Аналого-цифровой преобразователь с самоконтролем и реконфигурацией подсистемы контроля корабельного ЗРК

- допустимое число входов первой ступени;

-нагрузочная способность, т.е. число аналогичных элементов, которых можно подключить к выходу данного элемента;

- наличие в составе конкретной серии элементов сдвоенных, строенных, счетверенных функциональных единиц, а также микросхем среднего и большого уровня интеграции;

- совместимость по уровням логического нуля и логической единицы, а также по характеру выходного сигнала с другими сериями или системами элементов;

- наличие элементов, способных работать на длинные линии связи, индикаторные элементы и т.п.

Выбираем микросхемы серий: 533, 133, 315 и зарубежную микросхему фирмы Analog Devices AD688. Микросхемы этих серий в сравнении со своими прошлыми аналогами (например, 155 серии) имеют более высокий уровень быстродействия и более низкую потребляемую мощность.

Серия 533 выполнена на основе транзисторно-транзисторной  логики с применением диодов и  транзисторов Шоттки (ТТЛШ). Микросхемы серии 533 предназначены для построения средств вычислительной техники с малой потребляемой мощностью.

При выборе принципиальной схемы АЦП  с самоконтролем было рассмотрено  множество интегральных схем различных  серий и в результате анализа  их характеристик были выбраны и  использованы логические элементы среднего уровня интеграции (СИС) – микросхемы серий 533, 133. Это современные элементы, которые позволили предать устройству более высокое быстродействие, снизить уровень потребляемой мощности, повысить надежность. В результате этого выполняется большее число операций в единицу времени.

 

 

 

 

 

6.2 Обоснование выбора элементной базы

 

6.2.1 Выбор и описание матрицы сопротивлений

 

Матрицы сопротивлений осуществляют суммирование напряжений, пропорциональных цифровым величинам. Существует два основных вида матриц сопротивлений.

Матрица в виде делителя R-2R, обладает следующими особенностями:

1. Данная матрица требует всего лишь два номинала сопротивлений (R и 2R)
2. Можно осуществить регулирование масштаба выходного напряжения
3. Полная симметрия в выборе старшего и младшего разряда преобразователя относительно середины матрицы, т.е. старшим разрядом может быть как крайний правый узел матрицы сопротивлений, так  и крайний левый.

Матрица с последовательным распределением сопротивлений по двоичному закону, которая  обладает следующими особенностями:

1. требуется количество сопротивлений разных номиналов, соответствующее числу разрядов преобразователя, причем номиналы сопротивлений должны различаться между собой кратно 2^j
2. сопротивление нагрузки невозможно включить последовательно с матрицей не шунтируя ее
3. отсутствуют точные методы изменения масштаба выходного напряжения
4. коэффициент передачи напряжения данной схемы равен единице

Для проектируемого устройства применяется первый тип  матрицы(R-2R), в котором существуют только два номинала сопротивлений Rи2R. Применяем микросхему 315НР8 с резисторами       R=50кОм и 2R=100кОм, допустимое отклонение коэффициента деления 8-12,2*10^-5.

6.2.2 Выбор и описание источника опорного напряжения

В любой схеме  стабилизатора требуется наличие  опорного напряжения, с которым сравнивается величина выходного напряжения. Стабильность выходного напряжения стабилизатора  не может быть выше стабильности его  источника опорного напряжения. Источники  опорного напряжения (ИОН) широко применяются  также в качестве эталонной меры в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, а также в разного рода пороговых устройствах.

ИОН на стабилитронах

Простейший метод получения  опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное  напряжение прикладывают через токоограничивающий резистор к стабилитрону (рисунок 6.1 (а)).

 

Рисунок 6.1 Схемы ИОН на стабилитронах

 

Качество стабилизации оценивается  коэффициентом

 

К_ст = DU_вх /DU_оп,                                           (6.3)

 

который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на рисунке 6.1 (а) коэффициент стабилизации

 

К_ст = 1 + R/r_ст,                                            (6.4)

 

и составляет обычно от 10 до 100. Здесь r_ст - дифференциальное сопротивление стабилитрона. Оно приблизительно обратнопропорционально току, протекающему через стабилитрон, поэтому при заданном входном напряжении увеличением сопротивления резистора R невозможно добиться повышения коэффициента стабилизации. Важным фактором для выбора стабилитрона является величина шумовой составляющей напряжения стабилизации, которая сильно возрастает при малых величинах тока. Недостатком схемы на рисунке 6.1 (а) является относительно высокое выходное сопротивление (десятки Ом), которое также возрастает при уменьшении тока через стабилитрон. Другим недостатком является большой разброс напряжений стабилизации, который даже для прецизионных стабилитронов достигает 5% от номинального значения.

Существенного повышения  коэффициента стабилизации можно достичь, если токоограничивающий резистор заменить источником стабильного тока, например, на полевом транзисторе. В этом случае К_ст может превысить 1000.

Можно существенно улучшить характеристики источника опорного напряжения, если использовать в его  составе операционный усилитель (рисунок  6.1 (б)). Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом влияния источников питания K_в.ип в используемом ОУ и может достигать величины порядка 10000. Выходное сопротивление этой схемы составляет десятые доли Ома. Поскольку напряжения на входах ОУ практически равны, выходное напряжение источника опорного напряжения:

 

U_вых = U_оп(1 + R₂/R₁)                                   (6.5)

 

и не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона. Применение ОУ позволяет также путем подгонки соотношения сопротивлений резисторов R₂/R₁ достичь высокой точности опорного напряжения.

