Компьютерная схемотехника

2) в момент, предшествующий переключению очередного триггера, все предыдущие разряды счетчика находятся в единичном состоянии;

3) восьмой импульс для трехразрядного счетчика (рисунок 9.51) является импульсом переполнения, которым все триггеры устанавливаются в нуль (счетчик “обнуляется”). Девятым импульсом счетчик вновь начинает заполняться;

4) максимальное число импульсов, которое может зафиксировать схема, равно (2n - 1). В нашем примере n = 3 и в счетчик можно записать 7 импульсов.

5) если использовать сигнал переноса, формируемый на выходе, то счетчик может посчитать 2n импульсов. Если n=3, то Ксч=23=8.

Работу счетчика отражает таблица 9.14.

Таблица 9.14

№ импульса	Q3	Q2	Q1
0	0	0	0
1	0	0	1
2	0	1	0
3	0	1	1
4	1	0	0
5	1	0	1
6	1	1	0
7	1	1	1
8	0	0	0

Нетрудно заметить, что состояние триггеров (разрядов) представляет собой запись числа поступивших импульсов в двоичном коде.

В рассмотренном счетчике каждый последующий триггер переключается сигналом переноса, формируемым на выходе предыдущего разряда, поэтому схема называется счетчиком с последовательным переносом. Переключение отдельных триггеров происходит последовательно друг за другом (не одновременно, асинхронно), поэтому такой счетчик называется асинхронным.

9.2.3.2 Асинхронный вычитающий двоичный счетчик с последовательным переносом

Счетчик, работающий на вычитание, строится аналогично суммирующему, рассмотренному выше. Отличие состоит лишь в том, что на счетный вход триггера i-го разряда (i = 1, 2, 3,...(n-1), где n-число разрядов счетчика) подается сигнал с инверсного выхода предыдущего разряда, т.е. (рисунок 9.52).

Рисунок 9.52

Т-триггеры, на которых выполнена рассматриваемая схема, переключаются перепадом сигнала из 1 в 0 на входе. Это значит, что переключение триггера i-го разряда будет происходить при срезе импульса , т.е. при фронте Q i-1 (момент нарастания Q i-1 от 0 к 1). Работу вычитающего счетчика отражает таблица 9.15. В начале работы подачей единичных сигналов на установочные S-входы триггеров установлено исходное состояние счетчика Q1=Q2=Q3=1.

Таблица 9.15

№ импульса	Q3	Q2	Q1
0	1	1	1
1	1	1	0
2	1	0	1
3	1	0	0
4	0	1	1
5	0	1	0
6	0	0	1
7	0	0	0
8	1	1	1

Каждым входным импульсом число, записанное в счетчик, уменьшается на единицу. Состояния разрядов счетчика представляют собой двоичную запись линейно-убывающих чисел. Следует обратить внимание, что если при поступлении очередного импульса в счетчике записаны нули, то очередным состоянием схемы будут все единицы.

9.2.3.3 Асинхронные реверсивные двоичные счетчики с последовательным переносом

Часто возникает необходимость, чтобы счетчики обладали способностью выполнять сложение или вычитание, т.е. были реверсивными.

В таких счетчиках объединяются схемы суммирующего и вычитающегосчетчиков. Реверсивные счетчики могут иметь два или один входа для подачи счетных сигналов.

Ниже показана схема реверсивного асинхронного счетчика имеющего один счетный вход (рисунок 9.53).



Рисунок 9.53

Единичным управляющим сигналом на входе +1 или -1 счетчик настраивается на работу в режиме суммирования (на входе +1 - единица, а на выходе -1 - нуль) или в режиме вычитания (на входе +1 - нуль, -1 - единица).

Асинхронные счетчики имеют простую структуру, но обладают рядом недостатков:

1) схема имеет сравнительно низкое быстродействие, т.к. при поступлении каждого счетного импульса триггеры переключаются последовательно и к i-му разряду переключающий сигнал проходит через (i-1) предыдущих. Поэтому интервал меду соседними входными импульсами должен превышать tпер•(n-1), где tпер - время переключения одного триггера, а n - число разрядов счетчика.

2) в ходе переключения младшие разряды принимают уже новые состояния, в то время как старшие еще находятся в прежнем. Т.е. при смене одного числа другим счетчик проходит ряд промежуточных состояний, каждое из которых может быть ошибочно принято за двоичный код числа поступивших на вход импульсов.

Когда для устройства, в состав которого входит счетчик, отмеченные недостатки являются существенными, используют синхронные счетчики.

9.2.3.4 Синхронный счетчик со сквозным переносом

В таких счетчиках состояние триггеров изменяется одновременно под действием сигналов синхронизации на входах всех триггеров.

На рисунке 9.54 приведен суммирующий синхронный счетчик, выполненный на JK-триггерах.

Рисунок 9.54

В схеме с помощью конъюнкторов организован так называемый сквозной (параллельный) перенос. Его идея состоит в том, что сигнал переноса поступает на J, K входы последующих триггеров лишь в том случае, если предыдущие находятся в состоянии единица. Триггер Тг1 переключается каждым счетным импульсом, т.к. на его J и K входы постоянно подается единица. Остальные триггеры переключаются счетными импульсами при следующих условиях: Тг2 - при Q1=1; Тг3 - при Q1=1; Q2=1; Тг4 - при Q1=1; Q2=1; Q3=1.

Недостатком описанного счетчика является необходимость иметь конъюнкторы с большим количеством входов, число которых возрастает с увеличением числа разрядов. Если число разрядов синхронного счетчика не превышает четыре, то схему можно реализовать без внешних конъюнкторов, используя JK-триггеры с входной логикой И.

Ниже показана схема суммирующего синхронного счетчика, у которого число разрядов равно трем (рисунок 9.55).



Рисунок 9.55

Аналогично может быть построен вычитающий синхронный счетчик со сквозным переносом (рисунок 9.56).

Рисунок 9.56

Реверсивный синхронный счетчик со сквозным переносом приведен на рисунке 9.57.

Рисунок 9.57

Схема содержит один источник сигналов счета и два управляющих входа для переключения счетчика на суммирование (+1) или вычитание (-1). На выходе счетчика, обозначенном >7, единичный сигнал появляется при поступлении седьмого импульса и переходе счетчика в состояние, в котором все триггеры установлены в 1. Следующим восьмым импульсом на этом выходе появляется сигнал переноса в следующий разряд в виде перепада из 1 в 0.

На выходе <0 единичный сигнал появляется при установке всех триггеров в нулевое состояние и приходе очередного вычитающего импульса. При этом все триггеры устанавливаются в единицу, а на выходе <0 появляется сигнал заема в виде перепада из 1 в 0.

9.2.3.5 Десятичные счетчики

Как отмечалось ранее, в двоичных счетчиках коэффициент пересчета (счета), т.е. число различных устойчивых состояний, равен 2n, где n - число разрядов. Однако в ряде случаев требуется, чтобы коэффициент пересчета счетчика был отличным от этого значения. Широкое распространение получили, например, десятичные счетчики, для которых Ксч = 10. Такой счетчик после каждого десятого импульса возвращается в исходное состояние, формируя при этом на выходе импульс переноса. Разрядность счетчика с произвольным коэффициентом пересчета (не равным 2n) определяется из условия

2n-1 < Ксч < 2n. (9.21)

Очевидно, что для Ксч = 10 требуется число разрядов n = 4. Поскольку двоичный 4-х разрядный счетчик имеет 16 различных устойчивых состояний, то для реализации схемы с Ксч = 10 необходимо исключить N = 16 - 10 = 6 избыточных состояний. Это можно осуществить путем введения обратных связей с выхода счетчика на единичные входы триггеров тех разрядов, которые в двоичном представлении числа N содержат единицы. Так, для N = 610 = 01102 сигнал обратной связи следует подать на единичные входы триггеров второго и третьего разрядов.

Рисунок 9.58

На рисунке 9.58 изображена функциональная схема, а в таблице 9.16 приведены состояния десятичного счетчика.

Одновибратор необходим, так как без него на выходе Q4 после прихода каждого десятого импульса будет 0, а на - 1. Если эту единицу использовать как установку Тг2 и Тг3 в единицу, то при приходе очередного счетного импульса на S входе будет 1, чего допустить нельзя.

Таблица 9.16

№ импульса	Состояние триггеров	№ импульса	Состояние триггеров
	Q4	Q3	Q2	Q1		Q4	Q3	Q2	Q1
0	0	1	1	0	6	1	1	0	0
1	0	1	1	1	7	1	1	0	1
2	1	0	0	0	8	1	1	1	0
3	1	0	0	1	9	1	1	1	1
4	1	0	1	0	10	0	1	1	0
5	1	0	1	1	11	0	1	1	1

Перед началом работы импульсом “сброс” счетчик обнуляется, а затем сигналом УИС в триггеры ТГ1, Тг3 записываются единицы, т.е. счетчик устанавливается в исходное состояние 01102, что соответствует числу 6D. После прихода девятого импульса схема переключится в состояние 11112, а затем очередной (десятый) импульс формирует на выходе (Q4) сигнал переноса (перепад из 1 в 0). Этим сигналом запускается одновибратор ОВ, формирующий короткий единичный импульс, который до прихода очередного счетного импульса вновь установит счетчик в исходное состояние 01102.

Далее описанный процесс повторяется, и счетчик имеет 10 устойчивых состояний (Ксч = 10) и формирует на выходе сигнал переноса после прихода каждого 10-го импульса.

Рисунок 9.59

Рассмотренную схему (рисунок 9.58) можно упростить без изменения логики ее функционирования. Вместо одновибратора и двух дизъюнкторов вводится один четырехвходовый конъюнктор (рисунок 9.59), который обеспечивает установку счетчика в состояние 01102 вначале работы и при поступлении 10-го импульса, когда все триггеры переключаются в нулевое состояние.

Существует еще ряд способов исключения избыточных состояний, например, используя принудительное обнуление схемы при достижении счетчиком состояния, равного Ксч.

Схема десятичного счетчика, построенная по данному способу, показана на рисунке 9.60.



Рисунок 9.60

Перед началом счета сигналом УИС все триггеры счетчика устанавливаются в исходное нулевое состояние. При поступлении на счетный вход 10 импульсов на выходах Q2 и Q4 установятся единицы, благодаря чему единичным сигналом с выхода конъюнктора все триггеры вновь будут сброшены в 0. При этом на выходе счетчика (Q4) первый раз появится сигнал переноса (перепад из 1 в 0), свидетельствующий о том, что на вход счетчика пришло десять импульсов. Далее описанный процесс повторяется.

9.2.3.6 Счетчики в интегральном исполнении

В различных сериях интегральных микросхем широко представлены счетчики [3, 4]. В качестве примера рассмотрим ИМС К555ИЕ7, которая представляет собой двоичный 4-х разрядный реверсивный счетчик (рисунок 9.61).

Рисунок 9.61

Микросхема содержит два входа для счетных импульсов. Если счетчик работает как суммирующий, то счетные импульсы подаются на вход С+, а если как вычитающий - то на С-, причем на неиспользуемом счетном входе должно быть напряжение высокого уровня. В качестве очередного счетного импульса на одном из входов С+ или С- воспринимается срез нулевого импульса (перепад из 0 в 1).

Счетчик содержит асинхронный вход установки в нуль R и входы параллельной записи исходной кодовой комбинации D1...D4. Эта запись производится при наличии нулевых сигналов на входах R и V (загрузка).

На выходе >15 формируется сигнал переноса при суммировании входных импульсов, когда их число превышает 15, а на выводе <0 - сигнал заема при вычитании, когда очередной импульс на вход С - поступает при нулевом состоянии счетчика. Эти сигналы представляют перепад из 0 в 1 и являются ответными на срез (перепад из 0 в 1) нулевых входных счетных импульсов.

Путем последовательного соединения четырехразрядных счетчиков К555ИЕ7 можно построить двоичные реверсивные счетчики с большим числом разрядов.

На рисунке 9.62 показан пример построения 8-разрядного реверсивного счетчика на двух 4-разрядных типа К555ИЕ7.

Рисунок 9.62

Счетчик содержит один счетный вход и два сигнала управления V+ и V-, определяющие, в каком режиме предполагается использовать схему - в режиме суммирования (V+=1, V- =0) или вычитания (V+=0, V- =1). Для управления микросхемой К555ИЕ7, содержащей два счетных входа С+ и С-, в устройство включены асинхронный RS-триггер (DD1) и два конъюнктора (DD2, DD3).

При подаче единичного сигнала на вход V+ (при V- =0) RS-триггер устанавливается в 1 и счетные импульсы через DD2 поступают на вход С+ микросхемы СТ2 (DD4). При поступлении единичного сигнала на вход V- (при V+=0) RS-триггер сбрасывается в нуль и счетные импульсы через DD3 подаются на вход С - микросхемы СТ2(DD4). Когда рассматриваемая схема производит суммирование входных импульсов, то сигнал переноса (перепад из 0 в 1) появляется на выходе >15 второй микросхемы СТ2(DD5) при поступлении на вход 256-го импульса (при условии, что счет начинался с нулевого значения). Сигнал заема на выходе <0 второй схемы СТ2(DD5) (перепад из 0 в 1) появляется при поступлении на счетный вход 256-го вычитающего импульса (при условии, что вычитание начиналось с единичных значений во всех разрядах). При этом происходит вычитание из нуля единицы, и все триггеры счетчика вновь устанавливаются в единицу.

9.2.4 Делители частоты

В делителях частоты входная периодическая последовательность импульсов делится на заданное число.

В качестве делителя частоты можно использовать счетчик, коэффициент пересчета которого Ксч определяет число, на которое делится частота входных счетных импульсов. Особенность делителя состоит в том, что он имеет один выход.

Коэффициент деления Кдел=Ксч может иметь постоянное или изменяемое (переменное) значение.

Делители с переменным коэффициентом деления (ДПКД) могут быть построены по различным схемотехническим вариантам. Например, с предустановкой исходного состояния, от которого ведется счет, до переполнения счетчика, либо с установкой заданного промежуточного значения, до которого, начиная с нулевого, ведется счет входных импульсов, а затем результат сбрасывается и начинается новый счетный цикл. Примеры счетчиков работающих по описанным правилам рассмотрены в [3, 4].

Пример ДПКД, построенного по первому варианту (с предустановкой исходного состояния) приведены на рисунке 9.63.

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.

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.

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 Uцап0,5*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; tпрбNp*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 U - 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:

.(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 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 U=10 мВ; абс. 5 мВ; отн. 50/255 < 0,2%.

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

По теореме Котельникова значения t=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

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;U = 10,23/1023 = 10 mB.

Согласно (10.2) абсолютная погрешность преобразования такого АЦП будет не больше, чем 5 mB, т.е. абс 5 mB, а относительная - не больше, чем (50 / 1023) [%], т.е. отн (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.

Рисунок 10.15

10.2.3 Устройство выборки и хранения (УВХ)

10.2.3.1 Обоснование применения УВХ

При аналогово-цифровом преобразовании быстро изменяющихся сигналов возникают динамические погрешности, которые определяются, во-первых, частотой и временем преобразования, а, во-вторых - апертурной погрешностью.

Погрешность, возникающая из-за несоответствия входного сигнала преобразованному цифровому значению, называется апертурной погрешностью АЦП. Это несоответствие возникает, если изменение входного сигнала в течение времени преобразования эквивалентно более чем единице младшего значащего разряда (МЗР). В этом случае, при быстро изменяющемся во времени входном сигнале создается неопределенность в том, каким в действительности было мгновенное значение входного сигнала в момент выборки.

Время между моментом фиксации мгновенного значения входного сигнала (моментом отсчета) и моментом получения его цифрового эквивалента называется апертурным временем.

Апертурная погрешность определяется приращением входного переменного во времени сигнала АЦП за время преобразования. Точное значение апертурной погрешности можно определить, разложив выражение для входного сигнала Uвх(t) в ряд Тейлора около точек отсчета, которое для i-й точки имеет вид

Uвх(ti+ta) = Uвх(ti) + tа. U`вх(ti) + (tа2/2). U``вх(ti) + ...(10.7)

В первом приближении апертурная погрешность может быть представлена в виде:

Ua (ti) =Uвх(ti+ta)-Uвх(ti) U`(ti). ta,(10.8)

где ta - апертурное время, которое для рассматриваемого случая равно времени преобразования tпрб АЦП.

Предположим, например, что входной сигнал имеет синусоидальную форму: Uвх(t) = Um sin 2f. t.

Тогда апертурная погрешность равна Ua (ti) = Um. 2f. tа. cos 2f. t.

Максимальное значение погрешности равно:

Ua max(ti)=Um. 2f. tа.(10.9)

Если принять, что для Np - разрядного АЦП апертурная погрешность не должна превышать шага квантования по уровню Uвх (рисунок 10.16), то между частотой сигнала f, апертурным временем tа и апертурной погрешностью имеет место соотношение:

.(10.10)

Разделив левую и правую части неравенства (10.10) на Um, получим:

.(10.11)

Например, если Np=8, а время преобразования АЦП tпрб = 7,5 мкс, то частота входного сигнала не должна превышать 83 Гц. В этом случае апертурная погрешность не превышает единицы младшего значащего разряда двоичного кода на выходе АЦП.

Рисунок 10.16

Для уменьшения апертурной погрешности АЦП обычно используются устройства выборки и хранения (УВХ), включаемые между входом АЦП и выходом источника аналогового сигнала.

10.2.3.2 Принцип действия, схема и основные параметры УВХ

Работа УВХ основана на принципе фиксации мгновенного значения изменяющегося во времени входного сигнала Uвх(t) на время, необходимое для последующего преобразования в АЦП. УВХ имеет два режима работы: выборки и хранения. В режиме выборки (слежения) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения преобразуемого сигнала Uвх(t) и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить (запоминать) на выходе мгновенное значение преобразуемого входного сигнала. Т.к. УВХ запоминает входной сигнал АЦП в момент времени, точно определяемый командой хранения, апертурное время и погрешность АЦП существенно снижается и определяется в основном апертурным временем УВХ - максимальным временем от момента подачи команды на хранение до момента начала перехода схемы в данный режим. Апертурное время УВХ обусловлено конечным временем переключения ключа, входящего в состав УВХ, при переходе схемы от выборки к хранению.

Схема простейшего УВХ показана на рисунке 10.17.

Рисунок 10.17

Размыкание и замыкание ключа определяется командным сигналом, поступающим от таймера. Когда ключ замкнут, выходной сигнал УВХ e0(t) изменяется в соответствии с входным сигналом es(t).

Когда ключ разомкнут, значение выходного сигнала определяется напряжением на конденсаторе.

На рисунке 10.18 показаны типовые сигналы на входе и выходе простого УВХ в предположении, что сопротивление источника равно нулю. Временной интервал, в течение которого ключ замкнут, - время выборки р. На практике сопротивление RS отличается от нуля, и конденсатор будет заряжаться в соответствии с входным сигналом с постоянной времени RS·С. Более того, требуется конечное время на отработку командных сигналов.

Рисунок 10.18

Поэтому выходной сигнал УВХ может существенно отличаться от идеального, что определяется несовершенством устройства и его погрешностями.

На рисунке 10.19 показаны типичные входной и выходной сигналы реального УВХ.



Рисунок 10.19

На выходной сигнал УВХ влияют временные задержки и неидеальность фиксации. Основные параметры процессов, показанных на рисунке, могут быть определены следующим образом.

Время выборки (Та) - определяется интервалом от момента поступления команды на выборку до момента, когда выходной сигнал станет равным входному с некоторой погрешностью (обычно 1%).

Апертурное время (Тр) - интервал от момента поступления команды на фиксацию до момента, когда ключ разомкнется. Оно определяется временем срабатывания переключающей схемы внутри УВХ. Для одного УВХ это время непостоянно, и обычно в технических данных указывается его среднее значение. Апертурное время типового УВХ может иметь значение 10 нс.

Время установления (ТS) - период, необходимый для затухания колебаний до некоторой величины (определяемой допустимой погрешностью). При переходе к режиму фиксации возникает переходной процесс, обусловленный реактивными элементами в схемах цифровой логики. Время установления для типового УВХ может быть от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд, в зависимости от требуемой точности.

Спад сигнала - медленное уменьшение выходного напряжения УВХ из-за токов утечки переключателя и буферного усилителя в течение времени фиксации.

Спад сигнала может быть существенно уменьшен, если на выходе УВХ включить буферный усилитель с высоким входным сопротивлением. Аналогично, можно включить буферный усилитель на входе УВХ для согласования его с источником входного сигнала. УВХ с буферными усилителями на входе и выходе показано на рисунке 10.20.

Рисунок 10.20

В цифровых системах операции выборки и хранения периодически инициируются таймерами. На рисунке 10.21 показаны процессы, протекающие в УВХ при постоянной частоте управляющих импульсов. Время между командными сигналами называется периодом квантования Т.

