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

Рисунок 6.5 Зависимость сопротивлений каналов транзисторов КМОП -  ключа от U_вх

Таблица 6.2

 

Согласно  таблице 6.2 наиболее подходящей микросхемой является 590КН25 с сопротивлением открытого ключа 10 Ом.

 

 

 

 

 

Рисунок 6.6 УГО микросхемы 590КН25

 

Назначение  выводов:

I0-I1 - аналоговые  входы

O0-O1- аналоговые  выходы

E0-E1 - разрешение.

E+ положительное  напряжение питания (+15 в).

E- отрицательное  напряжение питания (-15 в).

Gnd- общий вывод (цифровая земля).

 

6.2.4 Выбор компаратора

 

Компаратор  – это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для  сравнения величин двух аналоговых сигналов.

Входные аналоговые сигналы компаратора  суть U_вх - анализируемый сигнал и U_оп - опорный сигнал сравнения, а выходной U_вых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

U_вх= U_1вых, при U_вх-U_оп>0;

U_вх= U_0вых, при U_вх-U_оп<0.

Выходной  сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей  и потому согласуется по уровню и  мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.

Реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (см. рисунок 6.7).

                                    а)                                                   б)

Рисунок 6.7 Характеристики компараторов

 

Рисунок 6.8 Процессы переключения компараторов

 

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину   |U_1вых – U_0вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рисунке 6.8) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим  первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю характеристика будет иметь вид рисунок 6.7 (а). При очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рисунке 6.8). Еще хуже то, что при таком медленном изменении U_вх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рисунок 6.7 (б)).

В качестве компаратора может быть использован  операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рисунке 6.9. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂

 

Рисунок 6.9 Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх – U_оп > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх – U_оп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации U_ст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Включение по схеме на рисунке 6.8 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью.

Параметры компараторов.

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные. Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Эксплуатационные параметры компараторов определяют допустимые режимы работы их входных и выходных цепей, требования к источникам питания и температурный диапазон работы. Важными эксплуатационными параметрами являются уровни выходных сигналов, а также способы подключения нагрузки к выходу компаратора.

Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены  конечными значениями пробивных  напряжений и допустимыми токами через транзисторы компаратора. Поскольку компараторы могут работать со значительными дифференциальными входными напряжениями, важными характеристиками компаратора являются максимально допустимые величины дифференциального и синфазного входных напряжений. Эти ИМС можно условно разделить на следующие группы: универсальные (общего применения), быстродействующие, прецизионные, микромощные. В таблице 6.3 приведены модели компараторов и их основные свойства.

 

Таблица 6.3 Модели компараторов и их основные свойства

Модель компаратора	Напряжения питания [В]	Коэффициент усиления [Вм/В]	Напрежение смещения [мВ]	Входной ток [нА]	Выходные уровни	Диапазон допустимых диффер. напряжений [В]	Ток потребления [мА]	Выходной ток, не более [мА]	Время переключения [нс]	Примечание
Универсальные компараторы
521CA2	+12; -6	1.5	3	250 00	ТТЛ	5	8	2.5	90	Аналог мА710
SE521	±5...±15	5	5	250 00	ТТЛ	5	5	-	12	Открытый коллектор
LM139 (1401 CA1)	5...36	200	1	25	ТТЛ. КМОП	36	0.7	15	700	4-х каналь-ный открытый коллектор
Прецизионные компараторы
521CA3	±13...±15	200	3	100		30	6	50	200	Открытый коллектор и эмиттер
AD790	+5...±15	Гистерезис	0.25	1800	То же	15	10	10	40	Открытый коллектор
597CA3	±12...±18	70	3	350	То же	—	2	10	300	Сдвоенный
Быстродействующие компараторы
597CA1	±5; -5.2	1	2	100 00	ЭСЛ. ТТЛ	3	35	10	6.5	Триггер-защелка
SE9685	+5:-5.2	300	5	200 00	ЭСЛ	5	—	—	2.3	Парафазный выход
MAX96 92	+5; -5.2	3	6.5	5000	ЭСЛ	5.5	26	30	1.2	Триггер-защелка
TL714C	5	Гистерезис	—	—	ТТЛ	0...VS	12	40	6	Частота переключения до 50 МГЦ

Продолжение таблицы 6.3

Модель компаратора	Напряжения питания [В]	Коэффициент усиления [Вм/В]	Напрежение смещения [мВ]	Входной ток [нА]	Выходные уровни	Диапазон допустимых диффер. напряжений [В]	Ток потребления [мА]	Выходной ток, не более [мА]	Время переключения [нс]	Примечание
Микромощные компараторы
MAX922	±1.25...±5.5	10	10	5	ТТЛ. КМОП	VS + 0.3В	3.2 мкА	4	12000	Сдвоенный
MAX919	1.8...5.5	Гистерезис	5	1	КМОП	-0.3В - VS…VS +0.3B	0.38 мкА	50	95000	Симметричный выход
TLC339	±1.5...±8	—	5	0.005	ТТЛ. КМОП	—	10 мкА	10	2500	Счетверенный. Открытый сток.
LMC72 15	2…8	10000	6	0.00 05	ТТЛ. КМОП	-0.3В - VS…VS +0.3B	0.7 мкА	30	20000

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходя  из характеристик и параметров наиболее подходящем для данной схемы является компаратор серии 1401СА1.

 

4.3 Описание генератора импульсов

 

В качестве генератора импульсов была выбрана  микросхема 530ГГ1.

 

Рисунок 6.10 УГО микросхемы 530ГГ1

 

Назначение  выводов:

FC-вход для подачи управляющего напряжения U_FC= 0…5 B. RN-вход для подачи управляющего напряжения U_RN=0…5 B,задающего диапазон изменения частоты генератора под воздействием напряжения U FC; С- входы переключения конденсатора или кварцевого резонатора; - разрешение работы генератора (при =1 выход G=1);

R1=R2= 10кОм, С=0,1 мкФ.

 

6.4 Описание регистра последовательного приближения

 

Регистры – это устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации в виде т-разрядного двоичного кода.

Основным  классификационным признаком регистров  являются способ записи двоичного кода в регистр и его выдача. Параллельный регистр выполняет операцию записи параллельным кодом. Последовательный регистр осуществляет запись последовательным кодом, начиная с младшего или  старшего разряда, путем последовательного  сдвига кода тактирующими импульсами. Параллельно-последовательные регистры имеют входы как для параллельной, так и для последовательной записи кода числа.

В данной работе был выбран 12 разрядный  регистр последовательного приближения, цифровая микросхема 133ИР17.

Микросхема 133ИР17 (см. рисунок 6.11) - специальный регистр, предназначенный для построения аналого-цифровых преобразователей, работающих по принципу последовательного приближения с числом разрядов до 12. Имеет четыре входа: С - для подачи тактовых импульсов, D - для подачи запоминаемой регистром информации, Е - разрешения преобразования и ERD - сброса.

 

Рисунок 6.11 Микросхема 133ИР17

                                       

7 Принцип работы схемы

 

Рассмотрим  функциональную схему данного АЦП. В случае неисправности или случайных погрешностей аналоговых элементов проводится самоконтроль, по отрицательному результату которого производится реконфигурация, при этом разрядность АЦП уменьшается на один разряд.

Рисунок 7.1 Функциональная схема ООАЦП с реконфигурацией

 

Для этой цели вводится дополнительный (m+1)-й контрольный такт. Работа ООАЦП производится следующим образом. Устройство формирует  сигнал «конец преобразования», как только разность между компенсирующими и измеряемым напряжениями становится меньше величины напряжения младшего разряда. Для формирования напряжения U_комп +U_мл.р. используется в ЦАП-1 резистивная матрица R-2R , у которой оконечный (m+1)-й резистор 2R через электронный ключ К_m+1 подсоединен к источнику эталонного напряжения постоянного тока U_эт. Для формирования напряжения U_комп –U_мл.р. используется в ЦАП-1  резистивная матрица R-2R, у которой оконечный (m+1)-й резистор 2R через электронный ключ 2К_m+1 подсоединен к источнику эталонного напряжения отрицательной полярности– U_эт. В ЦАП-1 и ЦАП-2 электронные ключи подсоединены к источнику U _эт.. Для управления работой РПП используются два компаратора КН-1 и КН-2. При этом на выходе компаратора КН-1 разрешающий уровень1 формируется при U_вх> U_комп+U_мл.р., а запрещающий уровень 0 – при U_вх< U_комп+U_мл.р. На выходе компаратора КН-2 разрешающий уровень 1 формируется при U_вх> U_комп-U_мл.р, а запрещающий уровень 0 – при U_вх< U_комп-U_мл.р. Если в процессе преобразования выполняются одновременно неравенства U_вх< U_комп+U_мл.р и U_вх> U_комп-U_мл.р., то на и выходе элемента ИЛИ-1 формируется запрещающий уровень 0, который через элементы НЕ-2, ИЛИ-2 установит триггер Т-3 в состояние 1 и на входе S  РПП установится уровень 1 , прерывающий процесс преобразования. Если после m-го импульса не были одновременно выполнены неравенства U_вх< U_комп+U_мл.р. и U_вх> U_комп-U_мл.р., то с задержкой, определяемой элементом задержки ЭЗ-1, триггер Т-1 установится в состояние 1 и электронные ключи К_m+1 и 2К_m+1 произведут коммутацию оконечных резисторов 2R резистивных матриц ЦАП-1 и ЦАП-2 соответственно к источникам 2 U_эт., – U_эт. На выходах ЦАП-1 и ЦАП-2 установятся соответственно напряжения U_комп+2U_мл.р. и U_комп-2U_мл.р.. Компараторы КН-1 и КН-2 сравнивают входное измеряемое напряжение с этими компенсирующими напряжениями. Если одновременно выполняются неравенства U_вх< U_комп+2U_мл.р. и U_вх> U_комп-2U_мл.р., то на выходе элемента И-4 сформируется уровень 0, который будет выдан во внешнее устройство как значение кода младшего разряда. Если вышеприведенные неравенства одновременно не выполняются, то после (m+1)-го такта на выходе элемента И-2 с задержкой , определяемой элементом задержки ЭЗ-2, сформируется уровень 1, который установит триггер Т-2 в состояние 1 и на выходе которого сформируется сигнал «отказ». После (m+1)-го такта на выходе Р РПП установится уровень 1, который через элементы НЕ-3, ИЛИ-3 и триггер Т-3 установит на входе S уровень 1, и процесс преобразования закончится,  при этом сигнал «отказ», поступающий во внешнее устройство, не позволит принять код из РПП.