Компьютерная схемотехника (стр. 12 )

Рисунок 9.63

Делитель выполнен на основе микросхемы четырехразрядного двоично/десятичного реверсивного счетчика К561ИЕ14. На входы предустановки D1...D4 подается код, соответствующий числу “лишних” состояний (24 - Кдел). Выход сигнала переноса Р соединяют через инвертор DD1 с управляющим входом V (загрузка). Сигналом 1 на этом входе число с входов D1...D4 записывается в триггеры счетчика. На входы +/- и 2/10 подаются единичные сигналы, настраивающие ИМС на работу в режиме суммирующего двоичного счетчика. Чтобы разрешить счет вход Po соединяют с землей (нулевым потенциалом). Под воздействием входных импульсов на входе С счетчик-делитель последовательно проходит состояния от исходного, предварительно установленного по входам D1...D4, до конечного, когда он заполняется единицами во всех четырех разрядах. Следующим импульсом после этого схема сбрасывается в нуль и формируется сигнал переноса на выходе Р. Этим сигналом разрешается запись в счетчик исходного кода и цикл вновь повторяется. С выхода схемы снимается последовательность импульсов с частотой

fвых = fвх / Кдел.(9.22)

Для рассматриваемого устройства Кдел принимает значения от 1 до 16.

На рисунке 9.64 приведен пример делителя, построенного по второму варианту.

Рисунок 9.64

Основу ДПКД составляет двоичный счетчик (DD2), который начинает счет с нулевого значения и продолжает работу до установленного промежуточного состояния, равного требуемому коэффициенту деления Кдел. После этого счетчик вновь сбрасывается нуль и начинается новый цикл счета. Для определения момента достижения равенства кодов, определяющих промежуточное состояние счетчика и значение Кдел, в схеме использован цифровой компаратор (DD1). В момент равенства кодов А=В на выходе компаратора появляется логическая единица, сбрасывающая счетчик в исходное нулевое состояние. Дополнительный триггер (DD3) необходим для исключения возможности сбоя при установке нулевого состояния СТ2 из-за разброса временных параметров триггеров счетчика. Сигналом с выхода компаратора FА=В триггер устанавливается в 1 и поддерживает на входе R счетчика единичный сигнал на время, достаточное для сброса всех разрядов DD2. Следующим входным импульсом триггер сбрасывается в нулевое состояние. Если разброс временных параметров триггеров счетчика невелик, то DD3 можно исключить.

Делитель с постоянным коэффициентом деления можно построить проще. Для этого компаратор заменяют конъюнктором, на входы которого подают выходные сигналы с тех разрядов счетчика, которые в кодовой комбинации, соответствующей Кдел, имеют высокий уровень. Пример делителя с Кдел = 9 показан на рисунке 9.65.

("92")

Рисунок 9.65

9.2.5 Распределители

ПЦУ, которое последовательно распределяет по выходам сигналы, поступающие на его вход, называется распределителем.

Ниже показаны: функциональная схема распределителя, выполненного на двоичном счетчике (DD1) и дешифраторе двоичного кода (DD2) (рисунок 9.66,а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (рисунок 9.66,б).

Распределитель поочередно формирует импульсы на выходах.

Рисунок 9.66

10. СВЯЗЬ МП-РА И ОМЭВМ С АНАЛОГОВЫМ ОБЪЕКТОМ УПРАВЛЕНИЯ И С ПК

10.1 Структура типичной локальной микропроцессорной системы управления (ЛМПСУ)

Рассмотрим пример типичной локальной микропроцессорной системы управления (ЛМПСУ), структурная схема которой приведена на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1

ЛМПСУ управляет определённым объектом управления (агрегатом) по нескольким параметрам, например, температура, давление, угол поворота, перемещение и др. Система названа локальной, т. к. управление вырабатывается и осуществляется на нижнем (локальном) уровне сложной иерархической системы управления, включающей множество различных агрегатов (объектов управления). Основным элементом ЛМПСУ является однокристальная микроЭВМ (ОМЭВМ) называемая ведомой, т. к. предполагается, что в сложной системе имеется множество подобных ведомых ОМЭВМ, управляющих отдельными агрегатами на локальном уровне. На более высоком уровне иерархии системы управления может находиться ведущая ОМЭВМ, которая на основе информации о состоянии отдельных агрегатов вырабатывает требуемые значения заданных управляющих воздействий для ведомых ОМЭВМ. Ведущая и ведомая ОМЭВМ могут быть связаны между собой, например, общим моноканалом.

ЛМПСУ поддерживает каждый из контролируемых параметров на заданном уровне. Информация о текущем значении параметров контроля снимается с датчиков (Д1…Д3) и проходит через нормирующие преобразователи (НП1…НП3), которые преобразуют диапазон изменения электрических сигналов, снимаемых с датчиков, к диапазону, который соответствует выбранному аналогово-цифровому преобразователю (АЦП). Так как информационные сигналы в большинстве систем управления – низкочастотные, то для подавления высокочастотных помех используются фильтры нижних частот (ФНЧ). Аналоговый мультиплексор поочерёдно подключает к АЦП один из нескольких аналоговых электрических сигналов, отображающих текущие значения контролируемых параметров. В случае, если за время преобразования АЦП, изменение выходного сигнала соответствует изменению выходного двоичного кода больше, чем на единицу младшего значащего разряда (МЗР), то для уменьшения появляющейся при этом так называемой “апертурной” погрешности, в систему включают устройство выборки-хранения (УВХ). УВХ запоминают мгновенные значения входных аналоговых сигналов в момент выборки и поддерживают их постоянными на входе АЦП в течение времени преобразования последнего. С выхода АЦП информация в параллельном двоичном коде поступает в ведомую ОМЭВМ, которая сравнивает текущее значение контролируемого параметра с заданным значением и вырабатывает управляющее воздействие в соответствии с сигналом рассогласования и выбранным законом управления (П, ПИ, ПИД и др.). Сигналы управления, снимаемые с выхода одного из параллельных портов ОМЭВМ, запоминаются во внешних регистрах РГ1…РГ3. Для повышения нагрузочной способности выходов ОМЭВМ, в системе использован шинный формирователь (ШФ). Выходы РГ1…РГ3 через схемы согласования уровней ССУ1…ССУ3 связаны со входами цифро-аналоговых преобразователей ЦАП1…ЦАП3, формирующих аналоговые управляющие воздействия, направленные на устранение сигнала рассогласования и отрабатываемые аналоговыми исполнительными элементами (АИЭ1…АИЭ3). ССУ1…ССУ3 необходимы в тех случаях, когда уровни логических сигналов, снимаемых с выходов регистров, не соответствуют требуемым уровням сигналов на входе ЦАП. В качестве ССУ, как правило, используют логические элементы с открытым коллектором.

В общем случае, ЛМПСУ кроме аналоговых датчиков и исполнительных элементов могут содержать цифровые датчики и дискретные исполнительные элементы (рисунок 10.1).

10.1.1 Назначение и схемная реализация отдельных узлов ЛМПСУ

10.1.1.1 Аналоговый мультиплексор (АМПС)

АМПС используется для поочередной передачи текущего значения одного из трех аналоговых контролируемых параметров на вход УВХ и АЦП. Для этого может быть, например, использована микросхема К561КП1.

("93") На рисунке 10.2 приведено обозначение этой микросхемы на электрических схемах и поясняется, каким образом АМПС связан с другими частями ЛМПСУ. Рассматриваемое устройство относится к классу мультиплексоров-селекторов (мультиплексоров-демультиплексоров). Микросхема содержит два мультиплексора-селектора. В нашем примере использована половина микросхемы в качестве мультиплексора. В зависимости от значений адресных сигналов, поступающих от ОМЭВМ на входы V1, V2, в мультиплексоре образуется сквозной низкоомный канал между выходом Fa и одним из входов A1, A2, A3, на которые подаются информационные сигналы от ФНЧ. С выхода Fa выбранный сигнал поступает на вход УВХ.

