авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования – ...»

-- [ Страница 3 ] --

8.2.4.2 Термоэлектрические датчики предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Преобразователь (рисунок 8.5) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток I, и связанную с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретает зна чение T1, а свободные концы термопары имеют температуру окружающего пространства Т2. Разность температур вызывает термоЭДС ЕT = a (T1 Т2), где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от материала термопары и ее конструкции. В установившемся состоянии вследствие тепловой инерции температура нагревателя T1 постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью.

Рисунок 8.5 – Термоэлектрические датчики Следовательно, можно написать такое равенство: I2RH = k (T1 — Т2), где k — коэффициент теплоотдачи. Исключив разность температур из данного выражения и выражения для термоЭДС, получаем ЕT=аT I2, где аT = aRH/k — коэффициент пропорциональности;

RH — сопротивление нагревателя;

I2 — среднеквадратическое значение измеряемого тока.

Таким образом, характеристика термоэлектрического преобразователя квадратичная. Нагреватель включают последовательно в разрыв измеряемой цепи, а возникающую термоЭДС подают на вход СОД, при этом шкалу последнего представляют в среднеквадратических значениях измеряемого тока.

Термоэлектрические преобразователи бывают со встроенным миллиамперметром (рисунок 8.5а) и с выходом на СОД, которые разделяются на контактные (рисунок 8.5б), бесконтактные (рисунок 8.5в) и вакуумные (рисунок 8.5г). Термопара состоит из разнородных металлов или сплавов, устойчивых при высоких температурах. Распространены пары хромель-копель, рабочая температура 600 — 800 °С, термоЭДС при 100 °С — 6,95 мВ. В образцовых термопреобразователях применяется пара платина — платинородий, работающая при температуре 1750 °С;

термоЭДС при °С — 0,64 мВ.

Главное достоинство датчиков этого типа (в отличие от датчиков в п.

8.2.4.1) – независимость от формы тока.

8.2.5 ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ 8.2.5.1 В подавляющем случае в РЭА используются в качестве датчиков температуры термометры сопротивлений. измерениях температур в диапазоне от абсолютного нуля и до 1000 °С. Действие термометров сопротивления основано на том, что электрическое сопротивление металлов изменяется одновременно с изменением температуры. Удельное сопротивление металла определяется по формуле =, n eµ где п — число свободных электронов в единице объема;

е — заряд электрона;

µ — подвижность электрона, характеризуемая его скоростью в поле, имеющего напряженность 1 в/см.

Удельное сопротивление металлов достаточно мало: =10-5—10-6 Ом/см, что объясняется высокой концентрацией электронов, не зависящей от температуры. При высоких температурах зависит от колебаний кристаллической решетки металла, то есть, определяется подвижностью электронов. При изменении температуры подвижность электронов изменяется. Подвижность электронов зависит также от концентрации примесей в металле. Поэтому удельное сопротивление достаточно чистых металлов 1– медь, 2 – платина, 3 – индий можно представить в виде:

Рисунок 8. =о + (Т), где о не зависит от температуры. При понижении температуры до 30 — К сопротивление металлов уменьшается почти линейно, то есть (Т) = kT, а при Т 0 К оно становится пропорциональным Т5. На рисунке 8. приведены характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления.

Наиболее часто для термометров сопротивления используется чистая платина. Эти термометры применяются для измерений температур до 20 К.

Платина химически инертна и обладает высоким удельным сопротивлением, зависимость от температуры которого линейна до 60 К.

В настоящее время в промышленности нормализованы только термометры сопротивления из платины и меди (ГОСТ 6651—94):

ТСП — термометр сопротивления платиновый;

ТСМ — термометр сопротивления медный.

В зависимости от целей применения медные и платиновые термометры сопротивления выпускаются герметичными и негерметичными.

Промышленные медные термометры сопротивления применимы в диапазоне температур от минус 50 °С до +180 °С. Платиновые термометры — в диапазоне от минус 200 °С до +500 °С. Термометр сопротивления является самым точным чувствительным элементом из числа применяемых для измерений температур. Он позволяет измерять температуру с точностью до 0,001 °С. Термометр сопротивления обладает наибольшей надежностью при измерениях высоких температур. Основным недостатком этих термометров являются большие габариты, препятствующие применению их при измерениях температур в малых объемах. Для последних обычно используют термисторы.

8.2.5.2 Полупроводниковые измерители температур (термисторы) Сопротивление полупроводников, в противоположность металлическим термометрам, увеличивается с понижением температуры. В общем, проводимость его зависит от концентрации и активности дырок и электронов, которые с понижением температуры уменьшаются. На рисунке 8.7 приведены зависимости удельного сопротивления от температуры для платины 2, серебра 1, германия 3 с небольшим количеством примесей, а также для термистора 4. Из приведенных кривых видно, что удельное сопротивление полупроводниковых материалов может возрастать на несколько порядков при даже небольшом понижении температуры. Промышленность в настоящее время выпускает следующие типы термисторов: КМТ-1, КМТ-4, ММТ-4, ММТ-6, ТОС-М. Материалами для изготовления термисторов Рисунок 8.7 служат: медномарганцевые и кобальто-мар марганцевые соединения. Термисторы изготовляются в виде стержней (ММТ-1, КМТ-1 и других), а также в виде дисков (ТОС-М) или шариков. В результате небольших габаритов и малой теплоемкости термисторы обладают меньшей постоянной времени по сравнению с другими термометрами сопротивления. Диапазон измеряемых температур составляет от минус 60 °С до +180 °С. Термисторы позволяют измерять температуру с точностью до 0,0005 °С.

8.3 Вопросы для самопроверки 8.3.1 Перечислите основные типы датчиков, используемых в РЭА.

8.3.2 Назовите основные типы и параметры датчиков угла положения.

8.3.3 Принцип действия датчиков постоянного тока и напряжения?

8.3.4 Принцип действия датчиков переменного тока и напряжения?

8.3.5 Принцип действия и назначение термоэлектрических датчиков?

8.3.6 Типы и принцип действия датчиков температуры?

8.3.7 Типы термометров сопротивлений и их характеристики?

8.3.8 Назовите основные типы термисторов и их характеристики.

8.3.9 Каковы условия применения термосопротивлений и термисторов?

9 Измерительные преобразователи и устройства отображения 9.1 Измерительные преобразователи 9.1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ В автоматизированных системах сбора и обработки данных (СОД) измерительными преобразующими устройствами (преобразователями) называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют функций измерения контролируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на регулирующий орган или управляемый объект. Преобразующие устройства (ПУ) являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентным преобразованием величины одной физической природы в форму, более удобную для формирования с целью согласования устройств, различающихся по виду энергии на выходе одного и входе другого устройства (например, термистор – АЦП).

Преобразующее устройство может рассматриваться как пассивный электрический или обобщенный четырехполюсник (линейный или нелинейный), имеющий вход и выход.

Электрический четырехполюсник (ЭЧ) рассматривается как расчетная модель ПУ, на входе и выходе которого действуют электрические сигналы.

Обобщенный четырехполюсник (ОЧ) — расчетная модель ПУ, на входе и выходе которого действуют различные комбинации физических сигналов и воздействий (например, угловое перемещение в виде изменение резистора на входе – электрический сигнал в виде напряжения на выходе).

9.1.2 НАЗНАЧЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Назначение и применение преобразующих устройств в ИУВС определяются двумя требованиями.

Во-первых, ПУ предназначаются для эквивалентного преобразования сигнала без изменения-вида энергии или его физической природы на входе и выходе преобразователя. Эквивалентность преобразования, а также погрешности, связанные с таким преобразованием, могут быть оценены по спектральным характеристикам входного и выходного сигналов.

Во-вторых, преобразующее устройство предназначается для согласования двух устройств ИУВС: датчика и АЦП - при эквивалентном преобразова нии сигналов на входе и выходе преобразователя, различных по своей физической природе. Соответствие между этими сигналами также оценивается по их спектрам.

Общая оценка выполнения рассмотренных выше требований связано со следующей особенностью ИУВС. Выходные сигналы широкого класса изме рительных устройств — датчиков первичной информации — являются электрическими, имеющими низкочастотный амплитудный спектр.

Следовательно, преобразованный сигнал должен соответствовать классу точности датчиков во всем диапазоне частот: от нулевого значения - до некоторой граничной частоты амплитудного спектра.

9.1.3 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА Основу преобразователей ОЧ составляют операционные инструментальные усилители (ОУ), которые могут быть реализованы как в интегральном исполнении, так и в комбинационном. ОУ могут быть реализованы как по схеме усилителя постоянного тока – с соответствующей балансировкой для устранения напряжения смещения на входе ОУ (ошибки), так и по схеме «модулятор-демодулятор» (МДМ). Реализация ОУ по схеме МДМ позволяет практически исключить напряжение смещения и также дрейф нуля, приведенные к входу ОУ. При этом ОУ выбирают так, чтобы его параметры не влияли на согласование входных, выходных и передаточных характеристик ЭЧ, то есть не позволяли суммарной погрешности ОЧ выйти за пределы погрешности датчика.

При выполнении указанных условий ОУ всегда можно воспринимать с видом и параметрами, представленными на рисунке 9.1.

Рисунок 9.1 – Вид и параметры идеализированного ОУ Для преобразования тока в напряжение используется ПУ, упрощенная схема которого приведена на рисунке 9.2а. Поскольку разность потенциалов между прямым и инверсным входом ОУ равна нулю, то очевидно, что входное сопротивление ЭЧ равно нулю (идеальный случай для амперметра).

Поскольку IBX=IOC=-UВЫХ/R, то коэффициент передачи ЭЧ, который в данном случае является источником напряжения, управляемого током (ИНУТ):

K= UВЫХ/ IBX= R.

Если датчик тока требует применение шунта, то в этом случае ЭЧ должен обеспечивать входное сопротивление RА (рисунок 8.2а). Упрощенная схема подобного ЭЧ приведена на рисунке 9.2б. Здесь диоды V1 и V2 служат для защиты ОУ по входу.

Коэффициент K передачи данного ЭЧ определяется так же, как и в первом случае (рисунок 9.2а).

