Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Проектування системи передачі аналогових сигналів на відстань на основі ПНЧ-ПЧН К1108ПП1
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра електронних обчислювальних машин
Інформація про роботу
Рік:
2006
Тип роботи:
Звіт про виконання розрахункової роботи
Предмет:
Вимірювальні обчислювальні системи
Група:
КІ-44
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
Кафедра електронних
обчислювальних машин
Звіт
про виконання розрахункової роботи
з курсу „ Вимірювальні обчислювальні системи ”
Тема:
Проектування системи передачі аналогових сигналів на відстань на основі ПНЧ-ПЧН К1108ПП1
Анотація
Метою даної розрахункової роботи є вивчення основних характеристик та методів побудови систем передачі аналогових сигналів на відстань за допомогою цифрових засобів. Зокрема у результаті виконання даної роботи студенти зможуть практично засвоїти мікросхему К1108ПП1 та на її основі реалізувати перетворювач напруги в частоту (ПНЧ) та перетворювач частоти в напругу (ПЧН), а також ознайомляться з методикою проведення розрахунків параметрів зовнішніх елементів для ПНЧ та ПЧН. Крім того, при проектуванні схем передавача та приймача, які містять вищезгадані перетворювачі, детально розглянуто структуру вузла узгодження, основою якого являються операційні підсилювачі з відповідними коефіцієнтами підсилення.
Зміст
1.
Параметри технічного завдання
4
2.
Теоретична частина
5
3.
Проектування системи передачі аналогових сигналів
6
3.1. Проектування схеми передавача
3.2. Проектування схеми приймача
6
8
4.
Висновок
10
5.
Література
11
6.
Додатки
1. Параметри технічного завдання
Максимальні значення вхідної та вихідної напруг можуть лежати як в додатній, так і у від’ємній області, і в останньому випадку сприймаються як максимальні за абсолютним значенням.
Задані значення вхідної та вихідної напруг:
Uвх = 0 .. -6 В;
Uвих = 0 .. 9 В;
Для частоти передачі задається діапазон значень, що має прямопропорційно відповідати діапазонам вхідних та вихідних напруг.
Задана частота передачі:
fперед = 0 .. 160кГц;
2. Теоретична частина
Передачу аналогових сигналів на відстань можна здійснити такими шляхами:
безпосередня передача аналогового сигналу;
передача аналогового сигналу у цифровому вигляді за допомогою аналого-цифрового та цифро-аналогового перетворень;
передача аналогового сигналу у цифровому вигляді за допомогою перетворень напруга-частота та частота-напруга.
Перший варіант може використовуватись при передачі аналогових сигналів на невеликі відстані – в межах плати або пристрою. Якщо ж передача повинна здійснюватись на великі відстані, цей варіант непридатний. Головними його недоліками є чутливість до опору ліній зв’язку, низька завадостійкість та підданість наведенням.
Другий варіант є стандартним підходом до вирішення цієї задачі. Структура такої системи наведена на рис.1:
Рис.1.
Передавач містить аналого-цифровий перетворювач (АЦП), який здійснює перетворення вхідного аналогового сигналу в цифровий код необхідної розрядності, вузол узгодження, що забезпечує виконання вимог до вхідного сигналу АЦП, та перетворювач коду, за допомогою якого вихідний паралельний код АЦП перетворюється у послідовний код.
Приймач містить аналогічні вузли, що здійснюють зворотнє перетворення: перетворювач коду для формування паралельного коду з вхідного послідовного, цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), за допомогою якого відновлюється аналоговий сигнал, і вузол узгодження, що забезпечує формування вихідного аналогового сигналу.
Такий варіант використовується, як правило, при організації передачі аналогових сигналів на дуже великі відстані (від сотень метрів до десятків кілометрів). Передача здійснюється по каналах зв’язку за допомогою відповідної апаратури передачі даних і у відповідних протоколах. Отже, перетворювачі коду повинні забезпечувати не просто перетворення паралельного коду в послідовний і навпаки, але і перетворення рівнів та формування повідомлень у відповідності з протоколом передачі, що використовується.
