространенного случая равенства абсолютных величин высокого и низкого уровней выходного напряжения Е = — определяется соотношением

Т₂ = + = 2 (R1 R _VD1) С21n(1+2 R3/ R4 ).      (3)

Частота этих колебаний

f₂ =1/ Т₂ = 0,5/( (R1 R _VD1) С2 1п(1+2 R3/ R4 )).      (4) 

Скважность  импульсов обеих   полярностей  в  этом случае  равна двум.

Этим устройством генерируются  импульсы со скважностью  близкой  к двум  (рисунок 3)  [4].  Реализация двух временно устойчивых состояний, обязательных для всякого автоколебательного  мультивибратора, обеспечивается созданием положительной резисторной обратной связи. Она включается   между выходом и неинвертирующнм входом ОУ.

Рисунок 4 - Временные диаграммы работы управляемого автоколебательного  мультивибратора

 

Возбуждение автоколебаний  в рассматриваемом  мультивибраторе является мягким.  Какой бы уровень выходного напряжения ОУ ни установился (низкий или высокий), изменение напряжения на конденсаторе, подключенном к инвертирующему входу, приводит с течением  времени к смене его другим уровнем.

Параметры элементов мультивибраторов на ОУ выбираются, исходя из задаваемых требований к параметрам генерируемых  импульсов и необходимости предотвращения  условий  работы ОУ, выходящих за рамки предельно допустимых.

Выходной ток ОУ мультивибратора включает две составляющие.  соответствующие двум   цепям обратной  связи   (по   инвертирующему и неинвертирующему входам). Ток I_R цепи неинвертирующего входа в предположении идеальности  свойств ОУ определяется выходным; напряжением усилителя и сопротивлениями  R3. R4 резисторов:  

Ток    I_C  цепи    инвертирующего  входа    меняется  по мере заряда и разряда времязадающего конденсатора.  Максимальная величина этого тока имеет место после смены временно устойчивых состояний мультивибратора, когда разность выходного  напряжения и напряжения на  конденсаторе достигает

(1+γ)/ /;                                                                                                   (5)

I_см =(1+γ)( R1 R _VD1)^-1            (6)  

Общая величина выходного тока ОУ  не должна   превышать   допустимого   по  техническим   условиям   уровня  I_{вых м} :

((1+γ)( R1 R _VD1R5)^-1 + (R3+ R4)^-1 ≤ I_{вых м}             (7)                                                             

Соотношение (6) определяет требование к минимально допустимой  величине сопротивления  резисторов R1,R3, R4.

Рассчитаем  мультивибратор на ОУ DA3. Дано: R3=  R4 = 100 кОм; при R1 =6 кОм   и   R2 =6 кОм ;  γ = 0.3; C1 = 330 пф.

Расчет  мультивибратора сводится к определению:

1. Максимального выходного тока ОУ (7)                                                             

при R1 =5 кОм

((1+0.3)(5•10³)^-1 + (100•10³+ 100•10³)^-1)•12 ≤ 12 мА

2. Длительности  поддержания высокого уровня  выходного напряжения (1),

=  5•10³ •330•10^-12 • 1n(1+(1+12/ 12)) •100•10³/100•10³ =1.7 мкс при R2 =6 кОм 

3. Длительности  поддержания  низкого  уровня  выходного напряжения (2)

=  5•10³ •330•10^-12 • 1n(1+(1+12/ 12)) •100•10³/100•10³ =1.7 мкс при R2 =6 кОм 

4. Периоды колебаний Т₂ (3)            

при R2 = 6 кОм

Т₃=1.7 мкс+1.7 мкс = 3.4 мкс

5. Частота колебаний (4);

при R2 = 6 кОм

f₃ =1/3.4 мкс =300.0 кГц.

 

3.2. Генератор пилообразного  напряжения    (ГПН)    на основе ОУ

                   ОУ представляют собой элементы  с высоким значением коэффициента  усиления, обеспечивающие инвертирование усиливаемого сигнала. Эти свойства адекватны требованиям, предъявляемым к усилителям,   на   которых выполняют ГПН по традиционной схеме генераторов с компенсирующей отрицательной обратной связью (интеграторы Миллера [4.]). Благодаря простоте такие схемы получили широкое распространение , однако создаваемое ими пилообразное напряжение (ПН), строго говоря, отличается от линейного (имеет выпуклую форму, коэффициент нелинейности е_пп > 0). Наряду с этим, наличие в ОУ неинвертирующего входа позволяет создавать на их основе схемы резистивно-компенсационного типа,   которые способны генерировать напряжение строго линейной , а также вогнутой  формы [3]. В таких генераторах, известных в дискретной транзисторной технике, реализуется  эффект отрицательного  входного  сопротивления  неинвертирующего усилителя, охваченного положительной обратной связью. Это сопротивление позволяет компенсировать положительное сопротивление зарядной цепи, которое, как известно, является причиной нелинейности (выпуклой формы) ПН.  Поскольку эффект отрицательного входного сопротивления может найти более широкое применение.

