Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования Российской Федерации

Ижевский Государственный Технический Университет

Кафедра Вычислительной Техники

Пояснительная записка

к курсовой работе по курсу

«Схемотехника аналого-цифровых устройств»

Выполнил:

студент гр. 5-36-2

Хуснутдинова З.

Проверил:

к.т.н., доцент каф. ВТ

Сяктерев В. Н.

Ижевск 2009

Содержание

Часть 1. Анализ технического задания

1. Принцип работы

2. Расчет схемы

3. Моделирование схемы

Часть 2. Описание интегральной схемы К572ПА2

Заключение

Литература

Часть I. Анализ технического задания

Вариант 8-5-2

Требуется рассчитать генератор на операционном усилителе.

fг	4кГц
Uвых. max	10 В
fч	20мкс
Tокр. ср.	±50 °C
	±5%

Во второй части курсовой работы необходимо дать описание интегральной схемы К572ПА2.

Техническое задание накладывает ограничения на выбор ОУ.

1. Принцип работы схемы

Рассмотрим принцип действия схемы генератора на основе ОУ (рис. 1)

а) б)



в)

Рис. 1. Генератор на основе ОУ(а), передаточная характеристика инвертирующего компаратора (б) и временные диаграммы выходных напряжений схемы (в)

генератор операционный усилитель мультивибратор

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. Схема генератора на ОУ приведена на рис.1(а) . В данном случае ОУ охвачен двумя цепями ОС: положительной с коэффициентом передачи bПОС=R2/(R1+R2) и отрицательной с bООС=1/RООС (СOOC+1). Рассмотрим процессы, происходящие в схеме при условии Uвыхmax=|-Uвыхмах|. Для этого воспользуемся передаточной характеристикой усилителя относительно его инвертирующего входа рис1(б). Очевидно, что в случае ОУ выполняет функции инвертирующего компаратора напряжения.

Предположим, что в момент t0 на схему подано напряжение питания. Так как усилитель охвачен цепью безынерционной ПОС, а напряжение на его инвертирующем входе Uвхи=UcOOC=0, на выходе ОУ равновероятно может установиться любое из его максимально возможных напряжений.

Допустим, что uвых0=Uвыхмах. Тогда входное напряжение ОУ примет значение

UвхОУ=Uвхи-Uвхн=-bПОСUвыхмах<0, (1.1)

что подтвердить положительную полярность его выходного напряжения. Согласно характеристике рис. 1(б), это состояние схемы можно было бы считать устойчивым состоянием равновесия. Однако после появления на выходе ОУ напряжения положительной полярности Uвыхмах начинается процесс заряда конденсатора Cоос. Напряжение на инвертирующем входе усилителя начнет повышаться. Этот процесс идёт с постоянной времени заряда и сопровождается увеличением входного напряжения ОУ.

(1.2)

В момент, когда напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает значение UвхИ=bПОСUвыхмах (при этом UвхОУ=0), выходное напряжение усилителя изменит свою полярность, уменьшившись до Uвых1=-Uвыхмах. Напряжение на инвертирующем входе уменьшится до UвхИ=-bПОСUвыыхмах, а входное напряжение усилителя увеличится до UвхОУ=2bПОСUвых>0.

Новое состояние схемы также будет квазиустойчивым. Изменение полярности выходного напряжения ОУ вызовет перезаряд конденсатора СООС. В результате этого с течением времени входное напряжение усилителя UвхОУ будет уменьшаться, и в момент, когда Uвх ОУ=0 (UвхИ=-bПОСUвыхмах), произойдёт очередное переключение схемы и процесс повторится.

Таким образом, на выходе ОУ будет формироваться переменное напряжение uвых1 прямоугольной формы. Форма напряжения на конденсаторе uвых2, составленная из начальных участков экспоненциальных процессов его перезаряда, будет приближаться к треугольной. На рис. 1(в) представлены временные диаграммы выходных напряжений.

Обычно в реальных условиях такая схема не выполняется. Поэтому используют схемы генераторов для отрицательных и положительных значений выходного напряжения ОУ.

Рис.2 Мультивибратор на ОУ

Режим работы мультивибратора. В момент t=0 (рис.3) включается источник питания ОУ. При этом начинает возрастать Uвых, а, следовательно, и напряжение, снимаемое с делителя R1, R2 и поданное на вход Uвх+, что вызывает дальнейшее увеличение выходного напряжения Uвых, т.е. происходит лавинообразный процесс, в результате которого Uвых скачкообразно возрастает до значения E+ (это первое состояние квазиравновесия), а Uвх+ - до значения , где

.

Рис.3

Напряжение Uвх- при этом практически не изменяется и равно нулю.

С увеличением t, за счет разряда конденсатора через резистор R4 увеличивается напряжение Uвх- по экспоненциальному закону до значения Е.

В момент времени t1 Uвх+ =Uвх- =E. При этом Uвых уменьшается лавинообразно, меняя полярность на противоположную.

В результате Uвых= -Е, а Uвх+=-E.

Конденсатор начинает заряжаться через сопротивление R3 и стремится перезарядиться до напряжения -Е. В момент, когда при перезагрузке конденсатора напряжение Uвх- достигает значения -E, вновь возникает регенеративный процесс, завершающийся переключением схемы.

Таким образом, периодически происходит переход из одного состояния в другое.

Первый импульс имеет меньшую длительность, т.к. формируется при

(1.3)

где

зарядке конденсатора от нуля до и определяется по формуле:

Последующие импульсы определяются по формуле:

(1.4)

Период следования импульсов равен:

(1.5)

Где R3 и R4 сопротивления зарядного и разрядного резисторов. Максимальный дифференциальный сигнал Uдф=2E. Синфазный сигнал Ucф=E.

При выборе схемы ОУ необходимо учесть, чтобы Uдфм > 2E.

2. Расчет схемы

Для расчета заданной схемы выберем операционный усилитель, соответствующий указанным параметрам: КР140УД8А.

, , , .

Параметры КР140УД8А:

- напряжение питания, Е =

- максимальное выходное напряжение, Uвыхм

- коэффициент усиления напряжения, Кu не менее 50000

- входное синфазное напряжение, Uсфм не более 5В

- входное напряжение, Uвх не более 10В

- температура окружающей среды, Токр. ср. = -45…+70 ?С

Найдем скважность генерируемых импульсов:

(2.1)

1) Согласно теоретической части работы: Ucф=?, Uдф=2E,

(2.2)

2) Подберем параметры резисторов R1 и R2.

Реальные значения Rвхоу и Rвыхоу оказывают влияние на форму генерируемых импульсов, однако это влияние незначительно, если сопротивления резисторов R1 и R2 удовлетворяют неравенствам:

Следовательно, R1 и R2 должны лежать в пределах от 1 кОм до 10000 МОм,

а также должно выполняться ,

Выберем сопротивления R1=3,9кОм, R2=9,1кОм (из ряда Е24). Резисторы: C2-33-0.125 - 3900 Ом 5% и C2-33-0.125 - 9100 Ом 5%.

(2.3)

3) Подберем параметры для времязадающей цепи.

Чем меньше , тем быстрее происходит перезаряд конденсатора. По формуле (1.4)

Необходимо подобрать параметры R3, R4 и С таким образом, чтобы выполнялось неравенство , а также согласно получившейся скважности, R3>> R4.

Выберем из ряда Е24 сопротивления R3=16кОм, R4=750 Ом и

C2-33-0.125 - 18000 Ом 5%, C2-33-0.125 -620 Ом 5%, К10-23 -

Значение T соответствует заданному T=0,4 мс.

Проверим точность полученных параметров. Для этого увеличим каждый на 5% и определим, на сколько изменятся выходные данные.

R1=3900*1,05=4095 Ом

R2=9100*1,05=9555 Ом

R3=750*1,05=787 Ом

R4=16000*1,05=16800 Ом

С=0,02*10-6*1,05=0,0021мкФ

По формулам (2.3), (1.4) и (1.5)

Рассчитаем относительные ошибки:

3. Моделирование схемы

Для проверки работы мультивибратора, соберем схему программе Micro-Cap.