а б Рисунок 9.2 – Схемы ИНУТ 9.1.4 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Если напряжение снимается непосредственно с рабочих точек контролируемого объекта, то в этом случае используется просто масштабирующий усилитель (рисунок 9.3а) с коэффициентом KU.

Если измерение напряжения требует делителя, то схема (рисунок 9.3б) ОЧ должна содержать элемент делителя (рисунок 8.2б) RV. Кроме этого, в данную схему для защиты ОУ по входу по сравнению со схемой 9.3а включают диоды V1 и V2 и токоограничительный резистор R3. При этом коэффициент передачи KU определяется как в предыдущем случае (рисунок а б 9.3а).

Рисунок 9.3 – Масштабирующие усилители 9.1.5 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ УГЛОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В числе датчиков измерения углового перемещения в РЭА наиболее часто используются резистивные, поэтому наибольший интерес представляет схема ОЧ для резистивного датчика. В упрощенном виде она представлена на рисунке 9.4. Резистор-датчик угла поворота R через разъем х1 подключен параллельно к источнику измерительного тока IR и входу масштабирующего усилителя с коэффициентом KU. Поскольку UВХ = IR R, то коэффициент передачи K ОЧ определяется достаточно просто:

K= UВЫХ/ R= KU UВХ/ R= IR KU.

Рисунок 9.4 Обобщенный четырехполюсник с функцией UВЫХ =f(R) 9.1.6 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЙ Как уже указывалось в разделе 8 (п.8.2.5.1), термометры сопротивлений обладают хорошей проводимостью (в отличие от обычных резисторов), поэтому предыдущая схема (рисунок 9.4) совершенно не подходит, так как погрешность, вносимая проводниками, с помощью которых резистор-датчик подключается к масштабирующему усилителю, в несколько раз будет превышать погрешность термометра сопротивлений.

Для обеспечения нулевого начала шкалы измерений термометр сопротивлений Rt° включают в плечо сбалансированного моста, одна диагональ которого запитывается током IM, а с выводов другой диагонали снимается падение напряжения рассогласования моста – в случае изменения Rt° (рисунок 9.5). Для исключения влияния проводников подключения lrЛ и lrП они должны:

1) выбираться одинаковой длины и из одного материала, 2) включаться для компенсации их влияния в соседние плечи моста (рисунок 9.5).

Рисунок 9.5 – Мостовая схема включения термометра сопротивлений Условия начальной балансировки моста приведены на рисунке 9.5.

Rt° Напряжение рассогласования, вызванное приращением терморезистора Rt°, подается на масштабирующий усилитель с коэффициентом усиления KU. Поскольку ток моста IM при сбалансированном мосту делится поровну между левой и правой ветвями моста, то коэффициент передачи ОЧ, который выводится как в пункте 9.1.5, будет определяться выражением:

K=UВЫХ /Rt° = (IM/2) KU.

9.1.7 НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Класс нелинейных преобразователей существует для реализации самых различных функций: «выпрямления», то есть получение абсолютного (положительного или отрицательного) значения функции;

перемножения сигналов;

логарифмирования и антилогарифмирования сигналов;

и тому подобное.

В пределах изучаемой тематики интерес для изучения представляет нелинейный преобразователь–выпрямитель (НПВ), необходимый для согласования источника измерительного переменного напряжения и АЦП.

Упрощенная схема НПВ представлена на рисунке 9.6а.

Рисунок 9.6 – Схемы выпрямителей переменного напряжения Коэффициент передачи каскада – инвертирующего усилителя с нелинейной обратной отрицательной связью через нелинейное сопротивление RНОС. Коэффициент передачи такого каскада определяется выражением K=- RНОС / RВХ.

Если пренебречь падением напряжения на открытом диоде (то есть считать его внутреннее сопротивление RД =0) и токами утечки при зарытом диоде (RД=), то - для положительного напряжения на входе коэффициент передачи K+=- RНОС/ RВХ=-0/ RВХ=0;

- для отрицательного напряжения на входе коэффициент передачи K-=- RНОС/ RВХ=- RОС /RВХ.

Получили однополупериодный выпрямитель.

На практике идеальных диодов не бывает, да и эффективность однополупериодного выпрямителя не высока, поэтому высокоточные НПВ – это обычно двухполупериодные НПВ с компенсирующим диодом. На рисунке 9.6б представлена упрощенная схема такого НПВ.

Первый каскад – собственно сам НПВ. Но напряжение с него снимается через компенсирующий диод V2, параметры режима которого идентичны параметрам режима V1 (происходит вычитание ошибки, внесенной V1).

Второй каскад является сумматором-инвертором, который суммирует входной сигнал и его инверсный полупериод с НПВ в пропорции 1:2, в результате чего выходное напряжение UВЫХ при «выпрямлении»

гармонического сигнала UВХ = Umcost будет представлять собой последовательность полупериодов с удвоенной частотой 2 одной полярности:

UВЫХ(t) =-|Umcost |.

9.1.8 Фильтры для нелинейных преобразователей Фильтры, используемые в ИУВС РЭА, разделяют по назначению (хотя функционально они могут и не различаться). Фильтры, используемые в СОД, служат решению проблем помехоустойчивости с требуемой точностью аппроксимации амплитудно-фазового (чаще всего только амплитудного) спектра. Фильтры, входящие в состав преобразователей, наоборот, решают задачи преобразования спектра.

Простейший фильтр для решения аналогичной задачи – фильтр нижних частот (ФНЧ) представлен на рисунке 9.7а. Его функция – выделение «выпрямленного» сигнала, которая постоянной составляющей пропорциональна Um (как обратная задача – подавление всех гармоник).

б а Рисунок 9.7 – ФНЧ для НПВ Рассмотрим характеристики ФНЧ, исходя из его функции в составе высокоточного НПВ (рисунок 9.7б).

Спектр сигнала UВЫХ(t) =-|Umcost | будет иметь вид:

cn=2Umcos(n)/[(1-4n2)], откуда постоянная составляющая UВЫХ 0 = c0=2Um /, переменные:

UВЫХ 1(t) = (2/3)Umcost;

UВЫХ 2(t) = -(2/15)Umcos2t;

UВЫХ 3(t) = (2/35)Umcos3t;

… Для того, чтобы подавить гармоники UВЫХ 1(t), UВЫХ 2(t), UВЫХ 3(t),…, частота с среза ФНЧ (рисунок 9.7б) должна удовлетворять условию:

сkП, где kП – коэффициент подавления гармоник (оценивается по первой как самой ощутимой). При этом коэффициент передачи фильтра по постоянной составляющей определяется выражением:

Kфнч0= UВЫХ 0 / Um=2/.

9.2 Устройства отображения информации в ИУВС Устройства отображения информации (УОИ) предназначены для вывода необходимых сведений о состоянии системы и объекта.

В настоящее время устройства отображения информации весьма развиты и имеют в своем составе:

- электронно-лучевые трубки (ЭЛТ);

- газоразрядные индикационные панели;

- цифровые и буквенно-цифровые индикаторы на полупроводниках (светодиодах);

- цифровые и буквенно-цифровые индикаторы на жидких кристаллах.

Состав УОИ определяется задачами ИУВС, объемом и характером одновременно выводимой для отображения информации. УОИ, как правило, не предусматривают непосредственное подключение к результирующим точкам контроля. Их подключение осуществляется аппаратно (через систему регистров и дешифраторов) или, что чаще всего, посредством программных и аппаратных средств микропроцессорных систем.

Наиболее сложным средством отображения информации является дисплей на основе ЭЛТ, построенный по принципу телевизионного приемника.

Остальные указанные средства отображения являются средствами прямого преобразования информации, представленной кодами изображения, в соответствующее им изображение. Современные средства отображения, как правило, компактны, миниатюрны и производятся в корпусах, аналогичных корпусам интегральных микросхем.

9.3 Вопросы для самопроверки 9.3.1 Что такое – эквивалентное преобразование?

9.3.2 Что такое – электрический четырехполюсник?

9.3.3 Что такое – обощенный четырехполюсник?

9.3.4 Основная схема и назначение ИНУТ?

9.3.5 Назначение и основная схема МУ?

9.3.6 Какова схема включения термометра сопротивлений?

9.3.7 Основная схема и назначение НПВ?

9.3.8 Какие требования предъявляются к ФНЧ в составе НПВ?

9.3.9 Перечислите основные узлы и элементы отображения информации.

10 Устройства связи с объектом. Коммутаторы Функциональный состав узлов, составляющий основу устройства сопряжения с объектом (УСО), существенным образом зависит от уровня интеллекта системы, собирающей и обрабатывающей информацию об объекте и управляющей режимами этого объекта. Поскольку все современные ИУВС выполняются на основе микропроцессорных систем, то подавляющая часть функций УСО выполняется программным путем. При этом на долю УСО остаются только функции коммутации (под управлением микропроцессорной системы) цифровых и аналоговых каналов ввода и вывода, а также преобразование входных (информационных) аналоговых величин в цифровой код (АЦП) и наоборот – преобразование цифрового кода в аналоговые (управляющие) величины (ЦАП).

Следовательно, для изучения функционального состава узлов, составляющих УСО, достаточно ограничиться следующими узлами:

1) селекторы цифровых каналов;

2) селекторы аналоговых сигналов;

3) ЦАП;

4) АЦП.

Поскольку узлы ЦАП и АЦП в функциональном смысле являются достаточно сложными и самостоятельными устройствами, им посвящен отдельный раздел (раздел 11). В рамках данного раздела рассмотрим только коммутаторы цифровых сигналов и некоторые узлы цифроаналоговых средств сопряжения.

10.1 Коммутаторы цифровых сигналов Узлы цифровых устройств сопряжения (УЦУС) можно в соответствии с функциями ввода и вывода разбить на две группы: группа УЦУС, включаемых в состав средств ввода дискретной информации и группа УЦУС, включаемых в состав средств вывода дискретной информации.

10.1.1 МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ-СЕЛЕКТОРЫ Мультиплексор-селектор — операционный узел УСО, осуществляющий микрооперацию передачи сигнала с одного из своих входов на один выход.

На рисунке 10.1 показаны схема и функциональное обозначение стробируемого мультиплексора-селектора (или просто – мультиплексора) 155КП7 – типичного представителя этого класса приборов (ТТЛ технология).

Структура этого прибора описывается следующими уравнениями:

(10.1) Вход V мультиплексора используется для стробирования и наращивания числа входов мультиплексора. Входы а4, a2 и а1 — адресные. Двоичный код на этих входах определяет, какой сигнал Дi (например, с концевого датчика), будет передан на выход (который, в свою очередь, может быть подключен к одной из шин данных системной магистрали). Например, при а4=1, а2=0, а1=l, V=0 сигнал Д5 передается на выход, так как все остальные члены в (10.1) при этом наборе будут равны 0.

Рисунок 10.1 – Цифровой мультиплексор-селектор 8- В других случаях адресные входы обозначают с указанием степени позиции двоичного числа, а не самого числа: а4 А2, a2 А1, а1А0. И это на сегодня становится наиболее употребляемым.

Анализируя схему, нетрудно убедиться, что функционально мультиплексор состоит из двух частей: дешифратора, «вылавливающего»

одну из адресных комбинаций, и 8-и независимых 2-х входовых схем И, выполняющих роль ключа, на каждую из которых подается одна из выборок адреса с дешифратора (управление ключом) и соответствующий ей коммутируемый сигнал Дi.

10.1.2 ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ-СЕЛЕКТОРЫ (или просто – демультиплексор) — Демультиплексор-селектор операционный узел УСО, осуществляющий микрооперацию передачи сигнала с одного входа на один из нескольких выходов. На рисунке 10. показаны схема и функциональное обозначение стробируемого демультиплексора-селектора 564КП2, также типичного представителя этого класса приборов (КМОП технология). У демультиплексора-селектора адресными входами являются входы а4, a2 и а1, информационным входом у, а выходами Дi.

Наиболее часто встречающимся представителем демультиплексора другого семейства (ТТЛШ) является 555ИД7 (с инверсными выходами Дi ) Из приведенных примеров следует, что мультиплексоры и демультиплексоры решают противоположные функции и имеют общий функциональный узел – дешифратор адреса.

Рисунок 10.2 – Цифровой демультиплексор-селектор 1- Демультиплексор, с целью выдачи дискретной информации на один из элементов управления ИУВС, своим входом y обычно подключается к одной из шин данных системной магистрали микропроцессорной системы. При выводе на один из выходов демультиплексора события, данное событие на этом выходе будет существовать только на время его выдачи (длительности строба – несколько долей микросекунд). Чтобы это событие запомнить до следующего обновления состояния элемента управления, необходим элемент памяти (ЭП).

Для запоминания бита информации, выводимой из микропроцессорной системы для включения или выключения какого-либо элемента управления контролируемого объекта обычно используют D-триггер (рисунок 10.3).

Рисунок 10.3 – Интерфейсный D-триггер При этом вход D триггера подключается к соответствующему выходу демультиплексора Дi, а вход С – к стробу выдачи (системная магистраль) WR. Подобные триггеры называются интерфейсными и представлены такими ИС, как 133ТМ5, 133ТМ7 (ТТЛ логика).

Селекторные устройства для коммутации многобитных данных выполняются по той же логической схеме. Представителем таких устройств являются 4-х разрядный 2-х канальный мультиплексор 531КП11 (рисунок 10.4). Здесь:

- при А1=0 на выход мультиплексора коммутируются входы 1Х1-4Х1;

- при А1=1 на выход мультиплексора коммутируются входы 1Х2-4Х2.

Рисунок 10.4 – 4-х разрядный 2-х канальный мультиплексор 10.2 Коммутаторы аналоговых сигналов В отличие от цифровых мультиплексоров и демультиплексоров, в которых не происходит потерь информации при передаче цифровых сигналов, аналоговые мультиплексоры и демультиплексоры — более сложные устройства. Они предназначены для коммутации аналоговых электрических сигналов, в то же время их управление осуществляется посредством (цифровых) сигналов. Таким образом, аналоговые дискретных мультиплексоры и демультиплексоры по существу являются цифроаналоговыми средствами сопряжения.

10.2.1 АНАЛОГОВЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР При разработке мультиплексора основная цель состоит в том, чтобы в измерение аналогового сигнала не вносилась ошибка. Это требование может быть выполнено при использовании идеального ключа. В разомкнутом состоянии такой ключ имеет бесконечно большое сопротивление, а в замкнутом — бесконечно малое. Электромеханические переключатели наиболее близки по своим характеристикам к идеальным, однако из-за низкой скорости переключения и малого срока службы в системах ИУВС не имеют широкого распространения.

Среди полупроводниковых переключателей наилучшими харак теристиками обладают аналоговые ключи на полевых транзисторах с р-n переходом и МДП-транзисторах. Сопротивление закрытого ключа достигает тысяч мегаом, и в этом отношении он становится близким к идеальному, находящемуся в разомкнутом состоянии. По сравнению с другими полупроводниковыми ключами, как полевой транзистор с р-n-переходом, так и МДП-транзистор характеризуются полным отсутствием напряжения смещения в открытом состоянии. Открытый ключ в этом случае подобен линейному омическому резистору от нескольких десятков до нескольких сотен ом.

Динамические характеристики аналоговых коммутаторов определяются временем вкл включения. Это время для ключей на МДП-транзисторах составляет сотни наносекунд.

Следовательно, если при включении канала коммутатора сигнал на его входе изменится, то после окончания интервала вкл сигнал на выходе коммутатора будет повторять входной сигнал с некоторым запаздыванием.

При дальнейшей обработке сигнала (например, аналого-цифровом преобразовании) это запаздывание необходимо учитывать.

В таблице 10.1 приведены технические характеристики некоторых аналоговых ключей и коммутаторов в интегральном исполнении, вы пускаемых отечественной промышленностью.

Таблица 10. Основные способы подключения источников входного сигнала к аналоговому мультиплексору следующие:

1) Все аналоговые сигналы Uвхi имеют общую точку («землю»), относительно которой отсчитывается и выходной сигнал мультиплексора (рисунок 10.5а). Недостатком этого способа является незащищенность от синфазной помехи.

2) Мультиплексор имеет дифференциальные входы и соответственно два выхода (рисунок 10.5б). Следующее за подобным мультиплексором устройство должно также иметь дифференциальный вход. Достоинством усилителя с дифференциальным входом является его свойство подавлять синфазную помеху. Поэтому в тех случаях, когда измеряемые сигналы невелики, а требования к точности измерения достаточно высокие, следует применять дифференциальные схемы.

Рисунок 10.5 Схема аналогового мультиплексора с однопроводными (а) и дифференциальными (б) входами.

Структура мультиплексора на основе ключей Кл 143КТ1 приведена на рисунке 10.6. Предельная частота переключения определяется динамическими параметрами операционного усилителя и ключа.

Для построения мультиплексоров рационально использовать не отдельные ключи, а многовходовые интегральные коммутаторы, например серии 590, которые состоят из микросхем, выполненных на основе полупроводниковой КМОП-технологии. Параметры основных коммутаторов напряжения серии 590 приведены в таблице 10.1. Условное графическое обозначение мультиплексоров изображено на рисунке 10.7. Преимуществом подобных схем по сравнению с другими схемами построения мультиплексоров являются: возможность коммутации сигналов, уровень которых достигает напряжения питания (до ±15 В);

стабильность переходного сопротивления в открытом состоянии при изменении входного сигнала;

возможность расширения каналов (рисунок 10.8).

Рисунок 10.7 Условное обозна Рисунок 10.6 Структура коммутатора чение интегрального комму аналоговых сигналов 590КН6 татора аналоговых сигналов Аналоговые мультиплексоры вносят погрешности передачи аналоговых сигналов, причиной возникновения которых являются: ток утечки через закрытый канал, паразитные емкости каналов, сопротивление открытого ключа.

Токи утечки проходят как в выключенном, так и во включенном канале, и являются суммой токов соответствующих утечек, указанных в нормативных документах (таблица 10.1), а также входного тока операционного усилителя (если он используется).

Входная емкость мультиплексора небольшая (~30 пФ), поэтому практически не вносит динамических погрешностей переключения, так как источником переключаемого напряжения являются операционные усилители, охваченные отрицательной обратной связью, с выходным сопротивлением ~100 Ом. Паразитные емкости закрытого канала (~70 пФ) и переходное сопротивление открытого канала образуют RС-цепь, постоянная =RС которой для многовходовых мультиплексоров может быть достаточно большой.

Токи утечки закрытого канала, примерно равные 50 нА, вызывают в многоканальном мультиплексоре падение напряжения на сопротивлении открытого канала ~155 мкВ и практически не вносят погрешностей передачи сигнала, однако они неприемлемы для коммутации сигналов милливольтового диапазона.

10.2.2 СХЕМЫ ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ В случае демультиплексирования аналогового сигнала, как и в случае с цифровым сигналом, сигнал на одном из выходов существует только на интервале его выдачи, и его необходимо запомнить до следующей выдачи (обновления), чтобы сформировать непрерывный (аналоговый) сигнал на соответствующем канале управления элементом контролируемого объекта.

Для запоминания изменяющихся аналоговых сигналов на время преобразования, коммутации и других операций в системах сбора информации используют схемы выборки-хранения (рисунок 10.9а, на котором Кл — ключ).

Элементом памяти схемы выборки-хранения является конденсатор С, подключаемый на время выборки к источнику сигнала. Основные параметры этого устройства: время выборки, апертурное время и максимальное время хранения.

Время выборки ограничено снизу постоянной времени цепи заряда з=RзС и требуемой точностью запоминания, а сверху — скоростью изменения запоминаемого аналогового сигнала. Сопротивление цепи заряда Rз=Rвых+Rотк, где Rвых — выходное сопротивление источника сигнала;

Rотк — сопротивление открытого ключа.

С момента снятия команды «Упр.» до размыкания ключа проходит некоторое время, называемое апертурным. В течение апертурного времени амплитуда запоминаемого напряжения не определена, поэтому в зависимости от требуемой точности запоминания и максимальной частоты переключаемого сигнала на апертурное время накладываются ограничения.

Рисунок 10.8 Структура Рисунок 10.9 Схемы коммутатора сигналов выборки-хранения Когда устройство переходит в режим хранения, некоторая часть заряда утекает с конденсатора С через межэлектродную емкость ключа. Связанное с этим зарядом изменение напряжения на конденсаторе называют погрешностью сдвига уровня при переходе в режим хранения.

В режиме хранения максимальная длительность времени хранения сигнала ограничивается сверху разрядом конденсатора С, обусловленным входным током операционного усилителя, дрейфом нуля усилителя, конечным значением входного сопротивления операционного усилителя, токами утечки ключа.

При необходимости развязки источника сигнала от входа схемы выборки хранения можно воспользоваться схемой с повышенной точностью, представленной на рисунке 10.9б, которая обладает высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом подавления синфазных и сдвиговых погрешностей.

10.3 Вопросы для самопроверки 10.3.1 Перечислите состав УСО.

10.3.2 Опишите функции цифрового мультиплексора.

10.3.3 Опишите функции цифрового демультиплексора.

10.3.4 Какие элементы используются в качестве устройства выборки хранения дискретных сообщений?

10.3.5 Опишите функции и особенности аналоговых коммутаторов.

10.3.6 Какие элементы и схемы используются в качестве устройства выборки-хранения аналоговых сигналов?

10.3.7 Что такое – апертурное время?

10.3.8 Какими параметрами характеризуются устройства выборки хранения аналоговых сигналов?

11 ЦАП и АЦП как составные части УСО 11.1 ЦАП 11.1.1 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЦАП Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) — функциональный узел, од нозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значения аналогового сигнала. Основой для нахождения однозначного соответствия может служить напряжение на выходе ЦАП (11.1) где E0 — опорное напряжение;

{Хi}N — цифровой код;

Xi принимают значения «0» или «1». При определенном значении E0 каждому Xi на выходе устройства соответствует напряжение Uвых.

В цифроаналоговых преобразователях используют три основных двоичных кода: прямой, смещенный, дополнительный. Графики соот ветствия цифровых кодов Хвх и аналогового напряжения Uвых при прямом (а), смещенном (б) и дополнительном (в) кодах показаны на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1 - Графики соответствия цифровых кодов и выходных напряжений Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде. Этот код удобен при преобразовании сигналов следящих систем, так как при переходе через нуль не меняются старшие разряды кода, что позволяет реализовать линейный переход от малых положительных к малым отрицательным выходным напряжениям. Для преобразования как положительных, так и отрицательных кодов используют знаковый разряд, который управляет переключением выходного напряжения ЦАП.

Для исключения коммутирующих элементов из схемы ЦАП используют смещенный код, являющийся наиболее простым для реализации в схеме преобразователя.

При применении положительные числа дополнительного кода преобразуются так же, как для прямого кода, а отрицательные — двоичным дополнением соответствующего положительного числа (инверсия всех разрядов с последующим добавлением единицы в младший разряд).

Из таблицы 11.1, соответствующей рисунку 11.1, видно, что прямой код дает возможность использовать в два раза большее разрешение по сравнению со смещенным и дополнительным кодами.

Базовая схема ЦАП, реализующего выражение (11.1), показанная на рисунке 11.2а, содержит источник опорного напряжения Е0, матрицы двоично-весовых резисторов, набор ключей и дифференциальный операционный усилитель. Основные недостатки этой схемы определяются необходимостью применения резисторов с большим диапазоном номиналов, например 1R—1024R для 10-разрядного ЦАП.

Таблица 11. Прямой код Смещенный код Дополнительный код Хвх Хвх Хвх ±Uвых,В ±Uвых,B ±Uвых,B 0000 0,000 0000 —8,00 0111 0001 0,500 0001 —6,93 0110 0010 1,000 0010 —5,87 0101 0011 1,500 0011 -4,80 0100 0100 2,000 0100 —3,73 0011 0101 2,500 0101 -2,67 0010 0110 3,000 0110 -1,60 0001 0111 3,500 0111 —0,53 0000 1000 4,000 1000 0,53 1111 — 1001 4,500 1010 1,60 1110 — 1010 5,000 1010 2,67 1101 - 1011 5,500 1011 3,73 1100 — 1100 6,000 1100 4,80 1011 - 1101 6,500 1101 5,87 1010 — 1110 7,000 1110 6,93 1001 - 1111 7,500 1111 8,00 1000 — Рациональным способом уменьшения количества номиналов резисторов является использование резистивной (лестничной) матрицы R—2R, изображенной на рисунке 11.2б.

Выражение (11.1) реализуется схемой ЦАП (рисунок 11.2а) непосредственно, так как соотношение Roc/Ri равно весу соответствующего хi.

Схема ЦАП на основе матрицы R—2R также реализует выражение (11.1). Так как потенциал суммирующей точки операционного усилителя равен нулю, то, анализируя эквивалентную схему на рисунке 6.2а, можно записать для точки а где Ki — коэффициент передачи Е0 в точку а от разряда цифрового кода с соответствующим индексом.

Рисунок 11.2 – Схемы ЦАП: а) с двоично-весовыми резисторами;

б) на основе резистивной матрицы R-2R Значения коэффициентов можно определить, изменяя конфигурацию эквивалентной схемы, при условии равенства единице только одного разряда цифрового кода (метод наложения э.д.с). На рисунке 11.3 приведена эта матрица.

Рисунок 11.3 - Схемы резистивной матрицы R—2R Из рисунка 11.3 следует, что ЦАПы, представленные на рисунке 11.2, обладают одним существенным эксплуатационным недостатком: при переключении различных кодовых комбинаций (особенно типа 0111…1111000…000) в матрице в мгновение происходит микромощное перераспределение токов, в результате чего схема излучает помеху. Поэтому все современные ЦАПы в интегральном исполнении по каждому хi коммутируют 0 В или … опять 0 В – вместо Е0.

Схема одного из них, десятиразрядного ЦАП 572ПА1, приведена рисунке 11.4. Здесь также используется резисторная сетка R—2R. Но в данном случае она питается непосредственно от источника опорного напряжения Е0=UR и вырабатывает двоично взвешенные поступающие на МОП токи, переключатели S1—S10. С выходов ЦАП получаем два тока: I1 и I2. Ток I изменяется пропорционально управляющему коду N. Ток I2 — дополняющий, определяется соотношением I2 =I0 -I1, где I0 =const и является максимальным значением тока I1. У разных экземпляров ЦАП I0 может лежать в диапазоне от 0,5мА до 2 мА.

Рисунок 11.4 - Схема ЦАП 572ПА ИНУТ на ОУ А1 преобразует ток I1 в выходное напряжение Uвых1 (с инверсией). Если цифро-аналоговый преобразователь дополнить еще одним операционным усилителем (А2) и резисторами R2=R3 (инвертирующий повторитель), то напряжение Uвых2 на выходе А2 будет изменяться пропорционально двоичному числу N.

11.1.2 ПАРАМЕТРЫ ЦАП Параметры интегральных ЦАП, характеризующие их качество,— это число разрядов п управляющего кода, номинальный выходной ток Iвых, время установления выходного сигнала после изменения управляющего кода tуст, пш, л погрешность полной шкалы погрешность линейности, дифференциальная нелинейность л.д, погрешность дискретности.д. На рисунке 11.5 представлены кривые, поясняющие характер погрешностей ЦАП совместно с ИНУТом. Кривая Uвых.ид соединяет точки, соответствующие идеальной зависимости выходного напряжения от управляющего кода.

Кусочно-линейная кривая Uвых.р аналогичным образом представляет реальную зависимость Uвых от N. Рассмотрим основные виды погрешностей и их определение.

1) Разность Uвых.р Uвых.ид для максимального кода N — это и есть погрешность полной шкалы, соответствующей относительной погрешности пш=|Uвых.р maxUвых.ид max |/Uвых.р max.

2) Наибольшее отклонение Umax кривой Uвых.р от прямой, соединяющей крайние точки этой кривой, характеризует погрешность линейности л=Umax/Uвых.р max.

3) Дифференциальная нелинейность диф определяется как наибольшая по модулю разность единичного приращения (кванта) выходного напряжения qi и среднего значения этого приращения qср=Uвых.р/(2n – 1):

диф=|qi qср|max / Uвых.р max.

4) Погрешность дискретности (квантования).д =1/(2n – 1).

Погрешности ЦАП могут быть выражены в процентах или других относительных единицах, приведенных к концу шкалы Uвых.р, а также в до лях кванта qср. Если дифференциальная нелинейность ЦАП больше одного кванта, то зависимость Uвых.от N может быть немонотонной (рисунок 11.5).

Основные параметры рассмотренных ЦАП приведены в таблице 11.2.

Дифференциальная нелинейность для всех этих ЦАП не превышает одного кванта.

Погрешность полной шкалы, иначе говоря, погрешность неточной установки коэффициента преобразования ЦАП может достигать достаточно большого значения. В частности, для ЦАП типов К572ПА1, К572ПА2, КП08ПА1 эта погрешность может составлять ±30, ±20 и ±30 квантов соответственно. Но ее всегда можно устранить коррекцией UR.

Рисунок 11.5 – Оценка погрешностей ЦАП Таблица 11. Тип Iвых, tуст UR, В UП,B (Iп, mA) Зарубежный п микросхемы мА мкс аналог К572ПА1А 10 1 5 —17...17 +5...17(2) AD К572ПА2А 12 0,8 15 —15...15 +5(2);

+15(2) AD К594ПА1 12 2 3,5 9...11 +5......15(25);

— -15(35) К1108ПА1А 12 5 0.4 2,2...10,5 +5(15);

-15(46) HI 11.2 АЦП Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) решают задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу цифрового кода. На вход АЦП поступает аналоговый сигнал, и после определенного конечного времени ТР преобразования на его выходе появляется цифровой код.

В настоящее время разработано много различных методов аналого цифрового преобразования, например, методы последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирования и так далее. В ИУВС используются схемы преобразователей, построенных на основе пере численных методов, которые могут содержать или не содержать ЦАП.

11.2.1 АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА Схема и график работы АЦП последовательного счета приведены на рисунке 11.6. Как видно из графика, время преобразования этого типа переменное и зависит от входного аналогового сигнала, однако такт работы всего устройства Рисунок 6.15 - Структура АЦП последовательного счета (а) и временная диаграмма его работы (б).

постоянен и равен ТР = 2nТ0, где Т0 — период генератора опорных импульсов, n - разрядность счетчика и собственно самого АЦП. Работа такого АЦП не требует синхронизации, что значительно упрощает построение схемы управления. С момента поступления сигнала «Старт» на выходе АЦП с частотой 1/ТР изменяются цифровые коды результата преобразования (час тота 1/ТР — параметр, определяющий максимально допустимую частоту опроса входного сигнала).

11.2.2 АЦП ПОРАЗРЯДНОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ В многоканальных системах сбора и обработки данных (СОД) широко применяют АЦП поразрядного уравновешивания. Схема АЦП приведена на рисунке 11.7а, где РгСдв и РгВых — соответственно регистры сдвига и выхода. Схема управления этого АЦП более сложная по сравнению с АЦП последовательного счета, но время преобразования значительно меньше, так как ТР=Т0 п. Временная диаграмма работы АЦП этого типа приведена на рисунке 11.7б. С момента поступления сигнала «Старт» генератор тактовых сигналов ГТС перемещает единичный сигнал на регистре сдвига РгСдв, с регистра сдвига через схему И единица записывается в регистр выхода, если Uвх Uвых ЦАП. Если Uвх Uвых ЦАП, то в соответствующий разряд регистра выхода записывается ноль. Таким образом формируется цифровой код на выходе АЦП, начиная со старшего разряда.

Рисунок 11.7 – АЦП поразрядного уравновешивания (а) и его диаграмма (б) 11.2.3 АЦП ДВОЙНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ В АЦП двойного интегрирования используется метод предварительного преобразования напряжения во временной интервал, а затем измерения временного интервала. Преобразователь «напряжение — временной интервал» строится на основе интегратора, так как при постоянном входном напряжении выходное напряжение интегратора — линейная функция времени:

На рисунке 11.8 приведены схема и график работы АЦП двойного интегрирования. На первом этапе преобразования на вход интегратора через входной коммутатор подается напряжение Uвх, В течение фиксированного времени Т1 = N1TСЧ, где N1 – некоторое фиксированное целое число, TСЧ – период счетных импульсов, реализуется первое интегрирование, в результате которого на выходе интегратора устанавливается напряжение, пропорциональное Uвх :

Uвых max=UвхТ1 /(RC)= Uвх N1TСЧ /(RC).

На втором этапе преобразования на вход интегратора подключается Е0, знак которого противоположен знаку Uвх, и напряжение на выходе интегратора изменяется от Uвых max до 0 в течение Т2=NхTСЧ= UвхN1TСЧ / Е0.

При достижении на выходе интегратора нулевого уровня «нуль компаратор» прекращает поступление тактовых импульсов на вход счетчика результата, и на выходе счетчика регистрируется выходной код Nх= UвхN1 / Е0.

Высокая точность достигается независимостью Nх от значений RC и TСЧ.

Данный тип АЦП является самым медленным из трех рассмотренных типов, но зато – самым точным (то есть, имеющим наименьшую погрешность преобразования).

Рисунок 11.8 - Структура АЦП двойного интегрирования (а) и временная диаграмма его работы (б).

11.2.4 АЦП ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ Самым быстрым является АЦП с параллельным кодированием (параллельного действия). Этот метод заключается в следующем: входное напряжение (рисунок 11.9) подается одновременно на первые входы каждого из n компараторов, а их вторые входы подключены к п источникам опорных напряжений. На выходе компараторов формируется заполняющий код, число единиц которого прямо пропорционально входному напряжению UВХ. Шифратор (комбинационная схема), подключенный к выходу компараторов, формирует выходной цифровой сигнал в соответст вии, например, с таблицей 11.3.

Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме времени запаздываний компараторов и шифратора. Если взять компараторы типа NE521 и шифратор типа 74148, можно получить типовое значение времени задержки менее 20 нс. Параллельные преобразователи, выпускаемые промышленностью, имеют от 16 до 256 уровней квантования (от 4 до разрядов выходного кода). При большем числе разрядов АЦП становятся черезмерно дорогостоящими и громоздкими. Например, ИС КП07ПВ1, представляющая 6-и разрядный АЦП параллельного действия, содержит компаратора (26—1) и схему дешифратора на 63 входа. ИС позволяет преобразовать входной аналоговый сигнал в двоичный прямой, двоичный обратный, прямой дополненный и обратный дополненный коды – в зависимости от заданного типа перекодировки. Время преобразования не превышает 0,1 мкс.

Рисунок 11.9 – АЦП параллельного действия Таблица 11.3 – Перекодировка кодов АЦП параллельного действия Входной код (заполняющий) Выходной код (двоичное число) 00000000 00000001 00000011 00000111 00001111 00011111 00111111 01111111 Погрешности АЦП определяются, как и для ЦАП, только, естественно, со сменой осей (рисунок 11.10).

Рисунок 11.10 – Оценка погрешностей АЦП Ниже приведены характеристики основных ИС АЦП (таблица 11.4). Из таблицы видно, что наравне с относительной погрешностью используется погрешность приведенная к числу младших значащих разрядов (МЗР). Это значит, что указанные разряды поглощают погрешность АЦП (то есть, их состояние можно игнорировать – оно все равно не является истинным).

Таблица 11.4 – Данные основных типов АЦП Тип ИС Числ л, % л.д % п.ш. % Тпр. Uи.п. Uоп. Uвх. Iпотр. Тип о мкс В В В мА выхода (МЗР) (МЗР) (МЗР) 572П1В1А 12 0,00976 0,0488 (±3) 170 5±5% ±15 3(1) Б 0,0976 0,0976 15±1% 5(2) К572ПВ2А 8,5 (±1) 5±5% ±15 max 1, Б (±3) (±5) 5±5% К1113ПВ1 10 (1) (1) ±5% ± Б (2) (2) ±5% К1107ПВ1 16 (±1/2) (0,781) ±0,1 0,1 5±5% - -2,2- 0,2 6...0.2 30 ТТЛ 6±3% К1107ПВ2 8 (±1/2) 0,2 5±5% - -2,1 -0,1 0…-2 35(1) ТТЛ 6±3% 450 (2) К1108ПВ1 10 (0.75) (1) (8) 1 5±5% 4,096 —0,1 50(1) ТТЛ —5,2± +4,2 90(2) К1107ПВЗ 6 (±1/4) 20 НС +5,0-5,2 2,4... 2,6 60(1) ЭСЛ 2.4... 2,6 80(2) 60(ОП1) 11.3 Вопросы для самопроверки 11.3.1 Напишите основное уравнение цифроаналогового преобразования.

11.3.2 Дайте характеристику основным кодам чисел, используемых в ЦАП.

11.3.3 Назовите два основных типа матриц для ЦАП и дайте им сравнительную характеристику.

11.3.4 Назовите основные виды погрешностей ЦАП.

11.3.5 Как определяется погрешность полной шкалы?

11.3.6 Как определяется погрешность линейности?

11.3.7 Как определяется дифференциальная погрешность?

11.3.8 Как определяется погрешность квантования?

11.3.9 Назовите основные типы АЦП и дайте им сравнительную характеристику.

11.3.10 Назовите управляющие сигналы и сигналы идентификации у АЦП последовательного счета и поразрядного уравновешивания?

12 Синтез модуля ИУВС на функциональном уровне 12.1 Введение в функциональный синтез модуля ИУВС Изучение схемотехники и характеристик отдельных элементов ИУВС:

датчиков, измерительных преобразователей, коммутаторов, ЦАП, АЦП и так далее – только тогда приобретает смысл и значение, когда эти знания (как факт успешного изучения) технологически привязываются к конкретной системе или к ее созданию. Следовательно, чтобы знания приобрели практическую ценность, необходимо определить хотя бы в общих чертах технологию и параметры синтеза узлов ИУВС для РЭА, реализующих те или иные функции измерения, контроля и управления.

Под синтезом модуля ИУВС для РЭА, как и вообще под синтезом электронных и радиотехнических цепей, подразумевается расчетный процесс, обратный процессу их анализа. Целью синтеза является нахождение самого узла ИУВС в виде необходимого и достаточного (датчиков, измерительных преобразователей, набора элементов коммутаторов, ЦАП, АЦП, регистров и так далее) и установления электрических соединений между ними для формирования или передачи аналоговых или дискретных сигналов.

Процесс синтеза узла ИУВС можно подразделить на два этапа:

1-й этап – функциональная аппроксимация — составление по заданным параметрам ИУВС функциональной схемы, удовлетворяющей условиям физической осуществимости;

функциональная схема отличается от принципиальной электрической схемы тем, что здесь не указываются неинформативные элементы и связи;

2-й этап – реализация — построение по функциональной схеме принципиальной электрической схемы с данными всех физически осуществимых элементов, а также монтажно-электрической схемы (монтаж соединений, расположение элементов).


В данном разделе рассматриваются прежде всего задачи функциональной аппроксимации, так как именно они позволят достичь цели, обозначенные в начале раздела, в то время как второй этап синтеза связан, в основном, с проектно-конструкторскими работами.

При этом важно знать, что если решение задачи анализа всегда существует, и анализ дает единственное решение, то при решении задач синтеза дело обстоит весьма неоднозначно.

Решение задачи функциональной аппроксимации не является единственным — нужно помнить, что можно найти множество различных функциональных решений с параметрами, лежащими в допустимых или заданных границах.

Причем, физическая реализация полученного в результате функциональной аппроксимации решения также не имеет единственного решения. Можно всегда найти еще несколько эквивалентных технических решений устройства, имеющих одни и те же характеристики.

Следовательно, если решение существует, то оно не единственное. И тогда из ряда возможных технических решений необходимо выбрать такое, которое обеспечит получение устройства узла ИУВС, удовлетворяющего практическим требованиям в отношении его вида и минимального числа элементов, конфигурации схемы и тому подобное. Следует отдавать предпочтение такому решению задачи функциональной аппроксимации, которое дает функции узла ИУВС приемлемой конфигурации, реализуемого с наименьшим числом элементов. Приведенное соображение показывает, что оба указанных выше этапа синтеза тесно связаны — при решении задачи функциональной аппроксимации необходимо учитывать возможности техники реализации, то есть, современное состояние элементной базы.

Последний вывод должен неизбежно привести еще к одному заключению, что в некоторых случаях могут быть заданы такие функции или параметры узла ИУВС, которые нельзя получить с помощью устройства нужного вида и конфигурации. Это означает, что поставленная задача синтеза не имеет решения. Следовательно, решение задачи синтеза не всегда существует.

Таким образом, постановка задачи синтеза узлов ИУВС непосредственно связана с постановкой задачи их проектирования и должна соответствовать последней – синтез является основой научного проектирования. Как и при всяком проектировании, практические соображения (в том числе, и экономические) играют решающую роль в оценке достоинств решения поставленной задачи.

Необходимо отметить, что понятия синтеза и проектирования не эквивалентны. Методы синтеза дают варианты решений. Процесс выбора наилучшего из них в том или ином смысле, в том числе, по техническим условиям, относится к проектированию.

При постановке задачи синтеза узла ИУВС, при общей ориентации на выше изложенные положения и рекомендации синтеза, нужно иметь ввиду, что эффективность технического решения осуществления узла ИУВС всегда надо искать в оптимальном сочетании других известных технических решений, что существенно упростит задачу синтеза, сделает ее менее многовариантной. И, как следствие, будет проще и прозрачнее методика расчета схемы, которой должно завершаться решение задачи синтеза функционального преобразователя с заданными функциями преобразования параметров измерительных сигналов.

Многовариантность существенным образом зависит также и от исходных параметров синтезируемых узлов ИУВС. Очевидно, что количество их не может быть менее числа параметров, которыми, собственно, и представлен тот или иной узел ИУВС как система сбора и предварительного преобразования измерительной информации о контролируемом объекте, и как система управления элементами этого объекта.

12.2 Методика функционального синтеза модуля ИУВС При первом знакомстве с методикой функционального синтеза модуля ИУВС достаточно ограничиться синтезом микропроцессорного модуля децентрализованной ИУВС, используя традиционные способы построения его структуры (раздел 4). Рассмотрим эту методику на примере решения задачи синтеза функциональной схемы модуля ИВС РЭА (без управляющих функций).

Условие задачи:

Составить функциональную схему ИВС на основе ОЭВМ и определить основные параметры ее функциональных элементов.

Исходные данные для реализации измерения и контроля:

1) резистивный датчик угла R - 500 Ом;

2) трансформатор напряжения с коэффициентом передачи kТ1 = 0,01 для контроля переменного напряжения UП1 = 380 В, с частотой 50 Гц;

3) трансформатор тока с коэффициентом передачи kТ2 = 0,001 и сопротивлением шунта RШ = 0,5 Ом для контроля переменного тока IП1 = (0…1000)А с частотой 50 Гц;

4) постоянное напряжение UП2 = 48 В;

5) термометр сопротивления для измерения температуры в диапазоне t = tmax - tmin, с параметрами: R(tmax) = 65 Oм;

R( tmin ) = 40 Ом;

6) граничная частота ИВС fГР = 2 Гц;

7) аналого-цифровой преобразователь – 8-и разрядный, UВХ = (0…10) В;

Рабочие эталоны:

Источник эталонного напряжения Ест = 5,12 В.

Источник эталонного тока Iст = 20 мА.

Решение задачи Сначала определимся со структурой ИВС.

1) Для ввода пяти различных видов аналоговой информации необходим аналоговый мультиплексор с числом коммутируемых каналов k=5. Определяем число m разрядов адреса Аi для выбора одного из каналов по формуле 2mk2m-1:

m = 3.

2) Определяем число портов ОЭВМ с параллельным вводом-выводом. Для ввода данных с АЦП с форматом 8 бит задействуем порт Р2. Для вывода адреса А2…А0 мультиплексора и стартового импульса ST для АЦП задействуем младшую тетраду порта Р1. Для ввода бита конца преобразования END используем старший бит (ближе к флагу С) порта Р (при выводе в порт Р1 этот бит устанавливать в единицу! – особенность порта 1816ВЕ48 при настройке на ввод).

3) Выбираем структуру СОД с общим АЦП (рисунок 2.2б).

Определяемся с элементами. Главное при функциональными функциональном синтезе:

- обосновать необходимость присутствия функционального элемента;

- определить передаточный коэффициент выбранного функционального элемента.

а) Для съема параметра угла используем стандартную схему включения резистивного датчика R с использованием эталонного источника напряжения Ест (рисунок 12.1). Выходное напряжение на верхней границе шкалы UR = Ест = =5,12 В, что меньше UАЦП = 10 В (максимальное входное напряжение АЦП). Включаем между резистивным датчиком и мультиплексором масштабирующий усилитель с высокоомным входным сопротивлением (рисунок 12.1) с коэффициентом передачи КА1 = (R1+R2)/R = UАЦП/ Ест = 10/5,12 = (4,88 +5,12)/5,12. Следовательно, сопротивления R1, R2 (рисунок 12.1) должны соотносится следующим образом: R1/R2 = 4,88/5,12 (например: R1= 4,88 кОм, R2= 5,12 кОм).

Для обеспечения помехоустойчивости в области высоких частот поставим ФНЧ первого порядка. Очевидно, что проще всего его включить между резистивным датчиком и высокоомным входом масштабирующего усилителя. При этом должны быть выполнено следующее условие: RФ1R ;

Откуда RФ1 = 5 кОм.

Определяем СФ1:

СФ1 = 1/(2 fГР RФ1) = 1/(6,2825103) 16 мкФ.

б) Определим выходное напряжение UТ1 (действующее значение) с трансформатора напряжения Т1: UТ1 = UП1 kТ1 = 3800,01= 3,8 В. Для выделения постоянной составляющей необходимы два функциональных элемента: нелинейный преобразователь и ФНЧ.

В качестве нелинейного преобразователя выбираем стандартную схему (рисунок 12.1). При этом должно выполняться следующее условие: R rV1104, где rV1 – сопротивление открытого перехода диода V1. Зададимся максимальным значением выходного напряжения с нелинейного преобразователя UНЛmax=10В. Тогда коэффициент передачи по положительной огибающей КНЛmах= -UНЛmax/(20,5UТ1)= -R4/R3= 10/(1,41423,8) = 10/5, (например: R4 = 100 кОм, R3 = 53,74 кОм).

В качестве фильтра, выделяющего постоянную составляющую, выбираем стандартную схему (рисунок 12.1) ФНЧ первого порядка.

Поскольку постоянная составляющая для однополупериодного нелинейного преобразования определяется выражением UСР = Umax/, то для рассматриваемого варианта коэффициент КФНЧ передачи ФНЧ будет определяться: КФНЧ = - R6/R5 = -UАЦП/(UНЛmax/) = - 103,1415/10 = - 3, (например: R6 = 314,15 кОм;

R5 = 100 кОм). Учитывая, что граничная частота fГР = 2 Гц 50 Гц, выбираем ее в качестве частоты среза ФНЧ, и определяем выражение для С1: С1 = 1/( 2 fГР R6) = 1/(6,282R6). Например, при R6 = 314,15 кОм: С1 = 1/(6,282314,15103) = 0,25 мкФ.

в) Определим падение напряжения UТ2 (действующее значение) на шунте RШ, подключенного к выходу трансформатора тока Т2: UТ2 = IП1 kТ2 = 10000,0010,5= 0,5 В. Для выделения постоянной составляющей необходимы функциональные элементы: нелинейный преобразователь и ФНЧ.

В качестве нелинейного преобразователя (НП), как и в предыдущем случае, выбираем стандартную схему (рисунок 12.1). При этом должно выполняться следующее условие: R4 rV2104, где rV2 – сопротивление открытого перехода диода V2. Зададимся максимальным значением выходного напряжения с НП: UНЛmax=10В. Тогда коэффициент передачи по положительной огибающей КНЛmах=-UНЛmax/(20,5UТ2)= -R8/R7= -10/(1,41420,5) = 10/0,7071 (например: R4 = 100 кОм, R3 = 7,071 кОм).

В качестве фильтра, выделяющего постоянную составляющую, выбираем, как и в предыдущем случае, стандартную схему (рисунок 12.1) ФНЧ первого порядка. Поскольку по всем параметрам он адекватен предыдущему ФНЧ, то берем его со всеми полученными соотношениями по коэффициенту передачи и частоте среза: R10 = R6, R9 = R5, C2 = C1.

г) Для контроля постоянного напряжения UП2 = 48 В, которое больше UАЦП = 10 В, необходим делитель напряжения RД1, RД2 (рисунок 12.1).

Определяем коэффициент передачи kД делителя: kД = RД2/( RД1 + RД2) = 10/ =10/(10+38), откуда следует: RД1/RД2 =38/10 (например: RД1= 38 кОм;

RД2 = кОм).

На делителе реализуем ФНЧ с частотой среза, равной 2 Гц.. Величину СФ2 нужно рассчитывать по следующей формуле: СФ2 = 1/{2fГР[RД1RД2/(RД1+RД2)]}. Например, при RД1 = 38 кОм;

RД2 =10 кОм:

СФ2 = 1/{6,282[3810103/(38+10)]} 10 мкФ.

Для исключения влияния достаточно большого выходного сопротивления делителя на погрешность передачи канала включаем между делителем и мультиплексором повторитель напряжения на элементе А4.


д) В связи с тем, что термометр сопротивления обладает маленьким (десятки Ом) сопротивлением, его необходимо включить по мостовой трехпроводной схеме (на рисунке 12.1 трехпроводное соединение не выделено). Для ослабления изменения тока, протекающего через плечо RM0, Rt, необходимо, чтобы выполнялось условие: RM1 = RM2 Rt102. Пусть RM1 = RM2 = 6,8 кОм. Тогда можно считать, что через плечо RM0, Rt течет постоянный ток IRt = 1/(1+0,001) Iст = 0,9901 Iст = 19,802 мА.

Для балансировки моста необходимо, чтобы в начальной точке температурной шкалы сопротивление RM0 = R(tmin) = 40 Ом. В этом случае напряжение выхода с моста UM(tmin) = 0 В. Определяем величину UM(tmax) в конце температурной шкалы: UM(tmax) = [R(tmax) - R(tmin)] IRt = =2519,802 10-3 = 0,495 В.

Для согласования этой величины с UАЦП = 10 В необходимо включить масштабирующий усилитель с коэффициентом усиления kA5 = UАЦП/ UM(tmax) = 10/0,495 = 20,20 = (R11+R12)/R12 = (9,505+0,495)/0,495 (рисунок 12.1), откуда R11 / R12 = 9,505 / 0,495 (например: R11 = 9,505 кОм, R12 = 495 Ом).

Рисунок 12.1 – Функциональная схема ИВС для 5-и параметров Учитывая низкоомный характер датчика температуры, можно допустить, что воздействие внешних полей в области высоких частот будет несущественным и рискнуть – не ставить ФНЧ.

е) АЦП и мультиплексор подсоединяем к портам ОЭВМ в соответствии с принятой выше структурой. Подсоединение каналов к мультиплексору осуществляем произвольно (рисунок 12.1).

На этом синтез функциональной схемы можно считать законченным.

Но при использовании микроЭВМ в составе узла ИВС функциональный синтез считается неполным, если реализация функций узла не дополняется алгоритмами ввода и предварительной обработки измерительной информации. Ограничимся примером ввода.

Допустим, необходимо составить алгоритм подпрограммы ввода (загрузки) аналоговой информации с датчика переменного напряжения в ячейку ОЗУ ОЭВМ по адресу АОЗУ=4110.

Решение задачи Составляем алгоритм ввода указанной информации. Для этого:

1) определяем адрес ААМ нужного канала мультиплексора по рисунку 12.1:

ААМ = 210 (0102);

2) составляем блок-схему алгоритма ввода измерительной информации из второго канала в 41-ю ячейку ОЗУ микроЭВМ (рисунок 12.2).

Вызов п/п Вывести адрес канала мультиплексора:

Р1.2:=0;

Р1.1:=1;

Р1.0:=0.

Подготовить АЦП (сброс АЦП):

Р1.3:= Запустить преобразование АЦП:

Р1.3:= Преобразование Нет АЦП завершено?

Д Ячейке ОЗУ с адресом АОЗУ=41 присвоить выходные данные АЦП:

М41:= Р Возврат Рисунок 12.1 – Блок-схема алгоритма ввода информации о величине UП 12.3 Вопросы для самопроверки 12.3.1 Дайте характеристику синтеза на уровне функциональной аппроксимации и реализации.

12.3.2 Может ли всегда быть реализован синтез?

12.3.3 Чем отличается синтез от проектирования?

12.3.4 В чем заключается эффективность технического решения?

12.3.5 Как можно уменьшить вариантность технических решений?

12.3.6 Что входит в задачи функционального синтеза?

12.3.7 Как должно выглядеть задание для функционального синтеза узла ИУВС РЭА?

12.3.8 Что должно быть результатом функционального синтеза узла ИУВС РЭА?

12.3.9 В какой последовательности должен происходить функциональный синтез узла ИУВС РЭА?

12.3.10 Какие основные типы измерительных преобразований реализуются в узле ИУВС РЭА?

13 Реализация и функционирование модуля ИУВС в системе измерения, контроля и управления 13.1 Типовая схема включения модуля ИУВС в систему контроля и управления Типовой микропроцессорный модуль ИУВС по существу является цифровым автоматом с минимальным числом управляющих функций оператора (эти функции связаны, главным образом, с профилактическими работами и настройкой режимов). Как уже отмечалось в разделе 3, современные системы ИУВС в подавляющих случаях строятся по децентрализованной архитектуре, с множеством микропроцессорных модулей ИУВС под управлением мощной ЭВМ, находящейся в некотором пункте контроля и управления объектом. Таким образом, чтобы ознакомиться с логически полной системой контроля и управления на основе модуля ИУВС, необходимо рассматривать его в целом составе ИУВС.

Указанные системы достаточно разнообразны и сложны, в том числе и в радиоэлектронных средствах, и при этом имеют иерархические уровни выше второго. Поэтому для комплексного изучения в качестве объекта можно выбрать, например, лабораторную установку УМК-48 (разработано в ОГУ) модели упрощенной децентрализованной трехуровневой ИУВС.

Лабораторная установка состоит из управляющей ЭВМ, функции которой выполняет ПЭВМ (IBM PC/AT), и микропроцессорного модуля ИУВС, выполненного на основе однокристальной микроЭВМ. Связь между управляющей ЭВМ и модулем ИУВС осуществляется через местную сеть с интерфейсом RS-232. Таким образом, на базе одной управляющей ЭВМ можно создать так называемый куст ИУВС, содержащий несколько модулей ИУВС, подключенных к управляющей ЭВМ через местную сеть. В свою очередь, в случае рассредоточенного объекта контроля и управления, кусты ИУВС через ЛВС (второй уровень) организуются в систему, которая представляет собой логически завершенную систему контроля и управления всем объектом в целом. Лабораторная установка является многофункциональным лабораторным комплексом и предназначена для экспериментального исследования функций ввода-вывода дискретной и аналоговой информации, ее обработку в виде решения ряда функциональных задач.

Лабораторная установка УМК-48 содержит следующие основные части (рисунок 13.1):

а) мощная ЭВМ с общей магистралью (совместимая с РС IВМ), содержащая:

- микропроцессор типа «Pentium»;

- ПЗУ и ОЗУ с контроллером памяти;

- накопитель НЖМД на жестком магнитном диске типа «Винчестер»

с контроллером управления;

- накопитель НМД на гибком магнитном диске (floppy disk) с контроллером управления;

- видеотерминал ВТ с контроллером управления (video card);

- контроллер ПрВВ параллельного ввода-вывода (обычно используется для устройства печати – принтера);

- два контроллера ПсВВ для последовательного ввода-вывода, к одному из которых подключен манипулятор типа «Mouse», к другому – с использованием протокола обмена данными RS-232 – модуль ИУВС;

- контроллер ЛВС (локальной вычислительной сети).

б) модуль ИУВС на основе однокристальной микроЭВМ (микроконтроллера) 1816ВЕ48 с параметрами:

- число вводимых релейных (дискретных) сигналов – 8;

Рисунок 13.1 – Структурная схема лабораторной установки УМК- - число выводимых релейных (дискретных) сигналов – 8;

- число вводимых аналоговых сигналов – 4;

- число выводимых аналоговых сигналов – 2.

Более подробно модуль ИУВС представлено на рисунке 13.2. Модуль ИУВС содержит следующие структурные элементы:

— микроконтроллер на базе однокристальной ЭВМ 1816ВЕ48;

— преобразователи уровня ПУ1, ПУ2;

— цифровой мультиплексор;

— резистивные датчики угла положения R1, R2;

— аналого-цифровые преобразователи АЦП1 – АЦП4;

— цифроаналоговые преобразователи ЦАП1, ЦАП2;

— узел инверторов 8-НЕ с ограничительными резисторами на выходе;

— инвертирующий усилитель ИУ для звуковой сигнализации;

— блок световых индикаторов L0 – L7;

— пьезокерамический излучатель звука ВЛ;

— стабилизатор напряжения +5В;

— преобразователь ПР напряжения «+12» «-12В».

Рисунок 13.8 – Структурная схема УСО на базе микроконтроллера 13.2 Устройство и элементная база узла ИУВС Блок модуля ИУВС на базе микроконтроллера выполнен в пластмассовом корпусе. Электрическая схема расположена на 2-х печатных платах, помещенных в корпусе.

Устройство выполнено на основе однокристальной ЭВМ (микрокомпьютера) КМ1816ВЕ48 (микросхема КМ181-6ВЕ48 является аналогом микросхемы M5L8035 LP) с внешней памятью на микросхеме К573РФ2 (ПЗУ), которая содержит программу работы микрокомпьютера. В состав устройства управления входит также программируемый 16-разрядный регистр на микросхеме КР580ВР43 (микросхема КР580ВР43 является аналогом микросхемы M5L 8243Р), посредством которого микрокомпьютер производит выдачу кодов на ЦАП1, ЦАП2 и установку-сброс световых индикаторов.

АЦП реализованы программно-аппаратным способом методом подбора через аналоговый мультиплексор двоично-весовых резисторов, образующих внутренний ЦАП, аналогичный ЦАП на рисунке 11.2а, – до момента сравнения на пороговом элементе входного напряжения и напряжения на выходе внутреннего ЦАП.

Примечание – ЦАП и АЦП выполнены с явно выраженными погрешностями, предназначенными для определения их с помощью измерительных приборов с невысокой точностью измерений.

Устройство управления световыми индикаторами представляет собой усилители тока и выполнены на микросхемах К155ЛНЗ и резисторах 560 Ом.

К выходам усилителей тока подключены индикаторы, состоящие из светодиодов АЛ307БМ, служащих для индикации состояния контролируемых параметров объекта.

Устройство управления звуковой сигнализацией выполнено на микросхеме К155ЛНЗ, к выходу которой подключен пьезокерамический акустический излучатель ВА (ЗП-3).

Для преобразования уровней сигналов из линии связи с мощной ЭВМ (канал связи RS-232) в уровни ТТЛ и наоборот служат преобразователи уровня ПУ1 и ПУ2, выполненные на микросхеме К1102ЛП1 (приемник) и микросхеме К1102АП15 (передатчик) соответственно.

Устройство работает в двух режимах:

а) в режиме постоянного преобразования АЦП1-АЦП4 и опроса их выходов (для поддержания «горячего» режима);

б) в режиме прерывания – основном режиме работы модуля ИУВС, обеспечивающем режим управления ввода-вывода между модулем ИУВС и ПЭВМ.

В режиме передачи кода из модуля ИУВС усилитель ПУ2 преобразует уровни сигналов ТТЛ в уровни, необходимые для передачи в линию связи с ПЭВМ (двухполярный сигнал размахом 8—12В).

В режиме приема входной двухполярный сигнал от ПЭВМ, пройдя формирователь ПУ1, попадает на вход запроса на прерывание INT микрокомпьютера 1816ВЕ48. При появлении уровня логического 0, соответствующего приходу старт-бита, микрокомпьютер входит в режим прерывания и считывает входную информацию по шине INT, которая представляет собой команды управления модулем ИУВС.

Для обеспечения питания микросхем в схему узла ИУВС введены стабилизатор СТ и преобразователь ПР напряжения.

Стабилизатор напряжения собран по параметрической схеме на микросхеме КР142ЕН5В. Стабилизатор выдает напряжение +5В для питания микросхем при токе нагрузки до 0,5А.

Преобразователь напряжения –12 В, необходимый для работы ПУ2, собран на транзисторном мультивибраторе и диодном выпрямителе. Он обеспечивает ток нагрузки до 40 мА. Для сглаживания пульсации и подавления импульсных помех в схему преобразователя включены конденсаторы.

Связь модуля ИУВС с ПЭВМ осуществляется по четырехпроводному кабелю через разъем. Кодовая посылка состоит из старт-бита, 8-и бит последовательного кода D0…D7, стоп-бита. Скорость приема-передачи – 4800 бит/с.

Лабораторная установка модели куста ИУВС функционирует под управлением ПЭВМ с помощью специальной программы WorkspaceDemo, составленной для среды Visual-C и являющейся многооконным интерфейсом (рисунок 13.3).

Рисунок 13.3 – Окна приема и выдачи информации Все действия по приему и выдаче информации относительно модуля ИУВС производятся в двух окнах (рисунок 13.3):

Левое окно предназначено для регистрации информации:

- в окнах АЦП, расположенных горизонтально, отображаются преобразованные значения кода в десятичном виде;

в окнах АЦП, расположенных вертикально, состояние кода отображается диаграммой;

- в окнах s0-s7 отображается состояние концевых датчиков (релейных сигналов), которые имитируются тумблерами, расположенными на панели УСО;

значок «» означает замкнутое состояние концевого датчика.

Правое окно служит для вывода аналоговой и дискретной информации:

- посредством «движков» генераторов кода ЦАП1 и ЦАП устанавливаются выходные напряжения ЦАП, при этом в окнах ЦАП индицируется десятичное значение преобразуемого кода;

- посредством выставления значка «» (с помощью «мыши») в одном из окон d0-d7 происходит вывод бита дискретной информации, который в УСО регистрируется с помощью соответствующего светового индикатора Li.

«Кнопки» «Вкл» на панелях окон служат для блокирования соответствующего приемника или источника информации.

Система постоянно поддерживает контроль местной сети. При запуске программы WorkspaceDemo, в случае успешной ее загрузки, а также обнаружения и успешной инициализации модуля ИУВС внизу экрана высвечивается зеленый кружок с именем устройства ПсВВ (порта СОМ1 СОМ4). Случай красного цвета кружка (рисунок 13.3 – «ERR») – это сообщение о нарушении связи ПЭВМ и узла ИУВС, или нарушении функционирования узла ИУВС.

Пользовательский интерфейс выстроен традиционно и реализован следующим образом.

Для работы с инструментами обработки вводимых из узла ИУВС данных необходимо открыть окно «Показания датчиков», для чего с помощью панели инструментов произвести следующие действия:

а) выполнить инструкцию «Новый»;

появится окно «Добавить окно»;

б) выбрать окно «Показания датчиков» и нажать «ОК»;

откроется окно «Показания датчиков».

Для работы с инструментами выводимых в узел ИУВС данных необходимо открыть окно «Установка выходных величин», для чего с помощью панели инструментов произвести следующие действия:

а) выполнить инструкцию «Новый»;

появится окно «Добавить окно»;

б) выбрать окно «Установка выходных величин» и нажать «ОК»;

откроется окно «Установка выходных величин».

Кроме указанных окон, программа имеет окно настройки параметров местной сети и окно встроенного интерпретатора командной строки – важней составляющей программного обеспечения куста ИУВС. Этой составляющей программного обеспечения отведен параграф в разделе 20.

13.3 Система макрокоманд управления узлом ИУВС Одной из основных задач микроконтроллера является выполнение команд, выдаваемых со стороны управляющей ЭВМ. Это набор команд может достигать нескольких тысяч, и главная задача системных разработчиков – сделать эту систему команд прозрачной и систематизированной. Если эти требования будут выполнены, то система команд будет компактной и легко синтезируемой. Например, если число команд управления УСО будет насчитывать 256, то для синтеза команд этого набора достаточно одного байта, который позволит обеспечить число комбинаций 28=256. Чтобы не путать собственные (машинные) команды микроконтроллера с командами, выполняемыми модулем ИУВС со стороны управляющей ЭВМ, последние называются макрокомандами управления. В частности, для рассматриваемого в рамках данного раздела учебного стенда эта система макрокоманд выглядит следующим образом (таблица 13.1).

Таблица 13.1 – Синтез кодов макрокоманд управления УСО (1 байт) Вид к-ды D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Приемник данных в УСО 0 0 00 Выводимые LED3....LED0 (индикаторы l3…l0) Output:

(Вывод данные в ЦАП 01 LED7....LED4 (индикаторы l7…l4) данных в или на световые 10 DAC1 (ЦАП1) УСО) индикаторы 1 1 DAC2 (ЦАП2) Вид команды D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Источник данных в УСО 0 1 000 xx x ADC1 (АЦП1) Input:

(Вывод (произвол 001 ADC2 (АЦП2) команды в УСО ьные 010 ADC3 (АЦП3) на передачу сотояния) 011 ADC4 (АЦП4) данных из 1 0 0 Keys 3..0 (переключатели s3…s0) источника УСО 1 0 1 Keys 7..4 (переключатели s7…s4) 1 1 x Not Defined (не реализовано) After Input Command Send Data (Вид ответного байта данных на команду Input):

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D 0000 D3 D2 D1 D (Данные из УСО) Вид к-ды D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Реакция УСО 1 х х х х х х1 Send Code B6h (В ответ – байт В6) Extended : х х х х 10 Beep (“бип”) (Спец. х х х 1 00 Click (звуковой щелчок) команды) х х 1 0 00 Reset (установка в исходное состояние) 13.4 Вопросы для самопроверки 13.4.1 В чем отличие и схожесть цифрового и аналогового мультиплексора?

13.4.2 Назовите основные характеристики ЦАП.

13.4.3 Назовите основные характеристики АЦП.

13.4.4 Какими особенностями характеризуется современный узел АСКУ?

13.4.5 Что такое УСО? Состав УСО?

13.4.6 Какие функции выполняет микроЭВМ в составе узла АСКУ?

13.4.7 Какие задачи решает программное обеспечение узла АСКУ на микроЭВМ?

13.4.8 Зачем нужен в составе программного обеспечения узла АСКУ встроенный интерпретатор?

13.4.9 Как связано число адресных входов с числом коммутируемых каналов у мультиплексора и демультиплексора?

13.4.10 Какие преимущества появляются при использовании ОЭВМ в узлах АСКУ?

13.4.11 Какие функции выполняет ОЭВМ в составе узла АСКУ?

С какой целью разрабатываются макрокоманды управления УСО?

14 Однокристальные микроконтроллеры 14.1 Обзор однокристальных микроЭВМ На современном этапе развития АСКУ лидирующую роль в качестве микроЭВМ имеют однокристальные ЭВМ (ОЭВМ). Это монокристаллическая структура, содержащая микропроцессор, порты, таймер, контроллер прерываний, ОЗУ, ПЗУ и другие элементы – в зависимости от назначения и фирм-изготовителей, – которые принято называть однокристальными микроконтроллерами (МС). Мировые лидеры в этой области – фирмы Siemens, Intel, Motorola и MicroChip. Независимо от фирм-изготовителей и назначения МС, все ОЭВМ по своей архитектуре и командам обработки данных очень схожи. Поэтому для изучения ОЭВМ как составной части АСКУ достаточно остановиться на любом семействе ОЭВМ.

В России выпускается семейство однокристальных ЭВМ серии 1816, архитектурно и программно совместимых с 8-и разрядными МС фирмы Intel.

Поэтому имеет смысл остановить свой выбор именно на этом семействе.

Серия К1816 включает в свой состав несколько модификаций ОЭВМ с идентичной структурой и некоторыми отличиями по быстродействию, емкости внутреннего ОЗУ и ПЗУ. Простейшие из них:

К1816ВЕ35 — с внешним ПЗУ, ОЗУ 64 байт и тактовой частотой 11МГц;

К1816ВЕ39 - с внешним ПЗУ, ОЗУ 128 байт и тактовой частотой 11МГц;

К1816ВЕ48 — с внутренним перепрограммируемым ПЗУ 1 кбайт с ультрафиолетовым стиранием (УФ ППЗУ), ОЗУ 64 байт и тактовой частотой 6 МГц;

K1816BE49 - с внутренним масочным ПЗУ 2 кбайт, ОЗУ 128 байт и тактовой частотой 11 МГц;

Для каждой ОЭВМ предусмотрена возможность расширения ПЗУ, ОЗУ и увеличения числа линий ввода-вывода за счет подключения внешних БИС ПЗУ, ОЗУ и интерфейсов ввода-вывода, используемых серией К580.

Графическое обозначение ОЭВМ серии К1816 приведено на рисунке 14.1, функциональное назначение выводов — в таблице 14.1.

ОЭВМ серии К1816 являются взаимозаменяемыми и совместимыми по выводам и системе команд, что обеспечивает пользователю максимальную гибкость при разработке микропроцессорных устройств (МП устройств).

МикроЭВМ К1816ВЕ48 с перепрограммируемым ПЗУ используется на этапе отладки программы разрабатываемого изделия, а также изготовления его опытной партии. Переход к его серийному производству может осуществляться путем простой замены этой ОЭВМ на другую, имеющую ПЗУ, в которое отлаженная программа будет записана с помощью маски на последнем этапе изготовления БИС ОЭВМ. Так изготовляются ОЭВМ для клавиатуры. Использование К1816ВЕ49 с масочным ПЗУ экономически целесообразно при создании микропроцессорных устройств и систем, которые будут изготавливаться большими сериями и не будут подвергаться модернизации в процессе эксплуатации. Для изделий, требующих периодической модернизации (переналадки) или изготавливаемых малыми сериями, следует использовать ОЭВМ с перепрограммируемым внутренним ПЗУ или с внешним ПЗУ.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.