CAN Cu Aprox Succesive (2)

7/31/2019 CAN Cu Aprox Succesive (2)

1/28

1

Universitatea Politehnica BucuretiFacultatea de TransporturiTelecomenzi i Electronic n Transporturi

Convertor Analog Numeric cu

aproximaii succesive

ndrumtor: Student:.l. drd. Ing. Nemoi Mihaela Ungureanu Traian-Nicolae, gr. 8315

2010 2011


2/28

2


CUPRINS1. Introducere......................................................................................P.32. Tema proiectului..............................................................................P.43. Schema bloc.....................................................................................P.54. Memoriul tehnic...............................................................................P.6

4.1. Circuitul de alimentare...........................................................P.64.2. Convertorul analog-digital......................................................P.74.3. Blocul COMP...........................................................................P.84.4. Blocul CNA..............................................................................P.104.5. Blocul RAS...............................................................................P.134.6. Blocul RM................................................................................P.164.7. Blocul REF...............................................................................P.16

5. Breviar de calcul...............................................................................P.176. Calculul economic.............................................................................P.187. Schema electric...............................................................................P.198. Nomenclatorul de componente........................................................P.209. Realizarea cablajului..........................................................................P.2510.Bibliografia........................................................................................P.28


3/28

3


Capitolul 1.

Introducere.

Impactul instrumentaiei numerice n tehnica modern a msurrilor i acontrolului industrial este de netgduit. n ultimele decenii, instrumentele demsur au evoluat att n flexibilitate, ct i n ceea ce privete posibilitatea dea fi integrate n calculatoare sau sisteme de instrumentaie complexe. Dac n

prima generaie, aparatele de msur analogice erau controlate manual cuajutorul facilitilor modeste ale unui panoufrontal, datele culese fiindprelucrate ulterior tot manual, introducerea circuitelor numerice, i mai ales amicroprocesoarelor, a revoluionat i acest domeniu, fcnd posibil apariiaunor noi generaii de instrumente flexibile i puternice. Acestea au evoluat dela aparateleportabile, la instrumentele virtuale create pe calculator , ce ofer ogam practic nelimitat de posibiliti.

La ora actual, aparatele i sistemele de msura numerice au ajuns sdomine piaa echipamentelor de profil, datorit unor avantaje incontestabile:precizie ridicat, vitez de lucru sporit, posibiliti multiple de lucru, grad amrede automatiyare a procesului de msur, flexibilitate i programabilitate,posibiliti sporite de integrare n sisteme de msur complexe, fiabilitate ifaciliti de autotestare, gabarit redus, etc.


4/28

4


Capitolul 2.

Tema proiectului.

S se proiecteze un Convertor Analog Numeric cu aproximaii succesive.Macheta se va alimenta de la o surs simetric de tensiune stabilizat de +/-24V. Cu tensiunea de intrare de 10,18V.


5/28

5


Capitolul 3.

Schema bloc.

+

-

COMP

RAS

T SC

CC

Q1 ........... Qn

RM

W

D

CNA

b1 ........... bn

Uin

REFUc


6/28

6


Capitolul 4.

Memoriul tehnic.

4.1. Circuitul de alimentare.

Fig. 4.1.1 Circuitul electric de alimentare.

Circuitul de alimentare furnizeaz tenisunea necesar aparatuluiconvertorului analog-numeric, +15V, -15V i GND.

Este format dintr-un transformator care trece de la tensiunea la reelei latensiunea de 24V curent alternativ. Urmeaz o punte redresoare dublalternan, format din 4 diode redresoare, condensatoare de filtrare i 2

stabilizatoare de tensiune: unul pentru tensiunea pozitiv,7815 i unul pentrutensiune negativ, 7915, urmate de alte condensatoare de filtrare.

Astfel se obin tensiuni continue stabilizate, necesare celorlalte blocuri.


7/28

7


4.2. Convertorul Analog Digital.

Convertorul analog-numeric este un circuit care transform o mrime cuvariaie analogic aplicat la intrare, intr-o mrime numeric la ieire. ntr-unsens mai larg, procesul de conversie analog-numeric poate fi considerat ca oplasare a mrimii de intrare ntr-un interval de cuantizare, obinut prindivizarea intervalului de variaie ntr-un numr de clase egale. CAN-ul realizeazdou operaii: eantionarea i cuantizarea. Prima operaie definete aspectultemporal al conversiei i modul de prelevare a eantioanelor, n timp ce a douaoperaie definete modul de obinere a echivalentului numeric al mrimiianalogice.

Dei scopul lor este de a transforma o mrime anlogic intr-unanumeric, convertoarele analog-numerice sunt realizate pe baza unor soluiiprincipale extrem de diverse, fiecare dintre acestea prezentnd att avantaje,ct si dezavantaje. De aceea, alegerea unui tip de CAN se face n funcie decerinele aplicaiei, urmrind obinerea performanelor dorite cu efort materialminim.

Astfel, CAN-rile se clasific dup mai multe criterii:

a. Dupmodul de prelevare al eantioanelor, CAN-urile se pot mparin:

Convertoare AN cu eantionare Convertoare AN cu supraeantionare Convertoare AN cu integrare

b. Dupmodul de prelucrare a mrimii de intrare, exist dou clase demetode:

Metode directe Metode indirecte

c. Dupdesfaurarea n timp a conversiei, convertoarele AN pot fi cu: Ciclu programat Ciclu neprogramat

d. Dup realizarea schemei de conversie, convertoarele AN pot fi: n bucl deschis n bucla inchis


8/28

8


-

+

CTUi

Ur

UoUd

Convertorul analog-numeric cu aproximaii succesive este un convertoranalog-numeric cu reacie. Principiul de lucru al convertorului este simplu: se

mparte domeniul de lucru a intrrii n dou pari egale i se determin n careparte se gsete mrimea de intrare; intervalul obinut se mparte din nou ndou pri egale i procedeulcontinu pn la obinerea rezoluiei dorite. Aiciconvertorul numeric-analog va da tocmai treptele de referin necesare fiecreietape, i ca urmare, va avea aceeiai rezoluie cu cea a convertorului analog-numeric realizat. Se poate observa c, excluznd un eventual timp deiniializare a schemei, durata conversiei este dependent de rezoluia impus inu de caracteristicile semnalului de intrare.

Principiul aproximaiilor succesive este cunoscut de mult i utilizat n

construcia convertoarelor analog-numerice de uz general, avnd unul din celemai bune rapoarte performan/cost. ntr-o prim etap, aceste convertoare s-au realizat din blocuri distincte, aa cum sugereaz i schema bloc prezentatncapitolul 3; ulterior, dup o scurt perioad de utilizare a tehnologiei hibride, s-a trecut la integrare complet n structurimonolitice. La ora actual tehnologiaCMOS rapid este cea mai folosit pentru a obine convertoare analog-numerice monolitice de performane ridicate (timpi de conversie ntre 1 i 25sla rezoluii uzuale ntre 8 i 16 bii).

4.3. Blocul COMP.

Blocul COMP este format dintr-un comparator de tensiune de uz general(ex: LM311, LM106, LM397, ADCMP370, etc.).

Fig. 4.2.1 Comparatorul de tensiune


9/28

9


Aparatele de msur numerice funcioneaz pe principiul comparrii a

dou intervale de timp sau a dou tensiuni. n ultimul caz, un rol important lare comparatorul de tensiune(CT). Acesta este un amplificator operaionalspecializat, ce permite compararea unei tensiuni necunoscute(Ux) cu alta (Ur)luat drept referin; la ieire, comparatorul semnaleaz dac Ux este maimare sau mai mic dect Ur prin nivelul tensiunii de ieire(Uo), care poate luadoar dou valori: 0 logic(tensiune de ieire negativ) sau 1 logic(tensiune deieire pozitiv), ntocmai ca la porie logice.

Aceast particularitate plaseaz comparatoarele de tensiune n familiacircuitelor de interfa, deoarece au semnal analogic la intrare i semnal logic la

ieire.n aparatele de msur numerice, comparatoarele de tensiune se

utilizeaz ca detectoare de prag, la realizarea convertoarelor analog-numericesau a celor de tensiune-timp, la circuitele de citire a memoriilor, i careceptoare de linie.

Circuite de bazCel mai simplu comparator de tensiune poate fi realizat cu un amplificator

operaional rapid(709) n bucla deschis, ca n figura 4.2.2, unde Ui i Ur sunttensiunea de intrare i respectiv cea de referin, Ud este tensiunea de intrarediferenial, iar Uo este tensiunea de ieire. Datorit amplificrii foarte mari aamplificatorului operaional n bucl deschis (Ao=10^5 10^6), caracteristicade transfer a acestuia aproximeaz suficient de bine caracteristica ideal a unuicomparator de tensiune.

Fig. 4.2.2 Comparatorul de tensiune de baz


10/28

10


Comparatorul analizat prezint dou inconveniente:o este vulnerabil la tensiuni parazite(basculri false)o tensiunea diferenial pe intrare(Ud=Ui-Ur) poate atinge valorimari, periculoase pentru amplificatorul operaional, ceea ce

impune limitarea tensiunilor Ui i Ur la valori sub 510V.Pentru eliminarea celui de-al doilea neajuns, tensiunile de comparat Ui i

Ur se aplic pe o singur intrare, ca n figura 2. Deoarece tensiunea diferenialde intrare Ud=0, ecuaia de funcionare a comparatorului de tensiune devineUi/R1+Ur/R2=0, i ca urmare:

Ui=-R1/R2*UrDup cum se poate constata, comparaia se realizeaz ntre curenii din

nodul intrrii neinversoare, ceea ce permite ca Ui i Ur s poat varia n limitemult mai largi dect n cazul precedent, fr ca Ud s depeasc tensiuneanatural de saturaie(fraciuni de mV) a amplificatorului respectiv.

Evident, tensiunile Ui i Ur trebuie s fie de polariti diferite.

4.4. Blocul CNA.

Fig. 4.4.1 Schema simplificat a CNA-ului DAC-08.


11/28

11


Blocul CNA este constituit dintr-un convertor numeric-analog cu reea R-2R. Aceste reele rezistive sunt utilizate pe scar larg att n CNA-uri ct i n

alte circuite de instrumentaie.

Fig. 4.4.2 Structura reelei R-2R

Schema unei astfel de reele, care permite o rezoluie de N bii, prezintcaracteristicile unei cascade de divizoare cu 2, comandate fiecare de cte un bital numrului aplicat la intrare. Ea posed rezistoare de valoare R conectate nserie i rezistoare de valoare 2R conectate n paralel. Pentru fiecare bit B i alreelei exist cte un comutator Ki ce poate pune capetele rezistoarelor 2R lamas (Bi = 0), sau la referin (Bi = 1); corespunztor, nodurile 1, 2, ..., N-1, Nreprezint puncte de conexiune cu semnalele de comnad ale reelei. Comanda

se poate face att n tensiune, ct i n curent. Rezistorul 2R conectat la mas,se numete terminatori face ca rezistena echivalent a reelei msurat ntreieire i mas sa fie ntotdeauna R.

DAC-08 este un circuit reprezentativ din categoria CNA-urilor cugeneratoare de curent comutate. Dei la ora actual acest circuit tinde s fienlocuit cu CNA-uri mai performante, el permite studiul funcionrii reelelor R-2R comandate n curent. Dup cum se poate observa, DAC-08 este unconvertor numeric-analog de 8 bii, viteza sa este relativ ridicat (timp destabilire de cca. 100ns), poate lucra cu tensiuni de alimentare ntr-o gam larg

(4,5V ... 18V) i poate fi interfaat cu orice tip de circuite logice (TTL, CMOS).


12/28

12


DAC-08 nu are referin intern (el folosete cureni de referin externi), iarieirile sunt de curent (transformarea n tensiune putndu-se face cu un

amplificator operaional extern).Circuitul are dou ieiri, notate cu I0 i I0 , ce au proprietatea c suma lor

este constant i egal cu 255/256 Iref , unde Iref este curentul impus dinexterior (ce intr prin intrarea Uref+). Cei doi cureni reprezint suma curenilorI1 , I2 , ... , Ig de la ieirile celor opt comutatoare; ei sunt obinui prin reeaua deponderare de cureni, realizat cu o reea R-2R. Fiecare curent are valoarea Ii =Iref/2

i (pentri i = 1 ... 8) i este comandat (prin comutatoare) de valorile logiceale intrrilor numerice B1 , B2 , ... , B8.

Fig. 4.4.3 Schema electric a CNA DAC-08

Curentul de referin Iref este furnizat din exterior cu ajutorul unuigenerator de curent, sau unui generator de tensiune Uref i un rezistor dereferin Rref , care determin valoare curentului. Curentul de referin esteaplicat unui amplificator, conectat ca repetor de curent (ntr-o bucl de reacienegativ de curent); acesta este apoi trecut ctre opt generatoare de curent,care mpreun cu reeaua R-2R formeaz reeaua de ponderare de cureni.


13/28

13


Pentru o funcionare optim, se recomandun curent de referin de 2 mA (latensiuni de alimentare de 12 V ... 18 V), sau 1 mA (la tensiuni de alimentare

5 V ... 8V).

4.5. Blocul RAS.

Blocul RAS este constituit dintr-un circuit electric numit registrul deaproximri succesive. Acesta este un bloc specific acestui tip de convertoranalog-numeric.

Fig. 4.5.1 Schema logic a unui registru de aproximri succesive

Registrul de aproximri succesive funcioneaz secvenial, cu tactulaplicat la intrarea T. Pe intrarea SC se aplic semnalul de comand pentru

nceperea unui ciclu de conversie, iar D este o intrare de date.Registrul genereaz pe ieirile Q1...Qn numerele N dup un anumit

algoritm. Dup primirea semnalului SC = 1, pe frontul primului impuls de tact sepune bitul cel mai semnificativ Q1 = 1 i Qi = 0, pentru i 1.

Valoarea Uc generat de CNA este aplicat comparatorului i estecomparat cu tensiunea de intrare Ui .

Pe urmtorul tact, semnalul de la ieirea COMP aplicat pe D estememorat n Q1, rmnnd astfel pn la sritul ciclului de conversie, iar Q2 =1.


14/28

14


Procesul continu pn la epuizarea celor n bii. Sfritul conversiei este

semnalizat prin semnalul conversie complet (CC = 1).Un ciclu de conversie tCONV va avea minim n tacte, tCONV = n T . Uneori se

prevede un tact n plus pentru nregistrarea rezultatului final i pentruiniializri.

O schem posibil de RAS are la baz un registru de deplasare, RD, carelucreaz pe frontul pozitiv al tactului CLK, deci pe frontul negativ al tactului T.La fiecare tact, informaia de la ieirea unei celule se transfer n celulaurmtoare.

Fig. 4.5.2 Schem posibil de generare a RAS


15/28

15


Prima celul are drept intrare DRAS=INIT:

INIT = (QR1+QR2+ ... +QRn+1+ SC ) = Q R1 QR2 .... QRn+1 SC

Se observ c va exista INIT=1 numai dup golirea complet a registruluiRD (Qi = 0, i = 1.....n+1) i aplicarea comenzii start conversie (SC = 1). Dac INIT =1,n n+1 tacte registrul se golete, oricare ar fi coninutul lui iniial. Rezult cn registru se poate afla n starea 1 cel mult o celul (una din ieiri). Unitatea seva deplasa, n continuare, dintr-o celul n alta, pn cnd registrul se golete.

n momentul cnd INIT = 1, pe primul tact, secvena (10....0) se aplic

convertorului numeric-analog. Rezultatul comparrii se traduce prin semnalulCOMP, care va fi memorat n bistabilul D aferent primului bit pe urmtorulfront pozitiv. Starea acestui bistabil nu se va mai schimba pe durata ciclului deconversie.

Un interval de timp egal cu T, perioada tactului, este disponibil pentruCNA i COMP. Evident, terbuie deci ca T>t CNA+tCOMP, unde t CNA este timpul deconversie al convertorului numeric-analog, iar tCOMP este timpul de stabilire alcomparatorului.

Cnd unitatea ajunge n ultima celul (n+1) a registrului, se seteaz un

bistabil SR care genereaz semnalul CC. Frontul poyitiv al semnalului CC poate fifolosit pentru stocarea datelor ntr-un registru.

Fig. 4.5.3 Funcionarea schemei de generare a RAS


16/28

16


4.6. Blocul RM.

Blocul RM este un registru de memorie, care memoreaz semnalul CC alblocului RAS. Dup cum a fost descris n subcapitolul 4.5. n momentul n careregistrul de aproximaii succesive ajunge n ultima celul un bistabil SRgenereaz semnalul CC, care este transmis registrului de memorie.

Convertorul analog-numeric cu aproximaii succesive este utilizat nconstrucia aparatelor de msur. Este necesar ca unele blocuri, componenteale unui aparat de msur, s cunoasc starea conversiei, astfel se utilizeazregistrul de memorie, pentru a extrage informaii despre starea conversiei.

4.7. Blocul REF.

Blocul REF este sursa de referin a convertorului analog-numeric. Sursade referin emite un semnal, cu ajutorul cruia, blocul CNA genereaz fraciuni

de referin care sunt transmise blocului COMP, care compar fraciunea dereferin cu semnalul de intrare, n vederea obinerii unei valori numerice careaproximeaz cel mai bine semnalul de intrare.


17/28

17


Capitolul 5.

Breviar de calcul.

R1 = 51R2 = 3,9M, reprezint corecia de LSB i se ajusteaz experimentalR3 = 1k, este un rezistor care limiteaz curentul pe portul D al circuitului

MC14559

R4 = 150kR5 = 1kR6 = 5kR7 = 5k

I0 = Ui / R6 + 15V/ R2 = 10,18V/5000 + 15/3,9106 2mA


18/28

18


Capitolul 6.

Calculul economic.

Component Buci Pre unitar (Lei) Total (Lei)MC7815 1 1 1

MC7805 1 1 1SG7915 1 1 1LM311 1 0,5 0,5

DAC08 1 77 77MC14559 1 55 55

Condensatoare 9 0,5 4,5Rezistoare 7 0,5 3,5

Diode 6 0,5 3

Total: 146,5 Lei


19/28

19


Capitolul 7.

Schema electric.


20/28

20


Cpitolul 8.

Nomenclatorul de componente.

LM311


21/28

21


DAC08


22/28

22


MC14559


23/28

23


MC7815


24/28

24


SG7915


25/28

25


Capitolul 9.

Realizarea cablajului.

Cerinele actuale de adaptare la o pia tot mai dinamic impunconceperea, execuia i testarea rapid a circuitelor electronice. Presiuneacrescnd vine att pentru realizarea tot mai rapid de prototipuri ct i pentrurealizarea n serii mici, uneori unicate, de circuite adaptate la cerinele

beneficiarilor.Dac pentru verificare de circuit exist echipamente dedicate versatile ce

permit configurarea rapid a unui sistem de testare, iar n sprijinul concepieiexist programe de calculator specializate cu biblioteci extinse de componentei performane ridicate de afiare, timpul cel mai mare l ocup realizareacircuitelor electronice, trecnd firete prin etapa de realizare a circuituluiimprimat.

Metodele de realizare a circuitelor imprimate sunt multiple. Dintreacestea, cele mai utilizate sunt: metoda cu radiaii UV (utilizat in cazul

cablajelor fotorezistive) i metoda foliei de transfer de tip PnP.n primul caz, unul dintre elementele importante n realizarea de circuite

imprimate, mai ales pentru circuitele cu o configuraie mai pretenioas esteinstalaia de expunere la UV.

Destinaia instalaiei de expunere la UV este pregtirea plcuei de circuitn vederea realizrii traseelor i poate fi dedicat pentru expunere pe o singurparte sau pe ambele pari ale plcii. Procesul este relativ simplu, constnd ntransferarea unei configuraii de circuit de pe o masc, pe un strat subire de

material sensibil la radiaii UV numit rezist depus pe placa de circuit. n funciede tipul de rezist: pozitiv - zonele expuse la UV devin solubile n developant, saunegativ - zonele expuse devin mai puin solubile in developant.

Etape:- pregtirea unei mti cu configuraia traseelor dorite (sau

imaginea invers n cazul fotorezitilor negativi);- pregtirea plcii de prelucrat prin acoperire cu fotorezist (daca nu

s-a achiziionat o plac acoperit deja cu fotorezist);- aezare n contact masc i placa cu fotorezist, expunere la UV

(cel mai bun contact ntre masc i plac se obine la instalaia cu vid, ise recomand pentru trasee foarte fine).