                      Принципиальная схема цепи, обладающей отрицательным входным сопротивлением по отношению к неинвертирующему входу ОУ, представлена па рис. 2, а (входное напряжение двухполюсника — и_вк, входной ток — 1_ВХ). Положительная ОС выхода и неинвертирующего входа осуществляется резистором  R8. Отрицательная ОС по инвертирующему входу, создаваемая с помощью резисторов R5, R6 и источник питания Е_а позволяют изменять вольт-амперную характеристику двухполюсника (входную характеристику схемы).

                 ОУ в рассматриваемой схеме работает в усилительном режиме, в связи с чем напряжения на его входах U_вх отличаются на единицы милливольт.

                                                         

А)

 

                                                                      Б)

Рис.5.Входные и выходные характеристики ГПН

 

Период колебания ГПН 

=  0.4С2 R8         (8)

=  0.4•25000•10 ^-12 1,5 •10³= 16 мкс

Частота колебаний     

f₃ =   1/ = 1/0.000016 =62.5кГц       (9)

 

3.3. Сумматоры

 

Активным сумматором называется устройство, построенное на активных элементах  и выполняющее математическую операцию сложения входных напряжений.

В данной работе и используется сумматоры, построенные на базе ОУ DA3  и DA4.

В настоящее время в качестве активных элементов широкое применение  нашли операционные усилители (ОУ).  Для построения сумматоров используются инвертирующая и неинвертирующая  схемы включения  ОУ.

На базе инверсного и неинверсного сумматоров в работе строятся вычитатели. Для них справедливы следующее выражение

U_вых = U_вых1 + U_вых2                (10)

 

Из инверсной схемы следует

 

U_вых1 = - (U_вх1/R11) R12 = - U_вх1 K _(-)          (11)

 

Для неинвертирующего   сумматора  справедливо выражение

U_вых2  =            (12)     

 где      k_Д3 = R10/ ( R9 +R10 )

 

Согласно (11), (12) запишем

U_вых= - (U_вх1/R11) R12 +             (13)

При  R12/R11 = ;        U_вх2  =U_вх1  ;  U_вых  = 0      (14)

Т. Е. сигналы U_вх2 и U_вх1 – взаимно вычитаются. Коэффициенты усиления схемы   по каждому из 2–х. входов

 

К_(-)1 = U_вых1/U_вх1 = - I_вх1R12/I_вх1R11 = - R12/R11          (15)

К₍₊₎₂  = U_вых2/U_вх2 =                               (16)

При | βk |>>1 , R10 > R9.

 

К₍₊₎₂ =                    (17).

Рассчитаем вычитатели. Для вычитателя,  построенного на ОУ DA3. Зададимся в (15)  К_(-)3 = -10, R11=6,0 кОм. Найдем значение R12.

R12= К_(-)3• R11        (18).

R12= -10 _•6,0 ≈ 100 кОм.

По второму входу  этого вычитателя. Имеем  К₍₊₎₂= 1,  R12=  100 кОм, R11=6,0 кОм, R10 =6 кОм. Определим значение R9.

R9. =        (19).

R9. = =114 кОм

Для вычитателя,  построенного на ОУ DA4.

Коэффициент усиления схемы  по  инверсному входу

К_(-)1 = U_вых1/U_вх1 = - I_вх1R14/I_вх1R13 = - R14/R13          (20)

 

 

Зададимся в (20)  К_(-)4 = -4, R14=6,0 кОм. Найдем значение R13.

R13= - R14/К_(-)4•       (21).

R13=6,0/4= 1.5 кОм

     

С целью повышения защищенности сумматоров от коротких помех рядом с электродами питания их микросхемы включается конденсаторы емкостью C3= C4=1000 пФ

 

4. Конструктивно-электрический расчёт резисторов

В данном разделе будут найдены  конструктивно-электрические параметры  аналого-цифрового преобразователя. Его процесс изготовления происходит по тонкоплёночной технологии. Её предварительным этапом является конструктивно-электрический расчёт RС-элементов.

Рисунок 6. - Конструкция тонкоплёночного резистора:.

1-резистивный слой; 2-проводящий слой (контактная площадка);  3-подложка.

 

Расчёт начнём с резисторов.

Исходными данными  являются значения резисторов Ri и отклонения γ от их численных значений.