Якщо ж передача здійснюється на відносно невеликі відстані (десятки метрів), і інформація передається не по каналах зв’язку, а по фізичних лініях зв’язку, другий варіант стає надто громіздким. В такому випадку краще скористатись третім варіантом. Структура відповідної системи наведена на рис.2:
Рис.2.
Передавач та приймач містять вузли узгодження та перетворювачі напруга-частота (ПНЧ) і частота-напруга (ПЧН) відповідно. Вхідний аналоговий сигнал (напруга) узгоджується по входу з ПНЧ, після чого перетворюється в частоту, пропорційну його величині. Ця частота по лінії зв’язку надходить до приймача, де здійснюється зворотнє перетворення. ПЧН перетворює вхідну частоту в аналоговий сигнал (напругу) пропорційний їй, після чого узгоджується з вихідними колами схеми за допомогою вузла узгодження.
Цей варіант є достатньо простим у порівнянні з використанням АЦП-ЦАП і не підданий впливу дестабілізуючих факторів, як у випадку безпосередньої передачі аналогового сигналу. Крім того, якщо в якості ПНЧ та ПЧН використовувати мікросхему К1108ПП1, включену у відповідному режимі, то, як схема приймача, так і схема передавача можуть бути реалізовані на двох-трьох мікросхемах кожна.
3. Проектування системи передачі аналогових сигналів
3.1. Проектування схеми передавача
3.1.1. Проектування вузла узгодження
Вхідна аналогова напруга мікросхеми К1108ПП1 в режимі ПНЧ повинна лежати в діапазоні 0 .. 3 В. Отже, при подаванні на вхід схеми передавача сигналу, що виходить за межі даного діапазону, необхідно використовувати вузол узгодження. Вузол узгодження може бути побудований на основі операційних підсилювачів з відповідним коефіцієнтом підсилення. Необхідне значення коефіцієнту підсилення вузла узгодження передавача можна визначити за співвідношенням (1):
(1) де UПНЧmax = 3B.
Варіант схеми вузла узгодження наведено на рис.3:
Рис.3.
Вузол узгодження містить один операційний підсилювач DA1 . Коефіцієнт підсилення операційного підсилювача визначається з співвідношення (2):
(2)
Як видно з співвідношення (2), операційний підсилювач DA1 інвертує вхідну напругу, і, оскільки вхідна напруга системи лежить у від’ємній області, то її не потрібно ще раз інвертувати перед подаванням на вхід ПНЧ.
На основі співвідношень (1), (2) можна розрахувати параметри схеми (значення опорів резисторів R1 і R2).
Розрахунки:
;
Отже, вибираємо R1 = 24 кОм та R2 = 12 кОм.
3.1.2. Проектування ПНЧ
Схема перетворювача напруга-частота на основі мікросхеми ПНЧ-ПЧН К1108ПП1 наведена на рис.4:
Рис.4.
Розрахунок схеми ПНЧ полягає у визначенні параметрів її елементів, тобто опорів резисторів R1 і R2 і ємностей конденсаторів C1 і C2.
1. Мінімальний період вихідних імпульсів визначається на основі максимального значення вихідної частоти:
(3)
2. Мінімальна скважність вихідних імпульсів приймаємо 4 для всіх діапазонів частот. Отже, тривалість імпульсу одновібратора визначається:
(4)
3. З іншого боку тривалість імпульсу одновібратора визначається величиною ємності конденсатора C2:
(5)
де J2 – струм внутрішнього джерела струму, дорівнює 0,8 мА; UR – величина напруги джерела внутрішньої опори, дорівнює –7 В (у формулу підставляється за абсолютним значенням).
Обираємо
4. Імпульси струму J1 надходять на вхiд iнтегратора мікросхеми на протязі часу Т1. Вони зрiвноважують струм, що викликаний вхiдною напругою UПНЧ, який надходить на вхiд iнтегратора на протязi всього перiоду перетворення Т. Звiдси можна визначити величину опору вхідного резистора R1:
(6)
де J1 – струм внутрішнього джерела струму, дорівнює 0.8 мА (так само, як і J2), UПНЧ – максимальна напруга на вході ПНЧ, приймаємо 3 В, оскільки вузол узгодження приводить максимальну вхідну напругу передавача до цього значення.