Временные интервалы:

По графику находим длительность импульса :

Определим относительную погрешность:

Часть 2. Описание интегральной схемы К572ПА2

Микросхемы умножающего ЦАП К572ПА2 (А, Б, В) являются универсальными структурными звеньями для построения микроэлектронных ЦАП, АЦП и управляемых цифровым кодом делителей тока. Они предназначены для преобразования 12-разрыдного прямого двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом входе, который пропорционален значениям кода и опорного напряжения. Микросхема К572ПА1 содержат более тысячи элементов и размещаются соответственно в герметичных металлокерамических плоских корпусах типа 4134.48-2 и пластмассовых корпусах типа 2123.40-2 с вертикальным расположением выводов.

Рис 1. Схема дискретно-аналогового преобразования фильтра.

Нумерация и назначение выводов 2-- аналоговый выход 2; 4-- аналоговая земля; 6-- вход регистра 1; 8--19 -- цифровые входы 1-12; 20 -- напряжение источника питании Uсс1; 21-- вход регистра 2; 22 -- цифровая земля; 24 -- напряжение источника питания Uсс2; 30-- вывод конечного резистора матрицы; 38 -- опорное напряжение Uоп, 47 -- вывод резистора обратной связи; 48 -- аналоговый выход 1; 1, 3, 5, 7, 23, 25--29, 31--37, 39--46 -- незадействованные выводы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функциональная электрическая схема БИС ПАП К572ПА2 изображена на рис. 2. Её цифровая часть обладает индивидуальными особенностями и включает блок согласования входных уровней напряжений цифрового кода УЦ с КПОМ уровнями внутренних элементов преобразователя, два 12-разрядных буферных регистра RG1 и RG2, один из которых служит для записи и хранения цифровой информации, а второй помимо указанного необходим для управления аналоговыми переключателями тока. Эти особенности делают БИС ЦАП удобной для организации связи МП.

Аналоговая часть функциональной схемы БИС К572ПА2 во многом повторяет ИС К572 ПА1. Отличие состоит лишь в увеличении числа звеньев матрицы R-2R и КМОП переключателей тока (до 12). Для работы с выходом по напряжению ЦАП К572ПА2 также требует ИОН и ОУ в режиме суммирования тока.

Активные элементы БИС и прецизионные резисторы матрицы R-2R размещены в объеме и на поверхности двух различных кристаллов.

Метод преобразования в БИС К572ПА2 предполагает суммирование всех разрядных токов, взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения на входе 38 в соответствии с заданным значением двоичного кода на цифровых входах ЦАП.

Таблица 1

Осиновые электрические параметры при температуре окружающей среды

	не менее	не более
число разрядов в b	12	-
дифференциальная нелинейность К572ПА2А К572ПА2Б К572ПА2В	-0,025 -0,05 -0,1	0,025 0,05 0,1
Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы , МР	-20	20
Время установления выходного тока , мкс	-	15
Токи потребления , мА	-	2

Преобразователь рассчитан на работу от двух источников питания ипри опорном напряжении . Наличие отдельного вывода для питания входных усилителей-инверторов от источника +5В±5% позволяет подключить его к ТТЛ схемам без дополнительных резисторов. Точность преобразования при этом не ухудшается.

Микросхема К572ПА2 допускает эксплуатацию при изменении напряжений источников питании от 4,7 В до 17 В, от 12 до 17 В, опорного напряжения Uоп в диапазоне ±22,5 В, Но при этом не гарантируются нормы на электрические параметры и необходимо выполнение условия, a .

Облегченный режим эксплуатации БИС К572ПА2 обеспечивается при ,, .

Таблица 2

Типовые значения дополнительных электрических параметров

Ток утечки на выходе Iolk, нА, не более	50
Входной ток высокого уровня IlH, мкА, не более	1
Выходной ток смещения нуля I00, нА, не более	30
Выходной ток IOBH, мА, не более	0,82
Температурный коэффициент , %/0C, не более	2*10-6
Выходная емкость при коде 11..11 С0, пФ	270
Выходная емкость при коде 00..00 С0, пФ	70

При работе с ЦАП К572ПА2 необходимо соблюдать правила подачи электрических режимов и меры защиты, рекомендованные для ЦАП К572ПА1. Источник Ucc1 должен подключаться после включения источника Ucc2. Не допускается даже кратковременное превышение значения Ucc1 иад Ucc2, а также превышение напряжений на цифровых входах ЦАП иад напряжением Ucc1. Рекомендуемая схема защиты БИС от неправильной подачи напряжений питания приведена на рис. 3.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3 Схема включения ЦАП с элементами защиты от неправильной подачи напряжения

Там же показан вариант включения дополнительных резясторов R1 и R2 для регулирования коэффициента преобразования в небольших пределах.

Незадействованные цифровые входы должны соединяться с выводом 22. На выводы 2 и 48 не допускается подавать напряжение менее --100 мВ и более Ucc2. Не рекомендуется также подача на выводы БИС напряжения менее 0 и более Ucc2, кроме выводов 2, 38, 47 и 48.

Параметры внешнего ОУ при включении БИС К572ПА2 в режиме цифрового потенциометра на рис. 3 подбираются такими, чтобы не ухудшать точность и скорость преобразования ЦАП. Для сохранения точности преобразования выбираются ОУ с напряжением смещения нуля не более 0,5 MP. Если требуется достижение максимального быстродейст вия, то целесообразнее выбирать ОУ с временем установления менее 3--5мкс. При включении ЦАП в режиме чегырехквадратного умножения эффективно применение ИС двухканальных ОУ.

Во всех случаях включения БИС К572ПА2 ее выходное напряжение определяется кодом, записанным в регистр RG2. Запись кода в регистр RG2 (вывод 21) может производиться либо трансляцией входного кода через регистр RG1 (вывод 6), либо с его промежуточным запоминанием в регистре RGI, Длительность импульсов по входам управления регистров RG1 и RG2 не должна превышать 5 мкс. Правила записи цифровой информации а регистры таковы:

Таблица 3

	RG1	RG2
Запись данных в RG1 хранение предыдущих данных в RG2	1	0
Запись данных на RG1 в RG2, хранение данных в RG1	0	1
Прямое прохождение данных через RG1, RG2	1	1

Области применения БИС ЦАП К572ПА2 идентичны ИС ЦАП К572ПА1. В большинстве случаев возможна функциональная заменяемость между указанными типами микросхем умножающих преобразователей. Для графического отображения результатов измерений и математической обработки данных в вычислительном комплексе используется двухкоордииатный графопостроитель, управляемый контроллером. В его состав входят две БИС К572ПА2А, включенные совместно с ИС ОУ К553УД1А и ответственные за управление пером графопостроителя по осям X и Y. Выбор коэффициента усиления по напряжению ОУ определяется в каждом конкретном случае размерами поля графопостроителя.

Применение БИС К572ПА2 позволяет реализовать несколько алгоритмов движения пера и вариантов представления графической информации. Точки графика могут соединяться сплошной линией либо отмечаться кружком. Возможно нанесение на графике символьной информации.

Свойства умножающего ЦАП К572ПА2 используются для построения преобразователя амплитуды электрического сигнала по синусной и косинусной зависимостям.

Регламент работы преобразователя задается внешними синхроимпульсами, сигналами запуска, разрешение преобразования и управления таймером.

Достоинствами ИС являются низкая потребляемая мощность, совместимость со стандартными ТТЛ и КМОП логическими уровнями, возможность работы от одного источника питания и др.

К недостаткам серии относятся умеренное быстродействие и критичность ИС и пробою статическим электричеством в процессе монтажа и наладки.

Микросхемы серии К572 эксплуатируются в диапазоне температур окружающей среды от -10 до + 70°С. Относительная влажность воздуха при температуре окружающей среды 35 °С не должна превышать 98%.

Заключение

В ходе курсовой работы была исследована и описана схема генератора на ОУ. Был проведен расчет этой схемы и произведено ее моделирование в среде Micro-Cap. Из полученных графиков можно сделать вывод, что схема работает правильно.

Также была описана интегральная микросхема К572ПА2.

Список литературы

1. Лекции по курсу “Схемотехника АЦУ”

2. В. С. Гутников, Интегральная электроника в измерительных устройствах, 1980 г.

3. Ю.Ф. Опадчий. Аналоговая и цифровая электроника. М: «Горячая линия-Телеком», 2000г.

4. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М: Мир, 1986г.

5. Б. Г. Федорков, В.А. Телец, Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М: Энергоатомиздат, 1990 г.

Размещено на Allbest.ru