Аналого-цифровой преобразователь на переключаемых конденсаторах
3.2 Расчет элементов цифровой части сигма-дельта АЦП
Цифровая схема управления (рис 2.1) нужна для управления ключами, которые задают алгоритм работы сигма-дельта АЦП, а так же для своевременного снятия кода с выхода компаратора, подсчета битов и формирования двоичного 8-разрядного кода в смещенном виде.
Согласно алгоритму работы (п.2) составим таблицу истинности, которая будет отображать последовательность замыкания ключей.
Таблица 3.2.1
Номер такта |
ai |
A3 |
A2 |
A1 |
A0 |
S1 |
S2 |
S3 |
S4 |
S5 |
|
0(5-й) |
x |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
x |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
2 |
x |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
3 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
||
4 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
где A0-A3 - независимые переменные
S1-S5 - ключи, упр. логическим уровнем (1 - замкнут,0 - разомкнут)
ai - выходной код компаратора, полученный в 2 такте
В 3-м такте выбирается одна из строк, в зависимости от ai, полученном во 2-м такте (4 такт - аналогично). После 4-го такта последовательность повторяется. Информационный бит снимается в начале 0-го(5-го) такта.
Реализовать такую таблицу истинности можно различными способами, например, с помощью 4-разрядого счетчика и программируемой логической матрицы (ПЛМ). Т.е. счетчик подсчитывает импульсы тактового генератора, и выходной код подается на ПЛМ, запрограммированную по таблице 3.2.2. Счетчик считает до 5-ти и сам себя обнуляет как показано на рис 3.2.1 через логический элемент 2И -
МС КМ555ЛИ1 (4 эл. 2И) из [5].
Рис. 3.2.1 Схема управления ключами
МС счетчика выбираем из [5]: КР1533ИЕ5 (Iпот = 13 мА)
МС ПЛМ выбираем из [4]: КР556РТ1 (Iпот = 180 мА).
ПЛМ прошивается согласно таблице 3.2.2.
Таблица 3.2.2
A15-A4 |
A3 |
A2 |
A1 |
A0 |
D0 |
D1 |
D2 |
D3 |
D4 |
D5-D7 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
Чтобы реализовать выбор одной из строк в 3 и 4 такте, в зависимости от кода компаратора в конце 2-го такта, необходимо организовать дополнительный сигнал, высокий уровень которого будет возникать во время 3 и 4 такта. Т.е нужно реализовать операцию деления fтг на 4, а после подать на ЛЭ 2И: на 1 вход - fтг4, на 2 вход - ai.
Деление частоты на 4 сформируем с помощью 2-х D-триггеров, включенных по схеме T-триггеров как показано на рис.3.2.2. Триггеры выбираем из [4]: МС К555ТМ2 (2 D-триггера): Iпот = 8 мА.
Рис.3.2.2 Схема выбора строки в 3 и 4 такте
На рис.3.2.3 приведены диаграммы, поясняющие работу данной схемы.
Для снятия бита во время 5-го такта подаем на входы ЛЭ 2И -ai и Rсч.
Импульс на Rсч появляется как раз в 5 такте, во время обнуления счетчика.
Поток битов на выходе ЛЭ 2И, образованных в 5-м такте поступают и подсчитываются на 8 разрядном счетчике, собранном из 2-х 4-разрядных.
В качестве счетчиков выбираем МС К1533ИЕ5 [5].
Рис.3.2.3 Диаграммы напряжений, управляющих схемой
Итак, получаем, что выходной код АЦП на выходах счетчика формируется в 256*5 = 1280 такте ТГ. Следовательно, для сохранения кода в регистр сформируем сигнал разрешения на запись Сreg с f = fтг1280 (рис.3.2.3).
Он же выведен отдельно для внешнего устройства для сигнализации об окончании преобразования (выход W):
1- преобразование завершено
0 - идет преобразование
Сделаем это с помощью 3-х 4-разрядных счетчика и элемента 2И(рис.3.2.4).
Рис.3.2.4 Делитель частоты на 1280
128010 = 0010 1000 00002
Высокий уровень на выходе 2И записывает код в регистр (К555ИР35 из [4]:
Iпот = 27 мА) и обнуляет счетчики через цепь задержки, причем
RC = T тг (10мкс).
Задаемся значением R = 470 Ом, тогда
Выбираем R и С из справочника [1]:
R: МЛТ- 0.5 - 470 5%
C: КМ - (М75) - 50 В - 21нФ 10%
Так как все преобразования выполняются от тактового генератора, то нет необходимости строить стабильный генератор. Выбираем простой генератор прямоугольных импульсов с нестабильность частоты 30% и рассчитываем его на частоту генерации f тг = 100кГц. (рис.3.2.5).
Рис. 3.2.5 Генератор прямоугольных импульсов
Выбираем инверторы из справочника [5]: К155ЛН1 (6 инверторов)
Расчет R и C аналогичен приведенному выше.Выбираем те же значения [1]:
R: МЛТ- 0.5 - 470 5%
C: КМ - (М75) - 50 В - 21нФ 10%
Генератор соединен с остальной схемой через ключ, который замкнут при высоком уровне на управляющем входе ключа (вход Е):
1 - разрешение на преобразование
0 - преобразование запрещено
Т.к. АЦП является медленным, то для работы с быстрыми сигналами необходимо поставить на входе устройство выборки и хранения (УВХ).
Выбираем из справочника [3]: МС КР1100СК2 со следующими параметрами:
tхр = 10мкс при Схр = 1000пФ (1)
U пит = 12 В
tа зд = 100..250 нс
Uупр: р.выборки 2.4..7 В
р.хранения <1.5 В
Uсм = 5..30 мВ
Uвх < 10 В
Iпот = 6.5 мА
tуст = 0.4 - 0.8 мкс
Подсчитаем время Tхр, которое должен хранить конденсатор Cxp входное напряжение:
Tхр = Tтг x 256 x 5 = 10мкс x 256 x 5 = 12800 мкс = 12.8 мс
Следовательно из (1) требуемая емкость
Cхр = (12800мкс x 1000пФ)10 мкс = 1280000 пФ = 1.28 мкФ
Выбираем С из справочника [1]: К50 - 35 - 40 В - 1.3мкФ 10%
Uупр подается в момент обнуления 3-х счетчиков сигналом Сreg.