Проектирование устройств на АЦП для контроля скорости

Департамент образования и науки Кемеровской области ГОУ СПО
«Юргинский техникум машиностроения и информационных технологий»
Проектирование устройств на АЦП для контроля скорости
воздушного потока.
Пояснительная записка
КП.230113.14.08.ПЗ
Курсовой проект
Лист
Содержание
Введение
3
1. Теоретическая часть проекта
5
1.1. Основные технические характеристики
5
проектируемого устройства, его назначение.
1.2. Описание цифровых и аналоговых компонентов:
7
микросхем, датчиков, индикаторов, активных компонентов и
их принцип работы.
1.3. Паспортные технические характеристики цифровых и
10
аналоговых компонентов, датчиков, их условные
графические обозначения, внешний вид или фото.
2. Экспериментальная часть проекта
2.1. Алгоритм, структурная и принципиальная схемы
2.2. Экранные копии принципиальной схемы
2.3. Видео файл демонстрации работы устройства
14
2.4. Заключение и выводы
Список стандартов
16
Список литературы
17
КП.230113.14 05 ПЗ
Изм. Лист
№ документа
Разработал
Грачев К.В.
Проверил
Прилепский С.Э.
Н.Контр.
Карасева Т.М.
Утв.
Подпись
Дата
Проектирование устройств
Литера
Лист
Листов
на АЦП для контроля
скорости воздушного потока.
ЮТМиИТ, гр. КС-11
Ведение
Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной
физической
величины
в
ее
числовое
представление.
Аналого-цифровой
преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально,
входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение,
ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и
т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать
исключительно преобразователи напряжение-код. Понятие аналого-цифрового
преобразования тесно связано с понятием измерения.
Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с
некоторым
эталоном,
при
аналого-цифровом
преобразовании
происходит
сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с
опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может
рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы
все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.
Применение АЦП в метеорологии связано с хорошим быстродействием
дешевизной надежности и высокой точностью измерений. Применение различных
электронных устройств для определения скорости воздушного потока на разных
уровнях от поверхности земли позволяет значительно раздвинуть современные
возможности метео - измерений. Данной тематике посвящены достаточно много
статей где рассматривается различные принципы работы электронных устройств
начиная с вращающих трансформаторов и заканчивая электронное механическое
устройство упругого напора.
Как частный случай можно рассмотреть АЦП в области навигации и
измерения
заключается
скорости
в
том,
движения
что
парусной
предметная
и
яхты
для
против ветра. Сущность
опорная
волоконные
катушки
интерферометра устанавливаются на воздушной и морской флюгарках. Причем
предметная волоконная катушка закрепляется на носовой части цилиндрической
морской флюгарки, а опорная волоконная катушка - на боковой части пластины с
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
3
радиусом, изменяющимся с увеличением угла по спирали Архимеда. Пластина
закреплена на оси воздушной флюгарки. Напротив опорной волоконной катушки
закреплен излучатель звуковых импульсов. Таким образом, одна катушка
интерферометра является лагом, а вторая - измерителем угла между направлением
ветра и килем яхты. Электронная схема позволяет определить произведение
скорости движения яхты на конце угла между направлением яхты и направлением
ветра.
Рисунок 1- Измеритель скорости движения парусной яхты против ветра.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
4
1. Теоретическая часть проекта
1.1. Основные технические характеристики проектируемого устройства,
его назначение.
Рисунок 2 – Флюгер Вильда
В своей ежедневной работе метеорологи применяют сотни различных
приборов и технических средств, но лишь одному из них довелось стать не только
инструментом измерения, но и символом всей метеорологии. Речь идет о флюгере
Вильда.
Флюгер представляет собой комбинированный метеорологический прибор,
предназначенный
для
измерения
направления
и
скорости
ветра.
На
десятиметровую высоту мачты насажена вращающаяся стрелка, которая под
воздействием ветра указывает его направление.
Над стрелкой размещена дощечка, отклоняющаяся на различную величину в
зависимости от скорости ветра. Подобные способы изучения ветра по
раздельности были знакомы людям еще с 15 века, но своей конструкцией,
дошедшей до наших дней, флюгер обязан Генриху Ивановичу Вильду.
Дуга - второе приспособление, с помощью которого мы узнаем силу ветра.
Сейчас мы ею займемся. Дуга сделана из железа шириной в 1 см, радиусом в 16
см. К ней прикреплены 8 штифтов, сделанные из 2-мм проволоки.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
5
Четыре штифта длинных, по 14 см длины, а четыре покороче - 10 см длины.
