Устройство ввода аналоговой информации (49329)

Посмотреть архив целиком

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию








УСТРОЙСТВО ВВОДА АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Пояснительная записка





Руководитель


Подпись_______

Дата


Студент


Подпись_______

Дата






2008


Содержание


Введение

1. Общий принцип работы АЦП

1.1 Метод Oversampli

1.2 Классификация АЦП

1.3 Квантование амплитуды аналогового сигнала, разрядность АЦП 7

2. Принцип работы интерфейса USB

2.1 Обзор архитектуры USB-порта

2.2 Протокол передачи данных USB-порта

2.3 Драйвер D2XX

3. Функциональная схема АЦП с интерфейсом USB

4. Электрическая схема АЦП с интерфейсом USB

4.1 Выбор микросхем для реализации USB

4.2 Выбор микросхем для реализации АЦП

4.3 Реализация входа АЦП на базе операционного усилителя

5. Описание и принцип работы устройства ввода аналоговой информации

5.1 Технические характеристики

5.2 Описание работы устройства ввода аналоговой информации

6. Конструктивный расчет печатной платы

7. Технология изготовления печатной платы

8. Смета затрат на устройство ввода аналоговой информации

8.1 Материалы и комплектующие

8.2 Затраты на адаптацию

8.3 Общепроизводственные затраты

8.4 Нематериальные активы

8.5 Коммерческие расходы

9 Экономическая эффективность разработки

Заключение

Список информационных источников


Введение


В последние годы сформировалось совершенно новое направление в метрологии и измерительной технике – компьютерно-измерительные системы (КИС), и их разновидность, или направление развития – виртуальные (виртуальный – кажущийся) измерительные приборы (проще, виртуальные приборы). Компьютерно-измерительная система обязательно включает в себя компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.

В настоящее время персональные компьютеры используют не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе персонального компьютера заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован на одном персональном компьютере одновременно.

К отличительным особенностям КИС по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

- обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков и т.д.);

- возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям;

- возможность использования внутренней и внешней памяти большой ёмкости, а также составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

- возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

В данном ДП 230101.08.73.11 ПЗ продемонстрирован пример такой КИС, реализующейся через USB порт, и преобразующая аналоговые входные сигналы в цифровые данные для виртуальных измерительных приборов: цифрового вольтметра, осциллографа, регистратора медленно изменяющихся процессов с записью информации в дисковый файл. Приставка не требует отдельного источника питания, получая его от порта USB, а малое число элементов позволило сделать её очень компактной.


1. Общий принцип работы АЦП


Современная тенденция развития аналого-цифровых преобразователей (АЦП) состоит в увеличении скоростей и разрешающих способностей обработки сигналов при уменьшении уровня потребляемой мощности и напряжения питания. Современные преобразователи данных в основном работают на напряжениях питания ±5В (двуполярный источник питания), +5В или +3В (однополярный источник питания) [1].

В действительности, число устройств с напряжением питания +3В быстро увеличивается вследствие появления для них большого числа новых рынков сбыта, таких как цифровые камеры, видеокамеры и телефоны сотовой связи. Эта тенденция создала множество проектных и конструкторских проблем, которым не придавалось значения в разработках более ранних преобразователей, использовавших стандартное напряжение питания ±15В и диапазон изменения входных сигналов ±10В. Более низкие напряжения питания подразумевают меньшие диапазоны входных напряжений и, следовательно, большую чувствительность к разного вида помехам: шумам от источников питания, некачественным опорным и цифровым сигналам, электромагнитным воздействиям и радиопомехам (EMI/RFI) и, возможно наиболее важный момент — к некачественным методам развязки, заземления и размещения компонентов на печатной плате. В АЦП с однополярным источником питания диапазон изменения входных сигналов обычно отсчитывается вне связи с «землей». При этом проблема заключается в поиске совместимых усилителей с однополярным питанием для нормализации сигнала на входе АЦП и в осуществлении необходимого сдвига входного сигнала относительно «земли» в приложениях с непосредственной связью. В настоящее время доступны компоненты, которые обладают чрезвычайно высокими разрешающими способностями при низких напряжениях питания и малой потребляемой мощности.

Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный во времени и по амплитуде процесс, а его цифровое представление есть последовательность или ряд чисел, состоящих из конечного числа бит. Поэтому преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантовании по амплитуде. Дискретизация по времени обычно означает, что сигнал представляется рядом своих отсчётов (дискретов) непрерывных по амплитуде и взятых через равные промежутки времени, хотя в некоторых специальных случаях может применяться и неравномерная по времени дискретизация, например при оцифровке узкополосных сигналов. Основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискретизации аналогового процесса. Ответ на него даёт известная теорема Найквиста, утверждающая, что для того чтобы аналоговый (непрерывный по времени) сигнал занимающий полосу частот от 0 Гц до F Гц можно было абсолютно точно восстановить по его отсчётам, частота дискретизации должна быть не меньше 2*F Гц или отсчёты сигнала должны браться не реже чем через 1/(2*F) секунды. Если реальный аналоговый сигнал преобразовать в цифровую форму, содержащую частотные компоненты от 0 Гц до 20 кГц, то частота дискретизации такого сигнала должна быть не меньше чем 40 кГц. Если дискретизировать сигнал с полосой больше, чем частота дискретизации, делённая на 2, то предварительно необходимо с помощью аналогового фильтра низких частот подавить ту высокочастотную часть сигнала, спектральные компоненты которой находятся выше по частоте, чем частота дискретизации делённая на два. Частотный спектр дискретизированного сигнала такой же по форме, как и спектр аналогового (непрерывного) сигнала и повторяется на частотах, кратных частоте дискретизации. Например, если аналоговый сигнал занимает полосу 0 - 20 кГц и дискретизирован с частотой 50 кГц, то копии спектра (alias или алиазинг) появятся на частотах 30 - 70 кГц, 80 - 120 кГц и т.д. Для точного восстановления непрерывного аналогового сигнала по его дискретным отсчётам алиазинговые спектры не должны искажать (накладываться) друг друга, из чего и следует требование дискретизации сигнала на частоте равной удвоенной полосе аналогового сигнала.

Реальные аналоговые сигналы содержат компоненты (полезные и помехи), имеющие частотные составляющие, расположенные выше по частоте, чем часто применяемые на практике частоты дискретизации 44.1 кГц или 48.0 кГц делённые на два. Поэтому перед дискретизацией необходима аналоговая фильтрация, представляющая собой довольно сложную задачу. Аналоговые фильтры не могут пропустить все частоты от 0 Гц до 24 кГц и подавить все частоты выше 24 кГц. Любой аналоговый фильтр имеет ненулевую переходную (от пропускания к подавлению) область и, следовательно, вместе с “вредными” компонентами будут подавлены и полезные сигналы из области частот ниже 24 кГц. Кроме того, пытаясь сделать переходную область между полосой пропускания и полосой подавления, усиливаются вносимые фазовые искажения, удлиняется переходный процесс (фильтр начинает “звенеть”) и настройка такого аналогового фильтра становиться сложнее.

В современных АЦП эта проблема решается методом Oversampling.


    1. Метод Oversampling


Диапазон частот входного аналогового сигнала ограничивается с помощью сравнительно несложного аналогового фильтра. Частота среза фильтра выбирается значительно выше высшей полезной частоты, а переходная полоса фильтра делается достаточно широкой. Таким образом, исключаются и завал “полезных” высших частот, и фазовые искажения характерные для аналоговых фильтров с узкой переходной полосой. Далее отфильтрованный, с ограниченным по частоте спектром сигнал дискретизируется на достаточно высокой частоте, исключающей наложение и искажение спектра (алиазинг). Затем дискретные отсчёты сигнала преобразуются в последовательность чисел с помощью АЦП. После этого образуется поток цифровых данных, представляющих аналоговый сигнал, включая и нежелательные высокочастотные компоненты и помехи. Эти цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с очень узкой переходной полосой и очень большим подавлением нежелательных высокочастотных компонент. Расчёт и создание таких цифровых фильтров, к тому же не вносящих никаких фазовых искажений, не представляет больших трудностей. После цифрового фильтра получается цифровое представление сигнала, имеющего спектр, правильно ограниченный по частоте. Применяя к такому сигналу теорему Найквиста, резко понижается частота его дискретизации до удвоенной величины наивысшей полезной частотной составляющей.


Случайные файлы

Файл
96465.rtf
8589-1.rtf
DIP.DOC
10155-1.rtf
129959.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.