5. Ємність конденсатора C1 можна визначити з співвідношення для діапазону зміни напруги на виході інтегратора:
(7)
де Uр – напруга розмаху імпульсів на виході ПНЧ, приймаємо 4 В.
Обираємо
6. Величину R2 рекомендується вибирати 300 Ом для діапазону частот від 100 кГц до 500 кГц.
3.2. Проектування схеми приймача
3.2.1. Проектування ПЧН
Схема перетворювача частота-напруга на основі мікросхеми ПНЧ-ПЧН К1108ПП1 наведена на рис.5:
Рис.5.
Розрахунок схеми ПЧН полягає у визначенні параметрів її елементів, тобто опорів резисторів R1, R2 і R3, і ємностей конденсаторів C1 і C2.
1. Для узгодження входу компаратора мікросхеми з імпульсами вхідної частоти на вхiд 10 через подільник R2 і R3 подана напруга зміщення 2 В, що є половиною напруги розмаху вхідних імпульсів (Uр = 4 В для вихідних імпульсів ПНЧ):
(8)
Приймаючи струм через подільник, рівним 1 мА, і враховуючи співвідношення (8), можна визначити опори резисторів R2 і R3.Отже,
Отже, вибираємо R3 = 12 кОм та R2 = 30 кОм.
2. Ємність конденсатора C1, що використовується для згладжування пульсацiй вихідної напруги, вибирається в залежності від діапазону вхідної частоти схеми (fперед = 0 .. 160кГц):
для (9)
3. Опір резистора R1 для всіх діапазонів вибирається сталим і приймається 39 кОм.
4. Ємність конденсатора одновібратора C2 можна визначити на основі співвідношення для вихідної напруги схеми ПЧН:
(10)
де J1,J2 і UR – внутрішні параметри мікросхеми, а напругу UПЧН приймаємо 3В.
Обираємо .
3.2.2. Проектування вузла узгодження
Вузол узгодження приймача виконує функцію, аналогічну вузлу узгодження передавача – він узгоджує діапазон вихідної напруги ПЧН із заданим діапазоном вихідної напруги системи. Відповідно, схема вузла узгодження приймача виглядає аналогічно:
Рис.6.
Коефіцієнт підсилення вузла узгодження приймача можна визначити за співвідношенням (11):
(11)
де UПЧНmax = 3 В.
Вузол узгодження містить два операційних підсилювачі DA1 і DA2. Коефіцієнт підсилення першого операційного підсилювача визначається з співвідношення (12):
(12)
а коефіцієнт підсилення другого операційного підсилювача:
(13)
Загальний коефіцієнт підсилення вузла узгодження рівний:
(14)
Як видно з співвідношень (12) і (13), операційний підсилювач DA1 інвертує вхідну напругу, і, оскільки вхідна напруга системи лежить в додатній області, то її необхідно ще раз проінвертувати. Цю функцію виконує операційний підсилювач DA2.
На основі співвідношень (11), (12) і (14) можна розрахувати параметри схеми (значення опорів резисторів R1 і R2).
Отже, вибираємо R1 = 10 кОм та R2 = 30 кОм
У додатках наведена електрична принципова схема ПНЧ/ПЧН та перелік елементів.
4. Висновок
У результаті розрахункової роботи реалізувала систему передачі аналогового сигналу у цифровому вигляді на відстань за допомогою перетворювачів напруга-частота та частота-напруга. Зокрема практично засвоїв мікросхему К1108ПП1, на основі якої і виконав перетворювач напруги в частоту (ПНЧ) та перетворювач частоти в напругу (ПЧН), а також провів розрахунки параметрів зовнішніх елементів для ПНЧ та ПЧН. Крім того передбачив використання відповідних вузлів, які узгоджують діапазон вхідної чи вихідної напруги ПНЧ/ПЧН із заданим діапазоном вхідної чи вихідної напруги системи, а також розрахував параметри відповідних схем.
5. Література
Федорков Б.Г.,Телець В.А. Микросхемы ЦАО и АЦП : функционирование, параметры, применение.- М.: Энергоатомиздат, 1990.
Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- П.: Энергоатомиздат, 1988.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора