Кафедра ЕіА
Контрольна робота на тему:
«Проектування автоматичного інтерфейсу введення-виведення»
Завдання та вихідні дані
Спроектувати автоматичний інтерфейс вводу-виводу (АІВВ), що складається з каналу виміру (КД) у межах від U
до U
і каналу управління (КУ) напругою в діапазоні від U
до U
з максимальною наведеної похибкою EPS, і з часом вимірювання не більше T. Для передачі вихідного коду КД в мікропроцесорну систему спроектувати мультиплексор (для передачі N
розрядів лічильника (або регістру) по каналу з N провідників).
Для отримання від мікропроцесорної системи вхідного коду КУ спроектувати мультиплексор (для отримання N розрядів двійкового коду регістра по каналу з N провідників). У КИ застосувати аналого-цифровий перетворювач (АЦП) послідовного наближення. В КУ застосувати цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) паралельного дії.
Вихідні дані
число розрядів N = 4;
похибка EPS = 0,14%;
період вимірювання T = 0,001 с;
вхідні напруги КВ:
U = 8 мВ;
U = 56мВ;
вхідні напруги КУ:
U = 3 В;
U = 8 В.
Введення і опис структури АІВВ
У загальному випадку автоматичний інтерфейс вводу-виводу (АІВВ) складається з каналу виміру (КІ) і каналу управління (КУ). КД реалізований на підсилювачі постійного струму (ППС), аналого-цифровому або аналого-імпульсному перетворювачі (АЦП або СВП), регістрі або лічильнику (Р або С) і мультиплексоре або дешифратор (М або Д).
U
U
U N
N
N
УПТ унормовує амплітуду вхідного сигналу (U ) До стандартного рівня (U).
АЦП (СВП) перетворить нормований сигнал (U) в код (N 1), використовуючи як еталон опорна напруга (U ).
Р (С) і М (Д) здійснюють узгодження коду на виході АЦП з мікропроцесором у координатах «простір-час-функція».
Відмінність СВП від АЦП полягає в тому, що АЦП формує код, розгорнутий у просторі, а СВП - розгорнутий у часі, тому СВП з'єднують по виходу з лічильником (С) для перетворення в паралельний код.
Д застосовують для перетворення одного просторового коду в інший, а М-для роздільного у часі передачі просторового коду по каналу зв'язку з кількістю провідників, меншим розрядності коду.
На вхід ППС подається вхідна напруга U в діапазоні від U
до U
і перетвориться їм в напругу U, стандартне для даного типу АЦП.
АЦП перетворить нормоване напруга U в код, який зберігається необхідний час в Р, а потім передається на шину даних мікропроцесора через Д або М.
N N
N
N
U U
У проектованому АІВВ за завданням застосовується АЦП на основі інтегратора, лічильника та мультиплексора.
КУ реалізований на мультиплексор або дешифратор (М або Д), регістрі (Р), цифро-аналоговому перетворювачі (ЦАП) і підсилювачі постійного струму (ППС).
Р і М і Д здійснюють узгодження коду на вході ЦАП з мікропроцесором у координатах «простір-час-функція».
ЦАП перетворює код (N ) У пропорційне йому напругу (U), використовуючи як еталон опорна напруга (U
).
УПТ перетворює амплітуду вихідного сигналу ЦАП (U) в необхідне вихідна напруга (U ).
На М (Д) подається вхідний код N від мікропроцесорної системи, зберігається необхідний час в Р і подається на ЦАП. ЦАП здійснює перетворення цього коду в відповідну напругу, яке посилюється ППС до рівня U
Проектування каналу вимірювання
Дано:
N = 4;
= 0,14%;
T = 0,001 с;
U = 8 мВ;
U = 56мВ.
Визначити: N , N
, K, a
, F
, R
.
Проектування лічильника.
а) За відомою похибки і дискретний
= 1 обчислюємо значення мінімального коду:
тому що =
то
N =
=
= 714
Що відповідає в двійковому коді N = 2
= 1024.
б) Зі співвідношення =
визначаємо максимальний код лічильника
N = N
= 512
= 3584
2
= 4096
в) Оцінюємо похибка перетворення коду
=
=
= 0,098
розрахункове значення задовольняє умові, продовжуємо проектування. За довідників вибираємо лічильник, що на 12 розрядів серії 564ІЕ16.
Проектування мультиплексора
а) Визначаємо число входів мультиплексора.
Враховуючи, що для двійкового коду
N =
Максимальний код N при b
= B
= 1 знаходимо, як N =
= 2
,
Тоді число інформаційних входів
n = Log
N
= Log
2
= 12.
б) Знаходимо число адресних входів a мультиплексора
а = =
= 2
Необхідний мультиплексор 12 / 4, керований по 2 адресним входів.
За довідником вибираємо мультиплексор К155КП5.
Розрахунок АЦП
а) Визначаємо опорну частоту
F =
=
= 4096000
4,1 МГц-нестандартна частота
б) Обчислюємо тривалість імпульсу, з
=
=
= 0,24
=
=
= 0,000125
=
=
= 10
що відповідає умові завдання, тому що .
в) Оцінюємо похибка в часі
=
= 0,096,
що узгоджується з вимогою завдання, тому продовжуємо розрахунок.
Проектування УДН
а) Визначаємо зразкове напруга U дискрети, В, при опорному напрузі U
= 5В за період T = 0.001
U =
=
= 1,2
б) Визначаємо напруга виходу УДН
U =
=
= 0,625
U =
=
= 5
в) Оцінюємо похибка по напрузі
=
=
= 0,096
,
що відповідає умові завдання.
Вибираємо АЦП серії К572ПВ1.
Проектування ППС
а) Розраховуємо коефіцієнт посилення
K = =
= 90 <500
Вибираємо підсилювач серії К140УД20, для якого вихідний струм I = 10 А
б) Розрахунок ведемо методом графів
Для схеми зіставимо граф
Відповідно до графом складаємо систему рівнянь за законами Кірхгофа
по I закону для виходу e
по I закону для виходу e
; E = E
-По II закону для виходу
З рішення системи рівнянь знаходимо
або U
=
Для активного дільника напруги на ДУ відоме рішення
U (0) =
(0).
З рівності досліджуваного і бажаного рішення для провідностей отримуємо
або
=
, Тобто 1 +
= 1 +
,
звідки знаходимо умова рівноваги моста
=
для вирішення
U =
U
=
U
в) З отриманого рішення, знаючи струм ОУ, обчислюючи значення резисторів, Ом
R = R
=
=
= 5
З 5% ряду номіналів опорів вибираємо R = R
= 5Мом.
Для коефіцієнта посилення До = 90 обчислюємо резистори, Ом
R = R
=
=
= 55555
З 5% ряду вибираємо найближчий номінал R = R
== 55 кОм при цьому
K =
=
= 90
Для розрахованих значень перевіримо діапазон
а) Коефіцієнт підсилення ППС
До = К
= 90
б) Нижній поріг вхідної напруги, мВ
U =
=
= 7
У
в) Верхній поріг вхідної напруги, мВ
U =
=
= 55
У
Оцінюємо розрахований діапазон з заданим, мВ
Відповідь: лічильник 564ІЕ16, мультиплексор К155КП5, 2 ОУ серії 140 УД з резисторами R = R
= 55 кОм, R
= R
= 5 МОм, АЦП серії К572ПВ1.
Розрахунок каналу управління
Дано:
= 0,14%;
К = 1;
U = 8 В;
U = 3В.
Визначити: N , N
, K, a
, N
, R
.
1.Проектірованіе регістру
а) Визначаємо мінімальний код
N =
=
= 714
б) Визначаємо максимальний код
N = N
= 512
= 2
в) Обчислюємо похибка за кодом
,
тому що продовжуємо розрахунок. Вибираємо 2 восьмирозрядних регістру 155ІР13, включаючи їх паралельно.
2. Проектування мультиплексора
а) Число розрядів мультиплексора
n =
=
= 10
б) число адресних входів мультиплексора
а = =
= 1
Вибираємо мультиплексор 564КП2
Розрахунок АЦП
а) Визначаємо опорне напруга, В, приймаючи коефіцієнт запасу К = 1,2
U = K
U
= 1,2
= 9,6
б) Розраховуємо і U
=
=
= 0,47
U =
=
= 4,8
в) Обчислюємо похибка
, Що задовольняє завданням.
Вибираємо ЦАП серії К572ПА2
Розрахунок ППС
Вибираємо схему К140УД8 (вхідний струм I = 1 A), коефіцієнт посилення К = 1
Рішення методом графів по I і II законами Кірхгофа
Після підстановки знаходимо
U ; K =
=
= 1
,
Що збігається із запропонованим К = 1, коли R =
.
Підсумкова схема
Приймаючи R , Визначаємо опір резистора R
, Ом
R =
=
= 9,6
З 5% ряду опорів вибираємо R = 10,0. U
= K
U
= 1,2