Таким образом, колебания  выходного напряжения источника  опорного напряжения, выполненного по схеме на рисунке 6.1 (б), при реальных изменениях входного напряжения и нагрузки не превышают 1 мВ. Существенно большие значения имеют температурные колебания опорного напряжения. Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры:

ТКН = DU_ст /(U_ст DТ)                                   (6.6)

     

Для большинства стабилитронов  он находится в пределах 1· 10^-3 К ^-1. Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, для больших - положителен. Минимума по абсолютной величине этот коэффициент достигает при напряжениях стабилизации около 6 В. Стабилитроны, имеющие ТКН в пределах 1· 10^-5 К ^-1, называют опорными диодами и используют в схемах источников опорного напряжения на напряжения обычно свыше 7,5 В.

Для повышения температурной  стабильности в некоторые ИМС  источников опорного напряжения  встраивают термостаты с нагревательным элементом. Обе части схемы (нагреватель  и ИОН) изготавливаются на одном  кристалле, который помещается в  теплоизолированном корпусе. Это позволяет  достичь ТКН < 1· 10^-6 К^-1 в диапазоне температур от минус 25 °С до плюс 85 °С. Недостаток такого решения - довольно большая мощность, потребляемая источником опорного напряжения (около 400 мВт при 25 °С).

 

Таблица 6.1

Модель	Выходное напряжение [В]	ТКН [х10-6]	Ток холостого хода [мА]	Ток нагрузки [мА]	Коэффициент стабилизации	Входное сопротивление [Ом]	Долговременная нестабильность [мкВ/1000ч]	Примечание
Источники опорного напряжения на стабилитронах
AD688	10±0.0025	3.6	12	10	5000	0.05	15	Два симметричных выхода
LM399	6.95±035	3	17	10	—	0.7	140	—
REF-08G	-10±0.02	10	2	10	500	2	—	—
MAX671C	10±0.001	3	9	10	20000	0.01	500	—
Источники опорного напряжения на ширине запрещенной зоны
ТL431	2.5±0.05	10	1	100	—	1.2	—	Отечественный аналог - 142ЕН19
LМ385	1.24±0.015	30	0.01	30	—	0.3	20	Трехвыводной параллельный
АD1582В	2.5±0.002	50	0.065	5	40000	0.25	250	Последовательный
АD1586В	2.5±0.002	50	0.05	10	—	0.5	250	Параллельный
AD589М	1.225±0.025	10	0.05	310	—	0.6	—	Параллельный
REF195E	5±0.002	5	0.045	30	40000	0.02	1200	Последовательный
MAX676A	4.096±0.001	1	10	10	8000	0.04	80	Есть выход датчика температуры
ADR291E	2.5±0.002	3	0.012	5	1300	0.075	0.5	XFET-источник

 

Исходя  из вышеизложенных определений выбираем наиболее подходящий источник опорного напряжения AD688.

 

6.2.3 Выбор и описание ключей

 

Общие сведения о ключах.

Аналоговый ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии "включено", его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии "выключено", выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.

Существуют различные  схемные решения ключей, удовлетворяющие  указанным условиям. Их принцип действия показан на рисунке 6.2 на примере механических (контактных) переключателей.

 

Рисунок 6.2 Схемы ключей

 

На рисунке 6.2 (а) представлен последовательный ключ. Пока контакт замкнут, U_вых=U_вх. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю, если источник сигнала имеет нулевое выходное сопротивление, и емкость нагрузки равна нулю. При значительном выходном сопротивлении источника сигнала напряжение U_вых делится между этим сопротивлением и резистором R. При существенной емкости нагрузки, во время разряда этой емкости при размыкании ключа S выходное напряжение ключа снижается до нуля довольно долго.  В схеме параллельного ключа (рисунок 6.2 (б)) U_вых=U_вх при разомкнутом ключе, если входное сопротивление нагрузки ключа бесконечно велико. Если же оно соизмеримо с сопротивлением резистора R, то на резисторе будет падать часть выходного напряжения источника сигнала. При наличии емкостной нагрузки будет относительно медленно устанавливаться выходное напряжение после размыкания ключа.

Особенности электронных ключей

Разновидности аналоговых ключей, показанные на рисунке 6.2, могут быть реализованы на электронных элементах с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности, они вносят погрешности в обрабатываемые сигналы. Источниками погрешностей электронных аналоговых ключей являются:

- ненулевое проходное сопротивление электронного ключа во включенном состоянии и конечная его величина в выключенном;

- остаточное падение напряжения на замкнутом ключе

- нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном и управляющем входах;

- взаимодействие управляющего и коммутируемого сигналов;

- ограниченный динамический диапазон (по амплитуде и по знаку) коммутируемых токов и напряжений.

Ключи на биполярных транзисторах и, в особенности, на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы милливольт, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов (менее 100 мВ). Более широкое  применение нашли ключи на полевых  транзисторах.

Ключи на полевых транзисторах.

Полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток U_зи. На рисунке 6.3 (а) изображена упрощенная схема последовательного коммутатора на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом.

 

Рисунок 6.3 Последовательный ключ на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом

 

Для того, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток U_зи следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий pn-переход откроется, и выход коммутатора окажется соединенным с цепью управления. Равенство нулю U_зи непросто реализовать, так как потенциал истока изменяется согласно изменению входного потенциала. Наиболее простой путь преодоления этой трудности показан на рисунке 6.3 (б).

Если напряжение U_упр установить большим, чем максимально-возможное входное напряжение коммутатора, диод VD закроется и напряжение U_зи будет, как это и требуется, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R₁ течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в случае, если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа  использовать полевой транзистор с  изолированным затвором (МОП-транзистор). Схема ключа на МОП- транзисторе приведена на рисунке 6.4. Здесь ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при U_зи < 0.

Рисунок 6.4 Последовательный ключ на МОП-транзисторах

 

В этом состоянии сопротивление  канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного  положительного напряжения приводит канал  в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 20 до 200 Ом для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей.