Курсовая работа: Мікропроцесорний АЦП порозрядного врівноваження із ваговою надлишковістю, що калібрується

САЦП–АЦП, що самокалібруються

СЗР–старший значущий розряд

СП–схема порівняння

ЦАП–цифро-аналоговий перетворювач

ЦОП–цифровий обчислювальний пристрій

Вступ

За останнє десятиліття в світі створене більше сотні типів АЦП, відмінних по функціональному складу і призначенню, конструктивним, електричним і експлуатаційним характеристикам. Відоме їх застосування спільно з МП і мікро ЕОМ у складі пристроїв сполучення між об'єктами і інтерфейсом, а також використання як самостійних функціональних елементів у вузлах і блоках.

Сучасний етап характеризує великі і надвеликі інтегральні схеми АЦП, що володіють високими експлуатаційними параметрами: швидкодією, малими погрішностями, багаторозрядністю. АЦП знаходять широке застосування в різних областях сучасної науки і техніки. Вони є невід’ємною частиною цифрових вимірювальних приладів, систем перетворення і відображення інформації, програмованих джерел живлення, індикаторів на електронно-променевих трубках, систем радіолокації, установок для контролю елементів і мікросхем, а також важливими компонентами різних автоматичних систем контролю і управління, пристроїв вводу/виводу інформації ЕОМ. На їх основі будують перетворювачі і генератори практично будь-яких функцій, аналогові реєструючі пристрої, корелятори, аналізатори спектру і т.д. Великі перспективи використовування швидкодіючих перетворювачів в телеметрії і телебаченні.

Поза сумнівом, серійний випуск малогабаритних і відносно дешевих АЦП ще більш підсилить тенденцію проникнення методу дискретно-безперервного перетворення в сферу науки і техніки.

В даний час застосовують різні типи АЦП, що містять в своєму складі МП, які виконують обробку даних. Очевидно, що обробка даних – одна із головних функцій МП, яка включає як і маніпулювання так і обрахунок даних. Іншою функцією МП є управління системою. Схеми управління дозволяють декодувати і виконувати програми – набір команд для обробки даних. Робота МП складається з наступних кроків: спочатку вибирається команда, потім логічна схема її декодує, після чого здійснюється виконання цієї команди. Також відбувається обмін інформацією з зовнішніми пристроями, які під’єднані до МП.

МП являють собою цифрові ВІС, призначені для виконання простих операцій, інакше названих командами, що зчитуються і здійснюються послідовно з великою швидкістю. До числа внутрішніх схем МП відносяться багаторозрядні регістри, рівнобіжні тракти даних, буфери для підключення зовнішніх пристроїв, багатофункціональні схеми, логічні схеми синхронізації і керування. Багатофункціональні схеми призначені для реалізації простих арифметичних і логічних дій над двійковими числами, що знаходяться в регістрах процесора, і пересилок даних як усередині процесора, так і між ним і зовнішніми пристроями. Схеми синхронізації і керування задають порядок дій процесора, для виконання функцій синхронізації їм необхідні тактові імпульси, що постійно поступають.

Мікропроцесорні засоби використовуються у виді мікропроцесорних комплектів інтегральних мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання і призначених для спільного застосування. Мікропроцесорний комплект крім самого МП містить мікросхеми, що підтримують функціонування МП і розширюють його логічні можливості.

МК являє собою логічний автомат з високим ступенем детермінованості, який допускає небагато варіантів в його системному включенні.

В пристроях управління об’єктами МК розглядаються у вигляді сукупності апаратно-програмних засобів. При проектуванні схем на базі МК потрібна реалізація оптимального розподілу функцій між апаратними засобами і програмним забезпеченням. Рішення такої задачі ускладнюється тим, що взаємозв’язок і взаємодія між апаратними і програмними засобами динамічно змінюються.

В даний час розповсюджена така методологія, при якій весь цикл розробки схем з використанням МК поділяють на три фази:

1) аналіз задачі і вибір апаратних засобів;

2) розробка прикладного програмного забезпечення;

3) комплексування апаратних засобів і програмного забезпечення;

Дана робота присвячена розробці мікропроцесорного АЦП порозрядного врівноваження із ваговою надлишковістю, що калібрується.

1. Аналіз технічного завдання

Для з’ясування вимог до технічного завдання, доцільно навести структуру АЦП порозрядного врівноваження із ваговою надлишковістю, що калібрується [1], яку зображено на рисунку 1.1.

Структура повинна містити: аналоговий комутатор (АК) – для переключення між джерелами аналогових сигналів; для процедури врівноваження вхідного аналогового сигналу використовується схема порівняння (СП), регістр послідовних наближень (РПН) та цифро-аналоговий перетворювач (-ЦАП), який працює в надлишковій позиційній системі числення (НПСЧ) (назвемо її робочою системою числення); цифровий обчислювальний пристрій (ЦОП) в якому, в залежності від способу калібрування повинні виконуватись операції додавання, віднімання, множення, ділення та операції з пам’яттю; для збереження цифрових еквівалентів дійсних ваг розрядів та проміжних результатів обчислень – блок пам’яті (БП); блок допоміжних сигналів (БДС) для створення нульового вхідного аналогового сигналу, під час визначення похибки зміщення нуля та, для вимірювальних АЦП, наближене до еталонного джерело напруги або струму, що використовується під час визначення масштабного коефіцієнту; в деяких випадках для фіксації рівня вхідного аналогового сигналу використовується пристрій вибірки та збереження (ПВЗ); для узгодження роботи вище згаданих блоків використовується блок керування (БК). Як бачимо, введення вагової надлишковості відбивається тільки на -ЦАП, решта блоків залишається стандартними, тому всі обчислення відбуваються у загально прийнятій двійковій системі числення. Основна перевага надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ), реалізована при аналого-цифровому перетворенні складається у відсутності "розривів" у перетворювальній характеристиці, викликаних відхиленнями реальних ваг розрядів від їхніх розрахункових значень. Для "двійкових" АЦП ці відхилення не повинні перевищувати половини молодшого розряду.

Рисунок 1.1 – Структурна схема АЦП порозрядного врівноваження з ваговою надлишковістю

Для АЦП на основі "золотої пропорції" відносна похибка ваг розряду за рахунок технологічних, температурних, часових факторів може досягати до 23,6% [2], що не приведе до пропусків кодів. Таким чином, є можливість, знаючи точні значення реальних ваг розрядів, що беруть участь у перетворенні, одержати точне значення вхідного аналогового сигналу. Задача зводиться до визначення реальних ваг розрядів у спеціальному режимі роботи АЦП, названому калібруванням.

Використання НПСЧ при задані ваг розрядів ЦАП, дозволяє, за рахунок наявності зон перекриття між сусідніми розрядами отримати нерозривну передатну характеристику навіть за умови наявності значних відхилень ваг розрядів [3]. Головним недоліком ЦАП, побудованих з використанням НПСЧ, вважається збільшення кількості розрядів порівняно з двійковим ЦАП, що теоретично мало б призводити до збільшення часу врівноваження. Але, як було доведено в працях професора О.Д.Азарова, швидкодія таких перетворювачів може бути на порядок більша за двійкові без втрати точності за рахунок компенсації динамічних похибок першого та другого роду [4].

Основою системи числення [5] називається співвідношення ваг сусідніх розрядів

.

Для двійкової системи , а для надлишкових систем . До НПСЧ з дробовими вагами розрядів зокрема відносяться так звані системи числення золотої - пропорції[6].У системах числення золотої -пропорції, будь-яке натуральне число N* можна зобразити у вигляді