26/28

26


n urma expunerii suprafaa protejat de masc nu va suferi modificari,spre deosebire de cea expusa. Astfel placa este gata pentru etapa urmatoare,

respectiv developarea. Prin imersarea ntr-o substana developant, aceastaacioneaz asupra fotorezistului expus n cazul fotorezistului pozitiv sauneexpus n cazul fotorezistului negativ, nlaturandu-l. Traseele dorite rmnprotejate, iar spaiile dintre ele nu. Se trece apoi la corodare cu clorura feric,nlturare fotorezist cu o soluie special i procesul este ncheiat.

Realizarea cablajelor imprimate de serie mic sau unicat poate fi relizatprin diferite metode, una dintre acestea fiind i utilizarea foliei de transfer detipPNP.(PRESS and PEEL=apas i dezlipete).

Acest tehnologie de realizare a cablajelor se bazeaz pe o folie de tip

special realizat de firma SAGAX. n esen aceast tehnologie se bazeaz pe principiul de funcionare a imprimantelor cu laser sau a copiatoarelor.Aceastfolie permite imprimarea traseelor de cablaj imprimat asigurnd transferulacestora pe placa de circuit imprimat.

Etapele de realizare ale cablajului de circuit imprimat sunt: se realizeaz desenul cablajului imprimat, fie manual, fie prin intermediulunor programe specializate(ORCAD, PROTEL, CIRCUIT MAKER, etc.); acest desen, considerat pozitiv se copiaz cu ajutorul unui copiator pe foliade tip PnP. Tonerul copiatorului va adera la folia PnP, realiznd pe aceastadesenul negativ (n oglind) al desenului de cablaj; se pregtete plcua de cablaj imprimat, tindu-se la dimensiunea necesar,lefuindu-se cu un glasspapier foarte fin ; se degreseaz placa de cablaj imprimat, n vederea curirii de oxizi sigrsimi prin scufundarea acesteia ntr-o soluie slab de acid ;HNO3+CuCu(NO3)2+H2 dup 30 de secunde se scoate, se spal sub un jet de ap, iar apoi seusuc ;

fr s se ating cu mna cablajul, se suprapune peste acesta folia detransfer de tip PnP ; cu ajutorul unui fier de clcat, reglat la temperatura de 200 pn la 225degrade Celsius, se nclzete suprafaa foliei avndu-se grij s existe uncontact permanent ntre fierul de clcat i folie ; se are n vedere faptul c toat suprafaa foliei s fie uniform inclzit,aceasta realizndu-se prin micri circulare ale fierului de clct. Deregul,timpul necesar transferrii tonerului de pe folie pe placa de cablaj imprimateste ntre 60 si 120 de secunde. n mod normal acest timp este dependent de

mrimea suprafeei de transferat.


27/28

27


Operaiunea se consider incheiat cnd prin folia transparent seobserv perfect traseul desenat.

se las s se rceasc cablajul i folia dup care cu mare atenie sedezlipetencepnd de la coluri. Se vizualizeaz desenul transferat pe cablaj, se comparcu originalul i dac este nevoie se corecteaz cu ajutorul unui MARKERtraseele ntrerupte ; se introduce placa de cablaj imprimat intr-o soluie de clorur feric de ocuncentraie adecvat.n urma reaciei chimice care are loc:2FeCl3+3Cu3CuCl2+2Fetraseele neacoperite sunt corodate, obinndu-se n final copia fidel n cupru atraseului desenat. Timpul de corodare depinde de concentraia soluiei de

clorurferic, de temperatura i de gradul de agitaie a acestuia ; dup terminarea corodrii se scoate placa de cablaj imprimat din soluie, sespal sub jet de ap, se usuc, se ndeprteaz cu ajutorul unui prafabrazivtonerul depus, se acoper suprafaa de cupru cu o soluie decolofoniudizolvat n alcool ; dup aceast operaie placa de cablaj imprimat poate fi utlizat n vedereaguriri ei i a montrii pieselor electronice ;

Fig. 9.1 Schem posibil de cablaj pentru CAN cu aprox. Succesive


28/28


Capitolul 10.

Bibliografia.

1. MSURRI ELECTRONICE Vol. 2, Aparate i sisteme de msurnumerice, Mihai Antoniu, tefan Poli, Eduard Antoniu, Editura SATYA,2000

2. http:\\www.datasheetcatalog.com\3. http:\\en.wikipedia.org\4. http:\\ro.wikipedia.org\

CAN Cu Aprox Succesive (2)

Documents

Transcript of CAN Cu Aprox Succesive (2)