Рисунок 10.2

10.1.1.2 Устройство выборки-хранения (УВХ)

УВХ предназначено для запоминания мгновенного значения входного аналогового сигнала в момент выборки и поддержания этого значения на постоянном уровне в течении времени преобразования информации в АЦП. Подобное устройство необходимо применять в тех случаях, когда за время преобразования информации в АЦП изменение его входного аналогового сигнала эквивалентно дискретному изменению выходного сигнала больше, чем на единицу младшего значащего разряда (МЗР). В качестве УВХ может быть, например, использована микросхема К1100СК2. На рисунке 10.3 приведено обозначение этой микросхемы на электрических схемах и поясняется, каким образом УВХ связано с другими частями ЛМПСУ. Длительность импульса записи информации в УВХ (импульса выборки) tзап (tв) при значении емкости хранения Схр=1нФ равно 5 мкс.

Рисунок 10.3

10.1.1.3 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

АЦП выполняет преобразование аналогового напряжения в 8-разрядный параллельный двоичный код, который вводится в ОМЭВМ.

Рисунок 10.4

В качестве АЦП может быть использована, например, микросхема К1113ПВ1. На рисунке 10.4 приведено обозначение этой микросхемы на электрических схемах и поясняется каким образом АЦП связан с другими частями ЛМПСУ. Особенности взаимодействия АЦП и ОМЭВМ поясняет временная диаграмма работы АЦП (рисунок 10.5). Запуск АЦП производится переключением сигнала на входе START(СТАРТ) из логической единицы в нуль. В течении времени преобразования на выходе READY (ГОТОВНОСТЬ) присутствует логическая единица, а шина данных находится в третьем (высокоимпедансном) состоянии.

Рисунок 10.5

По окончании преобразования выходные сигналы на выводах данных D0..D9 переходят в активное состояние, а сигнал на выходе READY переключается из 1 в 0. Получив сигнал готовности, ОМЭВМ считывает (вводит) данные от АЦП и переводит сигнал на входе START в состояние 1 на время не менее 2 мкс. Этим осуществляется “сброс” АЦП, после которого может производится следующий “запуск” АЦП и т. д.

10.1.1.4 Ведомая однокристальная микроЭВМ (ОМЭВМ)

Ведомая ОМЭВМ вводит информацию о текущем состоянии объекта управления, производит сравнение этого состояния с заданным, вырабатывает сигналы рассогласования, реализует требуемые законы управления и выдает управляющие воздействия на исполнительные элементы. В качестве ведомой ОМЭВМ может быть использована, например, микросхема К1816ВЕ751. На рисунке 10.6 приведено обозначение этой микросхемы на электрических схемах и поясняется каким образом она связана с другими частями ЛМПСУ. С помощью цепочки С1, R1 производится автоматический “сброс” ОМЭВМ при включении напряжения питания.

Рисунок 10.6

10.1.1.5 Шинный формирователь (ШФ)

("94") ШФ применяется для повышения нагрузочной способности выводов ОМЭВМ, которая для порта Р0 равна двум входам цифрового элемента типа ТТЛ. Поскольку выводы порта Р0 подключены к информационным входам трех регистров, то для усиления сигналов используется шинный формирователь. В качестве ШФ может быть, например, выбрана микросхема КР1533АП6. На рисунке 10.7 приведено обозначение этой микросхемы на электрических схемах и поясняется, каким образом ШФ связан с другими частями ЛМПСУ.

Рисунок 10.7

10.1.1.6 Регистры (Рг1...Рг3)

Параллельные регистры Рг1...Рг3 предназначены для запоминания значений управляющих воздействий по каждому из трех каналов. Эти воздействия выдаются из ОМЭВМ в параллельном двоичном коде и сопровождаются стробирующим сигналом, который записывает сформированное управляющее воздействие в требуемый регистр. Содержимое регистров остается неизменным до новой записи, которая инициируется подачей на соответствующий вход регистра стробирующего импульса.

В качестве регистров может быть использована, например, микросхема КР1533ИР23. На рисунке 10.8 приведено обозначение этой микросхемы на электрических схемах и поясняется, каким образом регистры связаны с другими частями ЛМПСУ.

Рисунок 10.8

10.1.1.7 Схемы согласования уровней (ССУ1...ССУ3)

ССУ1...ССУ3 необходимо применять в тех случаях, когда уровни напряжений логической единицы, появляющихся на выходах регистров и ограниченных значением источника питания +5В, не соответствуют диапазону входных напряжений логической единицы ЦАП, если последний питается, например, напряжением +15В. ССУ не осуществляют никаких логических преобразований и содержат выходы с открытым коллектором, которые через внешние коллекторные резисторы подключаются к напряжению питания, значение которого определяется требуемыми величинами уровней входных напряжений логической единицы ЦАП.

В качестве ССУ может быть, например, использована микросхема К555ЛН4. На рисунке 10.9 приведено обозначение этой микросхемы на электрических схемах и поясняется, каким образом ССУ связаны с другими частями ЛМПСУ.

Подобных микросхем в рассматриваемом примере (рисунок 10.1) требуется четыре, так как одна микросхема включает шесть повторителей с открытым коллектором, а общее количество логических сигналов, требующих преобразования уровней, равно 3х8 = 24.

Рисунок 10.9

10.1.1.8 Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП1...ЦАП3)

ЦАП1...ЦАП3 осуществяют преобразование цифровых управляющих сигналов, формируемых ОМЭВМ, в аналоговые управляющие воздействия, отрабатываемые аналоговыми исполнительными элементами (АИЭ1...АИЭ3).

В качестве ЦАП может быть, например, использована микросхема К572ПА1, схема включения которой показана на рисунке 10.10. Коэффициент передачи этого ЦАП: Кпер=10мВ/мзр, диапазон изменения выходного аналогового напряжения при 8-разрядном входном двоичном сигнале, подаваемом на входы D0...D7 ЦАП, составляет: Uвых. ан=0 ... 2,55 В.

Рисунок 10.10

10.2 Применение АЦП и УВХ при вводе аналоговой информации в МПС

("95") Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, которые преобразуют входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЦВМ и другими цифровыми устройствами. АЦП широко применяются в устройствах дискретной автоматики, цифровых системах управления для преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровую форму, в системах отображения информации для цифровой индикации, в системах передачи данных и многих других областях техники.

Различные по физической природе сигналы, снимаемые с датчиков и характеризующие контролируемый процесс, сначала преобразуются в электрический сигнал, а затем уже с помощью преобразователей “напряжение-код” в цифровые. На входе АЦП, как правило, присутствует постоянное или медленно изменяющееся напряжение, а с выхода снимаются данные в параллельном двоичном коде.

Методы построения АЦП делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Классификация типов АЦП и основные принципы их построения приведены в [24, 25, 36].

Различным методам построения АЦП соответствуют устройства, различающиеся по точности, быстродействию, помехозащищенности, сложности реализации и т. д. Одним из наиболее распространенных является метод последовательного приближения, применяемый в АЦП, ориентированных на использование в микропроцессорных системах (МПС), например, К1113 ПВ1; К572 ПВ3 [24, 25]. На рисунке 10.11 приведена упрощенная структурная схема АЦП последовательного приближения.

Рисунок 10.11

АЦП содержит регистр последовательного приближения (РПП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), аналоговый компаратор (АК) и генератор тактовых импульсов (ГТИ). После поступления импульса ПУСК на выходе старшего (n-1)-го разряда регистра последовательного приближения (РПП) появляется напряжение логической 1, а на остальных его выходах – логические нули. На выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) формируется напряжение Uцап»0,5*Uвхмах, которое на входах аналогового компаратора сравнивается со входным аналоговым напряжением Uвх. Аналоговый компаратор включает собственно аналоговый компаратор (САК) на микросхеме операционного усилителя (ИМС ОУ), схему формирования уровней (СФУ), которая преобразует разнополярные импульсы в цифровой сигнал, и инвертор. Если входное напряжение Uвх больше напряжения, снимаемого с выхода ЦАП, то на выходе САК появляется отрицательный импульс. СФУ преобразует его в нулевой цифровой сигнал. При этом с выхода инвертора АК снимается логическая единица, которая подается на вход D РПП. При поступлении на вход С РПП импульса от ГТИ сохраняется логическая 1 в старшем (n-1)-ом разряде и появляется 1 в (n-2) разряде. Если Uвх<Uцап, то с выхода АК снимается логический 0. Импульсом на синхровходе содержимое старшего (n-1) разряда РПП обнуляется, а в (n-2)-й записывается единица. Если после первого сравнения на выходах двух старших разрядов РПП содержатся две единицы (при первом сравнении Uвх>Uцап), то выходной сигнал ЦАП: Uцап»(0,5+0,25)Uвх. мах. На компараторе Uвх вновь сравнивается с этим напряжением и т. д. Так устанавливаются все разряды на выходе РПП до самого младшего. После выполнения последнего Nр-го сравнения, где Np – число разрядов выходного кода АЦП, цикл формирования выходного кода заканчивается. Состояние выходов РПП соответствует цифровому эквиваленту входного напряжения. Если, например, Uвх=Uвх. max, то комбинация выходного кода равна 111...11 (все единицы). В рассматриваемом АЦП время преобразования постоянно и определяется числом разрядов Np выходного двоичного кода и тактовой частотой fгти=1/Tгти; tпрб»Np*Tгти. Рассмотренные АЦП обладают достаточно высоким быстродействием при относительно простой структуре, поэтому находят широкое применение.

10.2.1 Расчет АЦП

В АЦП осуществляется квантование (дискретизация) по уровню и времени (рисунок 10.12).

Рисунок 10.12

На вход преобразователя поступает аналоговое напряжение Uвх, которое преобразуется в дискретную величину, определяемую в фиксированные моменты времени ближайшим к непрерывной величине уровнем квантования.

На выходе АЦП каждому дискретному значению соответствует комбинация двоичного кода, число разрядов которого обозначим буквой Np. Величина Np зависит от числа дискретных значений Nд на выходе АЦП, включая нулевое. Выбор Np производится в соответствии с соотношением:

(10.1)

Число дискретных значений (уровней квантования) зависит от погрешности квантования по уровню.

Абсолютная погрешность квантования по уровню:

(10.2)

где DU – величина шага квантования по уровню, равная

(10.3)

Из приведенного соотношения следует, что максимальная абсолютная погрешность равна половине шага квантования по уровню. Относительная погрешность квантования по уровню:

("96") .(10.4)

В приведенной формуле из Nд вычитается единица, т. к. одним из дискретных значений является нулевое. Отсюда требуемое число дискретных значений, которое отражает нашу непрерывную функцию с заданной точностью определяется из выражения:

(10.5)

Например, при d отн £0,2% Nд должно быть не менее 251. Принимая Nд=256 определяем, что число разрядов Np в этом случае должно быть равно 8 (28=256). Если входная непрерывная величина изменяется, например, в диапазоне от 0 до 2,55 В, то величина шага квантования по уровню при Nд=256 равна DU=10 мВ; dабс. £5 мВ; dотн. £ 50/255 < 0,2%.

При проектировании АЦП важное значение имеет выбор величины шага квантования по времени Dt=Т. Значение Т определяет требуемое быстродействие АЦП и тракта обработки информации.

По теореме Котельникова значения Dt=T должно удовлетворять выражению:

,(10.6)

где fмах - частота высшей гармоники спектра входного сигнала АЦП.

Физически это выражение следует трактовать следующим образом: на один период максимальной гармоники входного аналогового сигнала необходимо взять не менее двух отсчетов при переходе к дискретной величине.

10.2.2 АЦП К1113 ПВ1

10.2.2.1 Описание микросхемы К1113 ПВ1

Микросхема К1113 ПВ1 (рисунок 10.13) представляет собой функционально-законченный АЦП последовательного приближения с временем преобразования £30 мкс, рассчитанный на входные напряжения (0...10,23)В (униполярный сигнал) или (-5,12 ...+5,11)В (биполярный сигнал).

Переключение диапазонов входных напряжений производится по входу LZ. Если LZ=0, то преобразуются униполярные входные сигналы от 0 до 10,23В, если же LZ=1, то преобразователь работает в двухполярном режиме (Uвх = [-5,12...+5,11] В). Коэффициент передачи АЦП Кпер=.

Если использовать не все десять разрядов выходного двоичного кода рассматриваемого АЦП, то существует несколько вариантов его подключения. Например, если Np = 8, то можно подключить восемь выходов АЦП, соответствующих младшим разрядам. Остальные два разряда не подключаются. В этом случае коэффициент передачи Кпер=, а Uвх. max=10∙255=2550мВ=2,55В. Если использовать восемь выходов АЦП, соответствующих старшим разрядам, то Кпер=, а Uвх. max=40∙255=10,2В.

