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.
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)
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
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33
