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

 

- 56 -

Аннотация

 

Представленный  дипломный проект посвящен разработке аналогово-цифрового преобразователя с самоконтролем и реконфигурацией в составе подсистемы контроля корабельного ЗРК.

В пояснительной  записке приводится описание аналогово-цифрового  преобразователя с самоконтролем  и реконфигурацией, назначение и  принцип работы устройства, расчеты  мощности, надежности, погрешностей и  его  компьютерное моделирование. Разработана  электрическая принципиальная схема  устройства.

В организационно-экономической  части проекта произведено технико-экономическое  обоснование разработки, приведен календарный  график длительности работ, по которому определено время изготовления изделия. Рассчитана цена разработки такого АЦП.

В разделе "Безопасность и Экологичность проекта" были изложены требования к обеспечению комфортных условий работы персонала на участке производства устройства (кондиционирование воздуха и освещенность). Был проведен выбор системы вентиляции и расчет оптимального освещения производственного помещения.

В графической  части дипломного проекта приложены  выполненные чертежи и плакаты.

 

Объем пояснительной  записки: 109 листов.

Объем графической  части: 6 листов (А1)

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	8
1 Технические требования	9
2 Подсистема автоматизированного  контроля корабельного ЗРК	10
3 Классификация АЦП	13
3.1 Параллельные АЦП	14
3.2 Последовательно-параллельные  АЦП	15
3.3 Последовательные АЦП	19
4  Параметры АЦП	26
4.1 Статистические параметры	26
4.2 Динамические параметры	29
5 Анализ прототипов	31
5.1 Зарубежные аналоги	31
5.2 Отечественные аналоги	33
6 Разработка схемы электрической  принципиальной	34
6.1 Общие сведения о  микросхемах	34
6.2 Обоснование выбора  элементной базы	39
6.2.1 Выбор и описание  матрицы сопротивлений	39
6.2.2 Выбор и описание  источника опорного напряжения	40
6.2.3 Выбор и описание  ключей	44
6.2.4 Выбор компаратора	49
6.3 Описание генератора  импульсов	56
6.4 Описание регистра  последовательного приближения	57
7 Принципы работы схемы	58
8 Расчет надежности	60
9 Расчет погрешности	62
10 Моделирование погрешностей  в АЦП	64
10.1 Программирование в  Lab VIEW	64
10.2 Расчет погрешности  с помощью  Lab VIEW 10.2.1 Вычисление мультипликативной  погрешности	65
	65
10.2.2 Вычисление аддитивной  погрешности	67
11 Интерфейс АЦП	70
12 Организационно-экономическая  часть	71
12.1 Введение	71
12.2 Наименование и назначение изделия	72
12.3 Описание организации работ	73
12.4 Наиболее важные этапы планирования для данного изделия	73
12.4.1 Распространение на рынке	73
12.4.2 Конкуренция	73
12.4.3 Потребительский рынок	74
12.4.4 Цена на изделия	74
12.4.5 Рекламная компания	74
12.4.6 Маркетинг	75
12.4.7 Организация послепродажного обслуживания	75
12.4.8 План производства	75
12.5 Источник финансирования разработки	75
12.6 Планирование работ	78
12.7 Этапы разработки	78
12.8 Составление сметы затрат на  разработку	82
12.8.1 Материалы, покупные изделия,  полуфабрикаты	83
12.8.2 Расходы по статье: спецоборудование	84
12.8.3 Расчет основной заработной платы  разработчиков	85
12.8.4 Расчет дополнительной заработной  платы разработчиков	85
12.8.5 Отчисление в фонды	86
12.8.6 Расчет по статье: командировки	86
12.8.7 Контрагентские расходы	86
12.8.8 Накладные расходы	87
12.8.9 Прочие расходы 12.9 Экономическая целесообразность  проекта	87
	91
12.10 Вывод	92
13 Экологичность и безопасность проекта	94
13.1 Кондиционирование воздуха	95
13.1.1 Система кондиционирования  воздуха в научно-исследовательской  лаборатории	96
13.1.2 Микроклимат научно-исследовательской  лаборатории	96
13.1.3 Основные отличия прецизионных  систем кондиционирования от комфортных	98
13.1.4 Выбор системы кондиционирования	99
13.1.5 Принцип работы прецизионных  кондиционеров	99
13.1.6 Правильно выбранное место установки	101
13.2 Освещенность	102
14 Заключение	107
15 Список использованной литературы	108
ПРИЛОЖЕНИЯ
1 Функциональная схема АЦП
2 Структурная схема аппаратуры  контроля
3 Принципиальная схема АЦП
4 Моделирование мультипликативной  погрешности
5 Моделирование аддитивной погрешности
6 Календарный график  длительности работ