Если Np=7, и выходной ДК снимается с семи старших выходов, то Кпер=, а Uвх. max=80∙127=10,16В.

Рисунок 10.13

Процесс аналого-цифрового преобразования осуществляется при нулевом сигнале на входе START(СТАРТ) (рисунок 10.5). Входной аналоговый сигнал подается на вход AIN. По окончании преобразования на выходе READY (ГОТОВНОСТЬ) появляется логический нуль. Одновременно с этим сигналом на информационных выходах D0...D9 устанавливается цифровой двоичный эквивалент входной аналоговой величины. Уровни выходных цифровых сигналов соответствуют уровням цифровых ТТЛ-схем. Для сброса текущего выходного кода преобразователя необходимо подать единицу (минимум на 2мкс) на вход START. В процессе сброса и преобразования на выходе READY присутствует логическая единица, а кодовые выходы АЦП находятся в высокоимпедансном состоянии. Сказанное отображают временные диаграммы работы АЦП, приведенные на рисунке 10.5. Для повышения точности преобразования АЦП имеет два отдельных земляных вывода: аналоговая земля (GNDA) и цифровая земля (GNDD). Разность потенциалов между ними должна быть £200мВ. Регулировку чувствительности АЦП можно производить с помощью переменного резистора (100...200 Ом), включаемого между источником входного сигнала Uвх и аналоговым входом AIN АЦП (рисунок 10.4). Для регулировки смещения нуля в пределах +1/2 значения младшего значащего разряда (МЗР) можно включать переменный резистор (5...50 Ом) между выводом GNDA АЦП и внешней землей.

Микросхема выполнена по n-МОП технологии, питается от двух источников +5В и -15В и потребляет токи 10 и 18 мА соответственно.

10.2.2.2 Расчет микросхемы К1113 ПВ1

("97") Выполним расчет абсолютной и относительной погрешности преобразования, а также максимально допустимую частоту высшей гармоники спектра входного сигнала для АЦП К1113 ПВ1. Количество разрядов выходного кода в этой микросхеме равно десяти (Nр=10), диапазон значений входного напряжения Uвхmax – Uвхmin = 10,23 В. Поэтому из выражений (10.1, 10.3) получим:

Nд £ 210 = 1024;DU = 10,23/1023 = 10 mB.

Согласно (10.2) абсолютная погрешность преобразования такого АЦП будет не больше, чем 5 mB, т. е. dабс £ 5 mB, а относительная – не больше, чем (50 / 1023) [%], т. е. dотн £ (50 / 1023) » 0,049 %.

Величина шага квантования по времени, согласно рисунку 10.5, должна быть не менее, чем (tпрб. ацп + tсбр), т. е. не менее 32 мкс (т. к. для К1113 ПВ1 tпрб. ацп £ 30 мкс). А значит максимально допустимая частота высшей гармоники спектра входного сигнала для АЦП К1113 ПВ1, как следует из (10.6), будет равна fmax = 1 / [2*(tпрб. ацп + tсбр)] » 15,6 кГц.

10.2.2.3 Ввод данных от АЦП в МПС через ППИ в режиме 0

Структурная схема подключения АЦП К1113 ПВ1 к СШ МПС через ППИ КР580ВВ55А, работающем в режиме 0, приведена на рисунке 10.14.

Рисунок 10.14

Ввод данных осуществляется через порт А. Сигнал запуска АЦП формируется программно и выводится через бит РС0 порта С. После настройки ППИ на режим работы на выходе РС0 устанавливается логический 0.

После инвертора на вход START АЦП подается логическая 1. АЦП находится в нерабочем, а его цифровые выходы – в высокоимпедансном состоянии. Запуск АЦП осуществляется программной установкой РС0 в единицу. Информация о завершении аналого-цифрового преобразования, снимаемая с АЦП в виде сигнала , вводится в микропроцессор через бит РС7 порта С.

Схема алгоритма ввода информации от АЦП в МПС приведена на рисунке 10.15.