Рисунок 10.21

10.2.3.3 Функциональные возможности и схема включения микросхемы УВХ К1100СК2 (КР1100СК2)

Микросхемы серии К1100 (КР1100) и К1100СК2 (КР1100СК2) представляют собой устройство выборки и хранения аналогового сигнала (УВХ). По команде, поступающей на управляющий вход, они с высокой точностью запоминают мгновенное значение входного сигнала и в течении определенного времени поддерживают равное ему напряжение на выходе. Схемы предназначены для применения в цифровых системах совместно с аналого-цифровыми преобразователями для расширения частотного диапазона обрабатываемых сигналов.

Изображение корпуса микросхемы КР1100СК2 на сборочных чертежах приведено в [6].

Структура ИМС КР1100СК2 (рисунок 10.22) включает: схему управления электронным ключом (СУЭК), два операционных усилителя (DA1, DA2) и несколько вспомогательных пассивных электронных компонентов (диоды VD1, VD2 и резисторы R1, R2).

Рисунок 10.22

Назначение выводов ИМС:

1 - питание (+Uпит);

2 - балансировка напряжения сдвига нуля;

3 - вход УВХ;

4 - питание (-Uпит);

5 - выход;

6 - подключение емкости хранения;

7 - 2-й вход СУЭК;

8 - 1-й вход СУЭК.

Основные электрические параметры:

1. Номинальное напряжение питания	12 В
2. Ток потребления при Uпит=12 В	4 мА.
3. Время выборки при Схр = 1000 пФ	5 мкс
4. Апертурная задержка при Схр = 1000 пФ, не более	250 нс
5. Коэффициент передачи при Uпит = 12 В	1
6. Скорость изменения выходного напряжения в режиме хранения при Схр = 1000 пФ и Uвх = 5 В ... 0,2 мВ \ мс.	0,2мВ\мс.
7. Время установления в режиме хранения	0,4 мкс.
8. Напряжение смещения нуля	5 мВ.
9. Входное напряжение	5 В
10. Сопротивление нагрузки	10 кОм.
11. Управление микросхемой осуществляется от ТТЛ-логики: режиму выборки соответствует уровень 1 , режиму хранения - уровень 0.
12. В качестве емкости хранения рекомендуется использовать высокостабильные конденсаторы: металлокерамические, стеклокерамические или фторопластовые.

Типовая схема включения микросхемы КР1100СК2 показана на рисунке 10.23. В этой схеме балансировка напряжения смещения нуля в режиме выборки осуществляется резистором R2.

Рисунок 10.23

На рисунке 10.24 показана функциональная схема подсистемы ввода аналоговых сигналов в цифровую информационную систему с использованием УВХ типа КР 1102СК2.

По сигналам управления, поступающим от однокристальной микро ЭВМ (ОМ ЭВМ), мультиплексор подключает выбранный аналоговый сигнал ко входу УВХ. Последнее запоминает мгновенное значение этого сигнала и хранит его в течение времени преобразования АЦП.

Рисунок 10.24

10.2.4 АЦП MAX154

На современном рынке микросхем представлен широкий спектр СБИС АЦП, среди которых распространенными являются микросхемы фирмы «MAXIM».

Ниже рассмотрена одна из таких современных СБИС АЦП - MAX154, выполненная по КМОП технологии. Она представляет собой высокоскоростной четырехканальный АЦП, а также выполняет функции мультиплексора и УВХ.

10.2.4.1 Описание микросхемы MAX154. Временные диаграммы и режимы работы

Преобразователь имеет встроенное устройство выборки-хранения, мультиплексор, внутренний формирователь опорного напряжения: 2.5В.



Рисунок 10.25

Диапазон аналогового входа: от 0В до 5В.

Питающее напряжение: +5В.

Время преобразования на каждый канал: 2.5 мкс.

Погрешность: 1/2 МЗР

Потребляемый входной ток: 15мA

Допустимый диапазон рабочих температур: от -40°С до +85°С.

Интерфейс с микропроцессором упрощен возможностью адресации микросхемы как области памяти или порта ввода/вывода без использования внешней логики. В качестве выхода используется регистр-защелка с третьим состоянием, что позволяет напрямую подключить микросхему к шине данных или портам ввода.