Цифро-аналоговый преобразователь

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
     

     

     Введение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Аналоговые  устройства обработки сигналов продолжают занимать важное место в промышленной электронике. Это объясняется тем, что большинство типов первичных  преобразователей физических величин  – датчики температуры, давления и пр. - являются источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы в объектах управления – электродвигатели, электромагниты и т.п. – управляются непрерывно изменяющимся электрическим током.

     Сложные системы управления, основой которых являются цифровые вычислительные комплексы, сопрягаются с объектами управления и датчиками с помощью аналоговых и аналого-цифровых устройств. Всё это стимулирует ежегодное появление в мире многих десятков новых моделей аналоговых и аналого-цифровых интегральных схем (ИМС). С точки зрения технологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые (монолитные, твердотельные) – изготавливаемые целиком на одной пластине кремния и гибридные – у которых резисторы, конденсаторы и соединительные проводники изготавливаются методом пленочной технологии, а бескорпусные активные элементы в виде чипов приклеиваются на пассивную часть схемы. Гибридные ИМС дороги, менее надежны и применяются в тех случаях, когда отсутствуют монолитные ИМС с необходимыми параметрами. Поэтому большинство современных моделей ИМС монолитные.

      История интегральных микросхем началась 12 сентября 1958 г., когда в лаборатории  фирмы Texas Instruments Джеком Килон (JacK S. Kilby) был продемонстрирован генератор сигналов, изготовленный им на кусочке германия размером 11х1.5 мм. Прологом этого события явилось изобретение Джином Хорни (основателем фирмы Fairchild Semiconductor) пленарного транзистора. В 2000 году Дж. Килби за изобретение интегральной схемы был удостоен, совместно с российским физиком Ж.И. Алферовым Нобелевской премии по физике. Появление интегральной микросхемы было вызвано стремлением снизить стоимость и повысить надежность электронных устройств за счет параллельного изготовления в едином технологическом процессе как активных элементов (транзисторов и диодов), так и пассивных (резисторов и конденсаторов). Впоследствии оказалось, что совместное изготовление транзисторов позволило лучше согласовать характеристики, а это очень важно, например, для входных каскадов операционных усилителей. Расположение транзисторов в непосредственном тепловом контакте друг с другом обеспечило повышение температурной стабильности аналоговых схем, а микроскопические размеры и близость элементов друг к другу – повышение их быстродействия.  
 

     В двадцатилетней истории развитии технологии и схемотехники цифровых ИС (ЦИС) можно условно выделить четыре этапа:

     Первый (60-е годы) – разработка базовых  серий ЦИС малой степени интеграции, выполняющих простые логические функции. Такие ЦИС принципиально  повысили надежность вычислительных устройств.

     Второй  этап (70-е годы) – разработка ИС средней  степени интеграции, таких как  счетчики, регистры, дешифраторы, матрицы  ЗУ с числом эквивалентных элементов  не более 1000. Функциональный состав разработанных  на предыдущем этапе серий постоянно расширяется именно за счет таких ИС.

     Массовое  производство ЦИС малой и средней  степени интеграции стало отправным  пунктом для выпуска первых БИС  с числом элементов до 10 тыс. Этот (условно – третий) этап относится  к концу 70-х годов. Как пример можно вспомнить о широком распространении в то время карманных калькуляторов (простейших – школьных и программируемых - инженерных).

     На  четвертом, современном, этапе имеются  имеются технологические возможности  изготавливать серийно БИС с числом элементов, на порядок большим (и даже свыше 100 тыс). Таким количеством элементов весьма трудно распорядиться разработчику, даже оснащенного мощной системой машинного проектирования. Поэтому сейчас характерны различные БИС с повторяющейся, т.е. регулярной (например матричной) структурой. Обычно это запоминающие устройства ЗУ: постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ). Применяется и другой прием: на большом по размеру кристалле определяется несколько ранее оправдавших себя БИС. Получается так называемая «сверх - большая» БИС (СБИС). Эти СБИС могут быть однокристальными микро – ЭВМ. Весьма перспективны программируемые логические матрицы.

      На протяжении этих четырех этапов достигли максимального  совершенства ИС трех типов логики: транзисторно-транзисторной (ТТЛ) - универсальной, эмиттерно - связанной (ЭСЛ) – сверхскоростной и КМОП – экономичной. Появились так же БИС на перспективной биполярной логики, называемой интегрально инжекционной логикой.

     Широкое распространение цифровых вычислителей в устройствах обработки текущих сигналов требует применение ИС как для прямого преобразования исходной аналоговой величины в соответствующий ей цифровой эквивалент, так и для обратного преобразования выходных цифровых данных в пропорциональные аналоговые уровни. Связь между аналоговыми и цифровыми сигналами осуществляется посредством АЦП. Обратное преобразование выполняется с помощью ЦАП (преобразователя цифра - аналог). Объясняется это  тем, что первичная, исходная информация о различных физических величинах и процессах носит, как правило аналоговый характер. Использование полученных после цифровой обработки результатов так же в большинстве случаев требует их аналогового представления. Следовательно, любая система, использующая цифровые методы обработки информации, должна содержать устройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).

     Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой  сложное электронное устройство в интегральном исполнении с развитой внутренней структурой.

     Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие  им цифровые коды, пригодными для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

     Принципиально не исключена возможность непосредственного  преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в  редких случаях из-за сложности таких  преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в аналоговые электрические сигналы в виде тока или напряжения с амплитудой, пропорционально измеряемой величине, а затем уже с помощью АЦП их переводят в цифровую форму.

     В настоящее время известно большое  число методов преобразования напряжения – код. Эти методы существенно  отличаются друг от друга потенциальной  точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации.

     В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

     Важную  часть аналого-цифрового преобразователя  составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов и правила (протокол) обмена данными. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например микропроцессору, микроконтроллеру или цифровому процессору сигналов. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

     Постепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройством  выборки – хранения, АЦП со сложной  цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченные однокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от многих датчиков и передачу их на микро – ЭВМ.

      Так же появились  современные средства обработки и передачи аналоговых сигналов, такие, как системы обработки речи, беспроводная и проводная связь, которые должны содержать в своем составе аналого – цифровые и цифро – аналоговые преобразователи, цифровые процессоры сигналов и фильтры. При современном развитии микро схемотехники естественно разместить если не на нее, то хотя бы часть перечисленных устройств, на одном кристалле. Устройства, в состав которых входят АЦП и ЦАП, а также схемы аналогового и цифрового интерфейса называют кодеками (Кодер / ДЕКодер).

     К 80 годам в нашей стране в связи  с большим развитием между  уровнем теоретической и практической подготовки молодых специалистов в  области вычислительной техники  появилась необходимость в ликвидации компьютерной безграмотности. Было принято решение о проведение реформы профессионально – технического образования, на базе широкого внедрения электронно-вычислительной техники (ЭВТ) и введение в программу учебных заведений курса «Основы информатики и вычислительной техники», даже на непрофилирующих специальностях. Были созданы компьютерные классы и лаборатории ЭВМ, в которых учащиеся знакомились с принципом действия компьютера и его работой.

     В свете вышеизложенного в данном курсовом проекте разрабатывается  действующий макет, который может  быть использован в учебном процессе – модуль аналого – цифрового преобразователя SHD-ADC/485. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Обоснование выбора схемы МАЦП 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      В данном курсовом проекте разрабатывается модуль аналого – цифрового преобразователя SHD - ADC/485, на базе которого изготовлены универсальная установка для исследования люминофоров и модуль преобразования аналогового сигнала для медицинских исследований. Сложности, связанные с установкой нестандартного оборудования на материнскую плату PC, привели к созданию модулей подключаемых к последовательному порту PC. Модуль SHD-ADC/485 работает на скорости передачи данных до 115200 бит/с. Это ограничение связано со скоростью работы порта PC. Взаимодействие модуля с PC организованно при помощи программного обеспечения, работающего в среде WINDOWS или DOS. Модуль разработан для решения конкретных задач. Применение модуля как АЦП и генератора ШИМ сигнала делает его универсальным устройством для многих применений. Дополнительно модуль оборудован узлом управления блоком питания Б5-49.

       Модуль SHD-ADC/485 обеспечивает:

- преобразование аналоговых величин в цифровой код для последующего отображения на индикаторе или для передачи по интерфейсу RS-485 или RS-232;

- преобразование цифрового кода в аналоговую величину для управления устройствами, имеющими аналоговый вход управления;

- подачу ШИМ сигнала управления устройствами, имеющими вход ШИМ, дистанционное управление различными устройствами;

- управление блоком питания Б5-49.

       Модуль SHD-ADC/485 является составной частью системы управления и может использоваться как в виде отдельного устройства, так и совместно с PC для управления различными объектами. Программирование модуля SHD-ADC/485 производится с помощью клавиатуры, путем занесения в ячейки памяти необходимой информации или PC при помощи программы настройки модуля.

       Модуль предназначен для установки  внутри помещения и рассчитан  на круглосуточный режим работы. Что и обусловило выбор данной схемы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

Описание работы МАЦП по схеме электрической структурной 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Модуль аналого-цифрового  преобразователя состоит из 4 плат, соединенных между собой интерфейсными  шлейфами через порты ввода / вывода.

     Плата центрального процессорного устройства (ЦПУ) предназначена для решения задач управления периферийными платами и обработки информации. ЦПУ состоит и микропроцессора (МП) PIC16F874, последовательного интерфейса RS – 485, собранного на микросхеме MAX487 (последовательного интерфейса RS–232, собранного на микросхеме MAX232), энергонезависимой памяти на микросхеме 24LC16B, часов реального времени с будильником на микросхеме PCF8583P, стабилизатора напряжения, последовательных регистров сдвига с параллельным выводом информации. К ЦПУ подключаются три платы – платы индикации и клавиатуры, плата АЦП и плата управления блоком питания Б5-49. Плата ЦПУ спроектирована таким образом, что позволяет решать широкий круг задач. Адаптация платы под различные задачи является путем установки переключателей, установки необходимых микросхем и изменение программного обеспечения МП. Программным обеспечением определяются все основные пользовательские сервисные функции. Программное обеспечение (ПО) размещается в EEPROM МП PIC16F874.