Первый длинный штифт приделан отвесно вниз. Когда доска висит неподвижно,
он приходится как-раз на ее ребро. Следующие штифты, попеременно короткие и
длинные припаиваются под определенными углами.
Между штифтом №1 и вертикальным.........................4°
Между штифтом №2 и вертикальным....................15,5°
Между штифтом №3 и вертикальным.......................31°
Между штифтом №4 и вертикальным....................45,5°
Между штифтом №5 и вертикальным.......................58°
Между штифтом №6 и вертикальным.......................72°
Между штифтом №7 и вертикальным....................80,5°
Теперь смотрите, до какого штифта отклонилась доска. Заметили штифт,смотрите на таблицу, которую мы даем. Скорость ветра в зависимости от
отклонения доски до того или иного штифта и определяется по таблице 1:
Таблица 1 - Скорость ветра отклонения доски
№ штифтов
Скорость ветра в
м/с
№ штифтов
Скорость
ветра в м/с
0
0
4
8
Между 0-1
1
Между 4-5
9
1
2
5
10
Между 1-2
3
Между 5-6
12
2
4
6
14
Между 2-3
5
Между 6-7
17
3
6
7
20
Между 3-4
7
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
6
1.2.
Описание цифровых и аналоговых компонентов: микросхем,
датчиков, индикаторов, активных компонентов и их принцип работы.
ADC0804
Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования
аналогового
сигнала
(обычно
напряжения)
в
цифровую
форму
(последовательность цифровых значений напряжения, измеренных с равными
промежутками времени). В настоящее время дискретизация сигнала в устройствах
выборки и хранения (УВХ) и преобразование напряжения в двоичные числа
(цифровые отсчеты сигнала) производятся в одной микросхеме. Типовая схема
включения АЦП с параллельным выходом приведена на рисунке 1.
Рисунок 3 - Схема включения параллельного АЦП ADC0804
В этой схеме для начала аналого-цифрового преобразования микропроцессор
или программируемая логическая схема должны подать сигнал начала
преобразования
(в
данной
схеме
это
сигнал
WR).
После
завершения
преобразования микросхема АЦП выдает сигнал готовности данных INTR и
микропроцессор может считать двоичный код, соответствующий входному
напряжению. При преобразовании сигнала по теореме Котельникова частота
дискретизации fд поступает на вход WR и ее стабильность обеспечивается
микропроцессором.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
7
Одним из важнейших параметров аналого-цифровых преобразователей
является разрядность его выходных данных. Именно этот параметр обеспечивает
отношение сигнал/шум преобразования и в конечном итоге динамический
диапазон цифрового сигнала. Разрядность АЦП стараются увеличивать для
увеличения отношения сигнал/шум. Отношение сигнал/шум аналого-цифрового
преобразователя можно определить по следующей формуле:
SN = N × 6 + 3,5 (дБ)
где N — количество двоичных разрядов на выходе АЦП.
Не менее важным параметром АЦП является время получения на его выходе
следующего отсчета цифрового сигнала. Получить одновременно высокую
скорость преобразования и большую разрядность является очень сложной
задачей, для решения которой было разработано большое количество видов
аналого-цифровых преобразователей. Рассмотрим их основные характеристики и
области применения.
Наиболее скоростным видом АЦП являются параллельные аналого-цифровые
преобразователи. В этих видах АЦП требуется передавать большие потоки
данных, поэтому они передаются в параллельном виде. Это приводит к тому, что
параллельные АЦП обладают большим количеством внешних выводов. В
результате габариты микросхем параллельных АЦП достаточно велики. Еще
одной особенностью параллельных АЦП является значительный ток потребления.
Перечисленные недостатки данного вида АЦП являются платой за высокую
скорость
преобразования
аналогового
сигнала
в
цифровую
форму
его
представления. Скорость преобразования в параллельных АЦП достигает 500
миллионов
отсчетов
в
секунду
(500 MSPS).
По
теореме
Котельникова
максимальная частота входного сигнала может достигать 250 МГц. В качестве
примера можно назвать микросхему AD6641-500 фирмы Analog Devices или
микросхему ISLA214P50 фирмы Intersil.
Для достижения еще более высоких скоростей преобразования используют
параллельное соединение несколько параллельных АЦП, работающих по очереди.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
8
При этом для того, чтобы обеспечить передачу данных к обрабатывающей
микросхеме приходится использовать несколько параллельных шин (по одной на
каждый
АЦП)
В
качестве
примера
подобного
вида
аналого-цифровых
преобразователей можно назвать микросхему АЦП MAX109 фирмы Maxim,
обеспечивающую скорость преобразования до 2,2 GSPS.
Немного
более
экономичным
видом
АЦП
являются последовательно-
параллельные АЦП. В этих видах АЦП в процессе аналого-цифрового
преобразования участвуют цифро-аналоговые преобразователи. Высокая скорость
подачи на выход отсчетов аналогового сигнала реализуется за счет конвейерной
обработки. В результате для последовательно-параллельных FWG скорость
преобразования и скорость выдачи на выход очередного цифрового отсчета не
совпадают. В качестве примера можно назвать микросхемы AD6645 и AD9430
фирмы Analog Devices.
Самым распространенным видом АЦП в настоящее время являются АЦП
последовательного приближения . Несмотря на то, что в данных видах аналогоцифровых преобразователей невозможна конвейерная обработка данных, а значит
время преобразования и период выдачи данных на выходе АЦП совпадают,
данный вид АЦП обладает достаточным быстродействием для работы в широком
диапазоне задач.
Следует отметить, что при обработке низкочастотных сигналов часто
требуется выполнять одновременно и аналого-цифровое преобразование и цифроаналоговое преобразование. В ряде случаев требуется в одной микросхеме
объединять несколько аналоговых каналов, например, стерео обработка звука.
Кроме того, в данных видах микросхем в их состав включаются низкочастотные
или полосовые фильтры, операционные усилители, что позволяет подавать на их
вход сигнал непосредственно с выхода микрофона, а с выхода — на телефон.
Подобный вид микросхем АЦП/ЦАП получил особое название — кодеки.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
9
1.3. Паспортные технические характеристики цифровых и аналоговых
компонентов, датчиков, их условные графические обозначения, внешний
вид или фото.
Характеристики ADC0804
Lead Free Status / RoHS Status
Бит
Частота амплитудно-импульсной
модуляции
Интерфейс подключения
Число преобразователей
Мощность рассеивания (макс.)
Напряжение питания источника
Рабочая температура
Тип монтажа
Корпус (размер)
Корпус
Lead free / RoHS Compliant
8
10k
Parallel
1
875mW
Single Supply
0°C ~ 70°C
Выводной
20-DIP (0.300", 7.62mm)
20-DIP
Рисунок 4 – ADC 0804
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
10
NE555
NE555 — аналоговая интегральная схема, универсальный таймер —
устройство для формирования (генерации) одиночных и повторяющихся
импульсов со стабильными временными характеристиками. Применяется для
построения различных генераторов, модуляторов, реле времени, пороговых
устройств и прочих узлов электронной аппаратуры.
Рисунок 4 - NE555N
Описание и основные параметры схемы
Микросхема
состоит
из
делителя
напряжения
с
двумя
опорными
напряжениями для сравнения, двух прецизионных компараторов (низкого и
высокого
уровней),
RS-триггера
с
дополнительным
входом
сброса,
транзисторного ключа с открытым коллектором и выходного усилителя
мощности для увеличения нагрузочной способности.
Номинальное напряжение питания базовой версии микросхемы может
находиться в пределах от 5 В ± 10 % до 15 В ± 10 % (т. е. 4,5...16,5 В), однако
некоторые производители подняли верхний предел напряжения питания до 18 В.
КМОП-версии отличаются возможностью работы при пониженном напряжении
питания (от 2 В).
Потребляемый микросхемой ток может достигать величины 6...15 мА в
зависимости от напряжения питания (6 мА при VCC = 5 В и 15 мА при VCC = 15
В). Типовое потребление бывает меньше и обычно составляет 3...10 мА в
состоянии низкого уровня и 2...9 мА — в состоянии высокого. Ток потребления
КМОП-версий таймера не превышает сотен микроампер.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
11
Максимальный выходной ток для отечественной NE555 и КМОП-версий
таймера составляет 100 мА. Большинство ныне выпускаемых зарубежных
аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до
200 мА и более.
Рисунок 5 – Выводы NE555
Особенности и недостатки
Применённая схема неотключаемого внутреннего делителя напряжения на
входе троичного компаратора делает невозможным независимую установку
напряжений сравнения верхнего и нижнего компараторов, что уменьшает область
возможного применения микросхемы.
К недостаткам биполярного таймера также можно отнести значительный
импульсный ток потребления (до 300-400 мА) в моменты переключения таймера.
Этот ток вызван сквозными токами выходного каскада микросхемы. С данной
особенностью связана рекомендация подключать между выводом 5 ("контроль
делителя") и минусом питания блокирующий конденсатор на 0,01...0,1 мкФ. Он
защищает внутренний делитель микросхемы от помех, наводимых по цепи
питания в моменты переключения таймера, что устраняет нестабильность его
запуска и повышает общую надёжность схемы. Для аналогичных целей
микросхему желательно шунтировать керамическим конденсатором ёмкостью 1
мкФ по цепи питания, располагать его следует в непосредственной близости к
микросхеме. Следует заметить, что указанный недостаток практически устранён в
КМОП-версиях
таймера,
поэтому
применение
с
ними
дополнительных
конденсаторов обычно не требуется.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
12
2.1. Алгоритм, структурная и принципиальная схемы.
Начало
Ввод
данных
W
ADC
Присвоение
двоичного
кода S
S=B/N (W)
Вывод
данных
S
Да
Продолжить
Нет
Конец
Рисунок 6 – Алгоритм принципа работы
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
13
АЦП
AД
УОИ
ГИ
АД – аналоговый датчик.
АЦП – Аналогово цифровой преобразователь
ГИ – генератор импульса
УОИ – устройство определения импульса.
Рисунок 7 - Структурная схема
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
14
2.2. Экранные копии принципиальной схемы
Рисунок 8 - Показано выключенная схема в программе Proteus
Рисунок 9 - Показана включенная схема в Proteus. На семи - сегментных
индикаторов показываются два нуля. Это говорит о том что скорость воздушного
потока равна нулю
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
14
Рисунок 10 - На семи – сегментном индикаторе показывается в
шестнадцатеричной системы счисления, по этому его переводим в десятичную
систему счисления и получается что скорость равна 10 м/с
Рисунок 11 - Скорость воздушного потока достигает 17 м/с. И так же с
шестнадцатеричной системы счисления переводим в десятичную систему
счисления
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
15
Заключение
При выполнении курсового проекта была проанализирована литература по
нескольким
источникам
и
выполнена
практическая
часть
по
теме
–
«Проектирование цифровых устройств на основе АЦП для управления внешними
устройствами».
В текстовом редакторе – Microsoft Word 2010 была оформлена пояснительная
записка. С помощью программы Proteus professional разработан алгоритм работы
микроконтроллерной системы.
Вывод:
В курсовом проекте «Проектирование цифровых устройств на основе цифровых
компараторов
для
управления
внешними
устройствами»
разработана
принципиальная схема устройства, подобраны необходимые компоненты для
реализации проекта, смоделирована и отлажена схема устройства.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
16
Список стандартов.
ГОСТ 2.701-84 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.
ГОСТ 2.710-81 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.
ГОСТ2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и
технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода
ЭВМ.
ГОСТ2.104-2006 ЕСКД. Основные надписи.
ГОСТ 2.106-96 ЕСКД. Текстовые документы.
ГОСТ 2.109-73 ЕСКД. Основные требования к чертежам.
ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.
ГОСТ 2.304-81 ЕСКД. Шрифты чертежные.
ГОСТ2.316-68 ЕСКД. Правила нанесения на чертежах надписей, технических
требований и таблиц.
ГОСТ 2.321-84 ЕСКД. Обозначения буквенные.
ГОСТ 2.503-90 ЕСКД. Правила внесения изменений.
ГОСТ6.38-90 УСД. Система организационно-распорядительной документации.
Требования к оформлению документов.
ГОСТ7.32-91 Система стандартов по информации, библиотечному и
издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и
правила оформления.
ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
17
Список литературы.
1. Бабич Н.П. Компьютерная схемотехника. Методы построения и
проектирования: Учебное пособие / Н.П.Бабич, И.А.Жуков. – Беларусь, Минск:
МК-Пресс, 2007. – 576 с.
2. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства;
БХВ-Петербург - Москва, 2006. - 488 c.
3. Шустов М. А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах; Наука
и техника - Москва, 2013. - 352 c.
4. Бойко В., др. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства; БХВПетербург - Москва, 2004. - 506 c.
Лист
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
КП.230113.14.08 ПЗ
18