Разработка блока АЦП на МК

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТИЕТ 

ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ 

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 
 
 
 
 
 
 

Разработка  блока АЦП на МК 

Пояснительная записка 

Курсовая  работа по дисциплине

«Техника  микропроцессорных систем в коммутации»

ТПЖА. 601027.04 ПЗ

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Разработал: студент гр. СК-31   / Ганичев Е.А./

      (подпись) 

Руководитель: к.т.н., доцент   / Краев Н.А./

      (подпись) 

 
 
 
 
 
 
 
 
Киров 2010 

Реферат

    Ганичев Е.А. Разработка блока АЦП на МК: ТПЖА.601027.04 ПЗ: Курс. проект / ВятГУ, каф. РЭС; рук. Н.А. Краев. - Киров, 2010. ПЗ 31 с., 8 рис., 2 табл., 9 источников, 4 прил.; технол. докум. 2 л., специф. 1 л., програм. докум. 3 л. 

    МИКРОКОНТРОЛЛЕР, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, СИГНАЛ, МИКРОПРОЦЕССОР, ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ПОРТ, КРИСТАЛЛ,  РЕГИСТР, ТАЙМЕР, КОМПАРАТОР, ГЕНЕРАТОР, АРХИТЕКТУРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА, ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ.

    Объект  исследования и разработки – аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на базе микроконтроллера.

    Цель  работы – разработка электрической  схемы аналого-цифрового преобразователя  с использованием микропроцессорных  средств, которая позволяет получить цифровой код аналоговых сигналов.

    Методы  решения основаны на теории проектирования МПСУ, а также на методах программирования на языке Assembler.

    В приложениях приведены: принципиальная электрическая схема устройства, алгоритм аналого-цифрового преобразования, текст прошивки микроконтроллера.

    Данную  работу можно использовать как руководство  для изготовления конкретного устройства аналого-цифрового преобразования, совмещающего простоту схемотехнического решения, низкую стоимость аппаратной части и оптимальный программный код.

 

    

   Изм.

  Лит

  № документа

  Подпись

Дата

  Разработ.

  Проверил

   Н. контр.

   Утв.

Ганичев Е.А.

Краев Н.А.

Литера

    Лист

Листов

Каф. РЭС 

гр. СК-31

ТПЖА. 601027.04 ПЗ

 

Разработка  блока

  АЦП на МК

31

3

 СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1 Описание принципов работы объекта 5

   1.1  АЦП параллельного приближения 6

   1.2 АЦП последовательного приближения 7

   1.3  АЦП последовательно-параллельного приближения 8

2 Разработка функциональной схемы  АЦП 9

   2.1 Алгоритм аналого-цифрового преобразования 9

   2.2 Описание работы программы. 10

3 Обоснование выбора МК и схем сопряжения с внешними устройствами 10

   3.1  Обоснование выбора МК  10

       3.1.1  Микроконтроллеры семейства Mcs51 фирмы Intel 10

       3.1.2 Микроконтроллеры семейства С500 фирмы Siemens 11

       3.1.3  Семейство Microconverter фирмы Analog Devices 11

       3.1.4  Микроконтроллеры Xemics. Семейство XE8000 11

       3.1.5  PIC микроконтроллеры компании MICROCHIP 12

       3.1.6  Микроконтроллеры Scenix Sem. SX 13

       3.1.7  Микроконтроллеры Ангстрем, выпускаемые ОАО "АНГСТРЕМ" 14

       3.1.8  Микроконтроллеры фирмы Atmel 15

       3.1.9  Описание выбранного микроконтроллера 16

   3.2 Обоснование выбора схемы сопряжения 19

   3.3 Возможности доработки и развития данной схемы 20

   3.4 Разработка фрагмента программы для выбранного МК 20

Заключение 23

Приложение  А(справочное). Алгоритм аналого-цифрового преобразования 24

Приложение  Б (обязательное). Схема электрическая принципиальная 25

Приложение  В (справочное). Текст программы 28

Приложение  Г (справочное). Библиографический список 31 
 

 

Введение

    Ускорение научно-технического прогресса, развитие автоматизации процессов производства требует постоянного совершенствования  систем сбора и обработки информации. Наиболее успешно это реализуется  при выполнении операций с величинами, представленными в дискретном (цифровом) виде. Аналого-цифровые преобразователи являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

    Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи находят широкое применение в различных областях современной науки и техники. Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода—вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д. Велики перспективы использования быстродействующих преобразователей в телеметрии и телевидении. Несомненно, серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых АЦП еще более усилит тенденцию проникновения метода дискретно-непрерывного преобразования в сферу науки и техники. Одним из стимулов развития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей в интегральном исполнении в последнее время является широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. В свою очередь потребность в АЦП стимулирует их разработку и производство с новыми, более совершенными характеристиками. В настоящее время широко используются АЦП на различных принципах преобразования. Использование тех или иных принципов и алгоритмов зависит от конкретной постановки задачи.

    Целью данной курсовой работы является разработка устройства аналого-цифрового преобразования, использующего микроконтроллер. Областью применения результатов данной работы может быть любое устройство, анализирующее или обрабатывающее аналоговый сигнал в цифровом представлении.

 

    1 Описание принципов  работы объекта

    Наличие встроенных  аналоговых компараторов, наряду со счетчиком/таймером во многих современных микроконтроллерах, оптимально подходит для создания  аналого-цифрового преобразователя. Выводы аналоговых компараторов могут соединяться с выводами одного из портов, либо генерировать прерывание при изменении уровня на выходе компаратора. В зависимости от поставленной задачи на компараторе и счетчике/таймере могут быть построены  устройства аналого-цифрового преобразования с различными алгоритмами работы, имеющие различные характеристики и точность преобразований (один из вариантов – 8- и 12-битные устройства аналого-цифрового преобразования циклического режима работы, работа которых основана на подсчете времени разрядки предварительно заряженного до уровня входного сигнала конденсатора).

    Аналого-цифровые преобразователи являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие  им цифровые сигналы, пригодные для  обработки микропроцессорами и  другими цифровыми устройствами. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов представляет собой преобразование непрерывной  функции времени , описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на три самостоятельные операции.

    Первая  из них называется дискретизацией и  состоит в преобразовании непрерывной  функции времени в непрерывную  последовательность, состоящую из отсчетов.

    Вторая  называется квантованием и заключается в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную. Каждому отсчету присваивается уровень квантования. Эти уровни квантуются с определенным шагом. Шаги квантования могут быть равномерными и неравномерными. При равномерном квантовании динамический диапазон получается излишне большим. Использование неравномерного квантования уменьшает динамический диапазон. На практике неравномерное квантование практически не используется, вместо этого применяют компрессоры, ужимающие динамический диапазон. Для восстановления ужатого динамического диапазона используют декомпрессоры или экспандеры.

    После этих двух этих операций следует операция кодирования. Чаще используется двоичное кодирование, то есть комбинации из нулей  и единиц. Существует много способов кодирования, например линейное, помехоустойчивое и т.д. Все они применяются в  зависимости от поставленной задачи.

    В настоящее время известно большое  число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рисунке 1 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

    

    Рисунок 1 – Классификация АЦП 

    В основу классификации АЦП положен  признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс  преобразования аналоговой величины в  цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования  и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового  эквивалента к преобразуемой  величине.

1. АЦП параллельного приближения

    Чаще всего в качестве пороговых устройств параллельного АЦП используются интегральные компараторы. Схема типичного АЦП параллельного типа приведена на рисунке 2.

    

    Рисунок 2 – АЦП параллельного приближения

    Число компараторов DA выбирается с учетом разрядности кода. Например, для  двух разрядов понадобится три компаратора, для трех - семь, для четырех - 15. Опорные напряжения задаются с помощью резистивного делителя. Входное напряжение подается на вход компараторов и сравнивается с набором опорных напряжений, снимаемых с делителя. На выходе компаратора, где входное напряжение больше соответствующего опорного, будет логическая единица, на остальных – логический нуль. Естественно, при входном напряжении равном нулю на выходах компараторов будут нули. При максимальном входном напряжении на выходах компараторов будут логические единицы. Шифратор генерирует бинарный цифровой код в зависимости от количества логических единиц, присутствующих на его входе.

    Параллельный  АЦП является самым быстродействующим  из всех, поскольку компараторы работают одновременно. Но есть весьма существенный недостаток. Как было сказано выше, разрядность такого АЦП определяется числом компараторов и резисторов. При малой разрядности это еще приемлемо, но для 10-ти разрядного АЦП понадобится штук. Отсюда вытекает высокая стоимость параллельных АЦП. Подбором сопротивлений резисторов можно выбрать закон преобразования – линейный или логарифмический.