 

 

 

 

 

Введение

 

Широкое распространение в радиоэлектронных системах при цифровой обработке сигналов находят многоканальные средства сбора и обработки информации(МССОАИ), использующие отдельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в каждом канале. Однако в таких устройствах могут возникать отказы, приводящие к недопустимому искажению информации, что существенно снижает эффективность таких систем. В последнее время стали выпускаться разнообразные интеллектуальные АЦП, позволяющие трансформировать алгоритм работы в процессе его выполнения. Как правило, они представляют собой измерительную систему с аппаратурно-программным контролем и коррекцией погрешностей. АЦП содержит большой объем дополнительной аппаратурной части: множество специализированных регистров, сигнальный процессор, несколько ПЗУ, вспомогательный ЦАП, датчик температуры и.т.д. Однако обеспечение требуемой достоверности самоконтроля приводит к снижению производительности при вычислениях истинного выходного кода, а также требуется  дополнительная память для хранения контролирующих программ и констант. Поэтому быстродействие такого АЦП невелико, а аппаратурная часть контроля и коррекции погрешностей превышает объём аппаратуры основной части АЦП. Для систем реального времени необходимы более простые, достоверные и быстродействующие методы самоконтроля АЦП. Поэтому актуальным является создание отказоустойчивого АЦП с самоконтролем, позволяющего обнаруживать случайные погрешности с последующей реконфигурацией схемы и восстановлением работоспособности за весьма малый промежуток времени.

В связи с этим настоящая дипломная  работа посвящена разработке аналого-цифрового преобразователя с самоконтролем и реконфигурацией в составе подсистемы контроля корабельного ЗРК.

 

1 Технические  требования

 

Количество  контролируемых параметров – 8

Тип сигнала  – напряжение постоянного тока

Погрешность преобразования – 0,025 %

Частота преобразования не менее 10 кГц (100 мкс)

Интерфейс последовательный; скорость передачи данных 210 кбит/с

Длина от АЦП до потребителя – 10 м

Наработка на отказ – 500 ч

Вероятность безотказной работы р=0,99

Температура окружающей среды 10…30°С

Срок  службы – 10 лет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Подсистема автоматизированного контроля корабельного ЗРК

 

Известны следующие варианты построения многоканальных средств сбора и обработки аналоговой информации. В первом варианте структуры МССОАИ, представленном на рисунке 2.1, используется единственный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого подключается к датчикам (Д) аналоговой информации через аналоговый коммутатор (АК). Во втором варианте структуры МССОАИ, представленном на рисунке 2.2, в каждом канале имеется отдельный АЦП.  Сравнение структур первого и второго вариантов МССОАИ показывает, что первая структура более экономична, так как АК требует меньше затрат, чем несколько АЦП. Однако при использовании МССОАИ на основе первого варианта с последующей обработкой цифровых сигналов на микроЭВМ может возникнуть погрешность, обусловленная неодновременной выборкой значений входных сигналов разных каналов и неодинаковым их временем установления из-за различных сопротивления датчиков и линий связи. Кроме того, имеются в этом случае трудности по обеспечению требуемой частоты дискретизации АЦП, зависящей от числа используемых каналов. При этом в некоторых применениях МССОАИ использование серийных микросхем АК не позволяет получить требуемую точность и быстродействие МССОАИ.

