Расчет 1. Расчет отношения сигналшум. Требуемая точность цифровой системы определяет отношение сигналшум, как дБ. Выбор ацп

• Название: Расчет отношения сигналшум. Требуемая точность цифровой системы определяет отношение сигналшум, как дБ. Выбор ацп
• Дата: 14.05.2022
• Размер: 394.72 Kb.
• Имя файла: Расчет 1.docx
• Тип: Документы; #529622

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национально-исследовательский государственный университет информационных технологий, механики и оптики»

1. 
   Кафедра « Электротехники и прецизионных электромеханических систем»
   

Расчетная работа

по курсу «Основы дискретных систем»

«Расчет и выбор АЦП, масштабирующего усилителя и фильтрующего устройства»

Студент:

Шустов И.В.

Группа Р4145

Вариант 17

Преподаватель:

Денисов К.М.


Санкт-Петербург,

2017

Задание: согласно варианту задания выбрать АЦП. Рассчитать ФНЧ и усилитель, обеспечивающие корректную работу преобразователя.

Исходные данные.

Частота дискретизации	80кГц
Полоса пропускания	140Гц
Точность	0.09%
Диапазон входного сигнала	(0-10)В

Таблица 1.

1. 
   Расчет отношения сигнал-шум.
   

Требуемая точность цифровой системы определяет отношение сигнал-шум, как

дБ.

2. 
   Выбор АЦП.
   

По значению отношения сигнал-шум и по заданной частоте дискретизации осуществляется выбор АЦП, таким образом, чтобы отношение сигнал-шум выбранного АЦП было больше либо равно 61 дБ, а частота дискретизации была больше либо превышала 80 кГц.

Данным требованиям соответствует АЦП фирмы Analog Devices AD7811. Его основные параметры представлены в таблице 2.

Signal to (Noise + Distortion) Ratio	76 dB
Resolution	13
Input Voltage Range VIN	(0-VREF) V
Input Voltage Range VREF	(2.5-VDD) V
Sample Rate	500 kHz
Power Supply VDD	(12-16.5) V

Таблица 2

Если напряжение питание будет соответствовать V_DD=12(В), то опорное напряжение может быть принято за V_REF=2.5(В), а входной сигнал АЦП будет лежать в диапазоне от 0 до 10(В).

Шаг квантования АЦП:

Ulsb = 1.22 mV

3. 
   Выбор масштабирующего усилителя.
   

Так как диапазон входного сигнала и диапазон АЦП одинаково несимметричны относительно нуля, то для того чтобы заданный диапазон входного сигнала преобразовать в требуемый диапазон сигнала АЦП, его достаточно усилить в 5 раз. Задачу масштабирования с коэффициентом усиления, равным 5, может решить неинвертирующий усилитель на базе операционного усилителя LF412 (National Semiconductor).

Input Offset Voltage, Uoff	1.0 mV
Input Offset Current, Ioff	25 pA
Input Bias Current, Ib	50 pA
Supply Voltage, Ucc	±18V
Equivalent Input Noise Voltage, UNOISE	25 nV
Equivalent Input Noise Current, INOISE	0.01pA
High input impedance	1012 Ω
Wide gain bandwidth (min)	3 MHz

Таблица 3.






Тепловые шумы на резисторах:










Так как ни среднеквадратическое значение напряжения шума на выходе усилителя, ни тепловые шумы на резисторах, ни напряжение, вызванное напряжением смещения нуля на входе усилителя, не превышают величины напряжения шага квантования 2.4 мВ, то выбранный усилитель подходит для работы на входе АЦП.

4. 
   Расчет фильтрующего устройства.
   

Для того чтобы в полосу пропускания полезного сигнала не отображался шум, находящийся выше верхней частоты Котельникова, на входе АЦП устанавливается ФНЧ с частотой заграждения минимум в два раза меньше частоты дискретизации. В качестве такого фильтра можно использовать фильтр Баттерворта второго порядка, реализованный по схеме Саллена и Ки.

Коэффициенты полинома Баттерворта второго порядка:

Частота среза:

Расчет номиналов емкостей и резисторов:

5. 
   Моделирование электрической схемы.
   

При составлении схемы моделирования значения сопротивлений и емкостей выбирались из номинальных рядов сопротивлений и емкостей.



Результаты моделирования

1. 
   График входного напряжения с амплитудой 0.25 В, постоянной составляющей 0.25 В и частотой 50 Гц (красный) и график выходного напряжения фильтра с амплитудой 2.5 В (зелёный).
   

Рис.1.

2. 
   ЛАЧХ выходного сигнала фильтра.
   

Рис.2.

3. 
   Определение полосы пропускания
   

Рис.3.



Таблица 4.

До данным таблицы и по графику видно, что полученная полоса пропускания составляет 178 Гц при заданной частоте 180 Гц.

4. 
   Определения полосы заграждения
   

Рис.4.



Таблица 5.

До данным таблицы и по графику видно, что полученная полоса заграждения составляет f_s=5.77 КГц и, следовательно, соотношение f_s < f_d/2 , где f_d/2=175 КГц половина частоты дискретизации, выполняется.

5. 
   Определение уровня пульсаций выходного напряжения фильтра при частоте f_d/2=175
   

КГц.



Рис.5.

Амплитуда пульсаций выходного сигнала фильтра при частоте входного сигнала 35 КГц составляет 1.249953-1.250095=0.14мВ, что меньше напряжения единицы младшего разряда.

Вывод.

В ходе расчетной работы был осуществлен выбор АЦП в соответствие с исходными данными, были выбраны, рассчитаны и промоделированы масштабирующий усилитель и фильтр низких частот. Результаты моделирования показывают, что на входе АЦП получен сигнал, параметры которого полностью удовлетворяют требованиям. Следовательно, решения, примененные при проектировании фильтра и масштабирующего усилителя, верны.