 

 

Рисунок 2.1 Первый вариант структуры МССОАИ

 

 

Рисунок 2.2 Второй вариант структуры МССОАИ

 

Если требуется высокая  точность и быстродействие МССОАИ и  если временной сдвиг между отдельными канальными сигналами в процессе измерений недопустим, то необходимо использовать отдельный АЦП в  каждом канале. В таком случае запуск всех АЦП осуществляется одним и  тем же тактовым импульсом, а временной  сдвиг между каналами будет определяться лишь разбросом временных параметров отдельных АЦП. Однако в таких АЦП могут возникать как внезапные, так и постепенные отказы, приводящие к недопустимому искажению информации, что существенно снижает эффективность многоканальных АЦП. Поэтому возникает необходимость в создании многоканальных отказоустойчивых АЦП.

Как известно, алгоритм функционирования отказоустойчивого АЦП состоит из трех характерных фрагментов. Первый отражает его работу по прямому назначению, второй и третий описывает шаги, предпринимаемые после обнаружения сбоя или отказа. Эти шаги состоят в поиске дефекта, реконфигурации и восстановления АЦП. При этом при построении отказоустойчивых АЦП возникают трудности выбора метода отказоустойчивости.

Выбираем второй вариант структуры, т.е. МССОАИ, использующие отдельный  аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в каждом канале.

Данный АЦП входит в состав подсистемы автоматизированного контроля корабельного ЗРК (изделие ЗКР-48 ЛИ1. 400. 023), предназначенной специализированный вычислительный комплекс, предназначенной для выполнения следующих задач:

-преобразования аналоговых сигналов  в цифровые;

-визуальная индикация готовности  к дистанционному включению и  включения входящих в комплекс  приборов, устройств подсистем;

-непрерывный контроль полного  включения и исправности приборов, устройств, подсистем в процессе  реальной работы с выводом  текстовых сообщений на видеомонитор  и (или) принтер;

-сквозная проверка готовности  комплекса к реальным работам последовательно в трех режимах:

а) автоматического функционального  контроля,

б) тренировки операторов TP,

г) реальной работы БР;

-с выводом результатов проверки на видеомонитор и принтер;

-вывод на видеомонитор  в процессе реальной работы  информации о причинах запретов  на работу и рекомендаций оператору;

-вывод на видеомонитор  мнемонической информации о наличии  и расходе изделий в процессе реальной работы;

-запись на магнитный накопитель информации ВСИ для длительного хранения и последующего вывода ее при анализе реальной работы;

 -оперативный вывод информации ВСИ в графической и/или табличной формах на видеомонитор и принтер при анализе реальных работ;

-вывод на видеомонитор и принтер  экспресс-протоколов реальных работ;

-идентификация команд управления: проверка наличия команд в  эфире при анализе реальных  работ.

 

 

 

 

3 Основные сведения об аналого-цифровых преобразователях

 

3.1 Классификация АЦП

 

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 3.1 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

 

 

Рисунок 3.1 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.

 

3.1.1 Параллельные АЦП

 

АЦП этого  типа осуществляют квантование сигнала  одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рисунке 3.2 показана реализация параллельного метода

АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

 

Рисунок 3.2 Схема параллельного АЦП

 

С помощью  трех двоичных разрядов можно представить  восемь различных чисел, включая  нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих  опорных напряжений образуются с  помощью резистивного делителя.

Если  приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона  от ⁵/₂h, до ⁷/₂h, где h=U_оп/7 – квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым

 

3.1.2 Последовательно-параллельные АЦП

 

Последовательно-параллельные АЦП являются компромиссом между  стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности  меньшей ценой. Последовательно-параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, многотактные и конвеерные.

 

а) Многоступенчатые АЦП

В многоступенчатом АЦП  процесс преобразования входного сигнала  разделен в пространстве. В качестве примера на рисунке 3.3 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

Рисунок 3.3 Структурная  схема двухступенчатого АЦП

 

Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.

Грубо приближенная и точная величины должны соответствовать одному и тому же входному напряжению U_вх(t_j). Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.

 

 

б) Многотактные последовательно-параллельные АЦП

Рассмотрим  пример 8-разрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типу многотактных, смотрите рисунок 3.4. Здесь процесс преобразования разделен во времени.

 

Рисунок 3.4 Структурная схема двухтактного АЦП

 

Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного  АЦП, квант h которого определяется величиной опорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен 2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h₁=0,16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h₂=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова.