Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Систем управління
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Мікропроцесори
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
ПЕРЕЛІК ПОЗНАЧЕНЬ
ВОК
–
вимірювально - обчислювальний комплекс
ІВС
–
інформаційно - вимірювальна система
СЗОД
–
система збирання і опрацювання даних
АСУТП
–
автоматизована система управління технологічними процесами
КСНР
–
комутатор сигналів низького рівня
ТЕП
–
термоелектричний перетворювач
ТО
–
термометр опору
МП
–
мікропроцесор
АДТ
–
аеродинамічна труба
БАК
–
багатоканальний аналоговий комутатор
АЦП
–
аналогово – цифровий перетворювач
ВСТУП
Автоматизація всіх технологічних процесів, в тому числі випробувань, складає основу технологічного процесу і є одним із основних напрямів розвитку промислового виробництва і народного господарства в цілому.
В процесі виробництва і експлуатації складних сучасних технічних об’єктів – машин, їх складових частин, в ході технологічних процесів, а також матеріалів і комплектуючих виробів важливе місце займають роботи, які пов’язані з визначенням характеристик даних об’єктів. Метою даних робіт є визначення відповідності характеристик заданим, прогноз чи експеримент. Відповідно, що завдяки великому об’єму і трудоємності таких робіт, вони підлягають автоматизації з метою підвищення продуктивності, скорочення часу і чисельності обслуговуючого персоналу, підвищення об’єктивності, точності і достовірності.
Найбільш підходящим для цього засобом є автоматизовані випробувальні системи, ядро яких складають ВОК, ІВС, СЗОД. Сучасний стан їх розвитку характеризується переходом до створення складних ієрархічних комплексів, в яких здійснюється децентралізована обробка інформації, а окремі їх частини переважно розподілені в просторі. Спостерігається тенденція до все більшого використання стандартних апаратних і програмних засобів спряження на всіх рівнях ієрархії, що дає можливість створювати подібні засоби безпосередньо у споживача, виходячи із його специфічних вимог.
Розвиток сучасної вимірювальної техніки, котра орієнтована на забезпечення рішення проблеми автоматизації управління найрізноманітнішими процесами (технологічними, випробувальними, дослідницькими, діагностичними і т. д.), супроводжуються бурхливим ростом різноманіття видів вимірювань при невпинному розширенні діапазонів вимірювань і підвищенні швидкодії і точності. Основною передпосилкою для розширення функціональних можливостей і принципова особливість сучасної вимірювальної техніки заключається у введенні в вимірювальний ланцюг програмованої обчислювальної потужності переважно у вигляді мікропроцесорного пристрою чи комп’ютера (мікрокомп’ютера). Перехід від цифрових вимірювальних приладів і пристроїв до процесорних вимірювальних засобів привів до того, що вимірювальний пристрій є об’єднанням двох частин – апаратної і програмної, так як значна частина вимірювальної процедури в них реалізується в числовій формі, тобто за допомогою вимірювальних перетворень числових масивів.
Розширення функціональних можливостей і підвищення метрологічного рівня електровимірювальних засобів основані на вдосконаленні і розвитку методів вимірювань, котрі опираються на нові технічні можливості.
Розвиток методології вимірювань величин на основі включення в вимірювальний ланцюг процесора веде за собою, як вже говорилося, бурхливий розвиток алгоритмічного забезпечення. Це потребує систематизації відомостей про їх особливості, можливостях і шляхах реалізації. При цьому слід мати на увазі, що вимірювальні перетворення здійснюються як в аналоговій так і в цифровій формах.
До числа типових додаткових вимірювальних перетворень, які виконуються в аналоговій формі, відносяться:
зміна величини;
зміна виду величини (наприклад, неелектричних величин в електричні для застосування методів і засобів електричних вимірювань);
функціональні перетворення при виконанні різних видів вимірювань, які передбачають використання відомого функціонального зв’язку між вхідним впливом і вимірювальною величиною;
подавлення завад;
комутація вхідних і перетворених сигналів.
Саме питанням комутації, тобто розробці багатоканального комутатора сигналів низького рівня, як складової цифрових вимірювальних систем і присвячено наступні розділи курсової роботи.
КОМУТАТОРИ СИГНАЛІВ
Загальна характеристика сигналів
Аналоговий комутатор використовується для переключення електричних сигналів, які безпосередньо змінюються. Якщо комутатор знаходиться в стані «включено», його вхідна напруга повинна, по можливості, бути рівною вхідній, якщо комутатор знаходиться в стані «виключено», вхідна напруга повинна бути максимально наближеною до нуля.
В інформаційно – вимірювальній техніці при реалізації аналогових вимірювальних перетворювань часто приходиться здійснювати електричні з’єднання між двома і більше точками вимірювальної схеми з метою викликати необхідний перехідний процес, розсіяти накопичену реактивним елементом енергію (наприклад, розрядити конденсатор), підключити джерело живлення вимірювального ланцюга, включити комірку аналогової пам’яті, взяти вибірку неперервного процесу при дискретизації і т. п. Крім того, багато вимірювальних засобів здійснюють вимірювальні перетворення послідовно над великим числом емпіричних величин, неелектричних величин з перетворенням в електричний сигнал, котрі розподілені в просторі. Для реалізації сказаного використовуються комутатори і вимірювальні аналогові ключі [ 10].
Комутатором (вимірювальним комутатором) називається пристрій, котрий перетворює просторово рознесені аналогові сигнали в сигнали, що розподілені в часі, і навпаки [7].
Формально операція комутації може бути виражена наступним чином:
(1.1)
включення:
(1.2)
Включення на інтервал Т:
(1.3)
Дане представлення операцій включення і комутації може бути використано при формуванні рівнянь вимірювань і при аналізі характеристик похибок результатів вимірювання.
Комутатори аналогових сигналів характеризуються наступними параметрами [15]:
динамічним діапазоном величин, які комутуються;
похибкою коефіцієнта передачі;
швидкодією;
числом комутуючих сигналів;
граничним числом переключень (для комутаторів з контактними вимірювальними ключами).
Комутатори в залежності від типу ключів, які використовуються, поділяються на контактні і безконтактні комутатори.
Сигнали, що поступають від аналогових датчиків, зазвичай змінюються поволі в порівнянні з швидкодією ЕОМ і інших пристроїв обробки і перетворення інформації. Останні не економічно використовувати тільки для одного інформаційного каналу. Більш того, для вирішення завдання зазвичай потрібна інформація про множину змінних.
У аналогових обчислювальних і керуючих пристроях часто потрібно змінювати їх параметри або структуру залежно від сукупності логічних змінних. Коротше кажучи, практично не існує скільки-небудь значного пристрою або системи, в якій не потрібно було б міняти напрямів передачі аналогових сигналів, включати і відключати їх від якихось приймачів, взагалі проводити з ними операції комутації. Формально операція комутації сигналу може бути визначена як множення сигналу Х(t) на функцію двійкової логіки, що приймає значення 0 або 1 і залежну від якихось логічних (цифрових) або аналогових аргументів. Комутація аналогових сигналів здійснюється за допомогою ключових схем або аналогових ключів.
Ідеальний ключ в принципі повинен володіти наступними властивостями:
а) мати два входи (виходи) або вхід і вихід для аналогових комутованих сигналів, тобто дві точки, які або електрично замкнуті між собою накоротко, або розімкнені;
б) мати дві (мінімум) точки підключення керуючого сигналу (або сигналів), який приймає значення нуля або одиниці;
в) не вносити ні в замкнутому, ні в розімкненому стані ніяких сигналів напруги або струму в ланцюзі комутованого сигналу, зокрема сигнали керування не повинні впливати на аналогові комутовані сигнали жодним чином, окрім множення їх на 0 і 1 залежно від значення функції керування;
г) швидкість замикання і розмикання аналогових входів (виходів) повинна бути нескінченно велика.
Насправді жодне з цих умов не виконується, що і визначає похибки ключових схем. Перш за все, кожен ключ має кінцеві опори між аналоговими входами (виходами) як в замкнутому, так і розімкненому станах Rз і Rр.
З схеми рисунка 1.1 а, витікає, що похибки, які вносяться кінцевими Rз і Rр, визначаються формулами:
(1.4)
де, відповідно в розімкненому і замкнутому станах, по цьому якість ключа визначається відношенням Rр/Rз. Якщо джерело сигналу — генератор струму, його комутації не можна проводити (принаймні, теоретично) послідовним ключем: ключ повинен бути включений паралельно навантаженню і джерелу сигналу (рисунок 1.1, б).
Рисунок 1.1 – Схеми включення аналогових ключів
Іноді комутацію проводять за допомогою двох ключів — послідовного і паралельного, що дозволяє істотно підвищити точність в розімкненому стані (рисунок 1.1, в).
Вплив сигналів керування і завад, що накладаються на комутуючі елементи ключів, може виявлятися двояко: у вигляді статичних завад (струмові витоки в розімкненому і зсув нуля по напрузі в замкнутому станах) і у вигляді динамічних завад, що виникають в моменти перемикання.
Динамічні завади при перемиканнях викликаються як проникненням крутих фронтів сигналів керування на виходи ключових схем через внутрішні ємності комутуючих елементів або ємності монтажу, так і розсмоктуванням об'ємних зарядів, накопичених в кристалах біполярних напівпровідникових елементів. Останнє відноситься до перемикання із стану «замкнутий» в стан «розімкнений».
Основними параметрами, які характеризують роботу вимірювального ключа в відкритому стані є опір R0 і напруга U0, що діють на затискачах ключа при нульовій вхідній напрузі. В закритому стані основними параметрами ключа є опір R3 і струм І3, який генерується ключем.
В ідеальному випадку R0 = 0, U0 =0, І0 = 0, R3 = ∞. Із – за різниці параметрів реальних ключів від ідеальних величин виникає похибка. В загальному випадку зв’язок вхідної Uвхі і вихідною Uвихі напругами і – ключа N – канального комутатора описується складним рівнянням (за рахунок взаємного впливу закритих ключів). Однак, якщо представити, що всі ключі мають однакові величини R3і = R3 і І0і = І0 і на їх входах діють максимальні рівні комутованих напруг Uвхі = Uвихі, то з врахуванням виконуваних на практиці вимірювань нерівностей Rі » R0, RН » Rі і R3 » RН, де – Rі – внутрішній опір джерела комутваної напруги, а RН – опір навантаження, отримаємо наступні оцінки адитивної ∆ і мультиплікативної похибок [ 8 ]:
(1.5)
(1.6)
На практиці, при побудові аналогових комутаторів використовуються різні типи ключів (на біполярних транзисторах, на МОП – транзисторах, на основі ключових схем з гальванічним розділенням комутованого сигналу і ланцюгів керування і в інтегральному виконанні і т. п. [2, 3]).
Найбільш близькими до ключів з ідеальними характеристиками є геркони (магнітно керовані герметичні контакти). Вони характеризуються малим і стабільним опором (Rі = 0,02 … 0,2 Ом), великим опором в розімкнутому стані (109 … 1015 Ом), але мають низьку швидкодію (0,5 … 2 мкс), термо – ЕРС до декількох мікровольт і строком служби, обмеженим 108 спрацюваннями.
Найбільше застосування в безконтактних комутаторах знаходять польові транзистори з наступними параметрами: R0 = 20 … 200 Ом, Rроз = 108 … 1010 Ом, U0 ≈ 0, І0 < 10 нА, час спрацювання у найбільш швидкодіючих – до 3 нс (приклад, інтегральна мікросхема К590КТ1) [10]. Приклад використання ключів К590КТ1 приведено на рисунку 1.2.
Комутатори аналогових (неперервних сигналів) в тому числі і комутатори сигналів низького рівня (КСНР) (з мікровольтними і мілівольтними вхідними напругами) використовуються в різного роду контролерах, інформаційно – вимірювальних системах (ІВС), автоматизованих системах управління технологічними процесами (АСУТП), вимірювально - обчислювальний комплекс (ВОК) як засоби, які дозволяють скоротити кількість обладнання в тих випадках, коли вимірювальні чи вхідні сигнали поступають чи видаються на множину входів чи виходів об’єкту контролю, регулювання, дослідження чи випробування.
Рисунок 1.2 – Використання ключів К590КТ1 в цифро – аналоговому перетворювачі
При цьому комутатор є програмно – керованим пристроєм, котрий дозволяє підключати любий із набору (що є в наявності) входів і виходів об’єкту та засобів видачі чи вимірювання, які входять в склад перерахованих пристроїв. В тому випадку, коли забезпечується точність метрологічних характеристик сигналів і похибка, яка вноситься комутатором в вимірювальний чи вихідний сигнал, може бути врахована, комутатор називається вимірювальним.
В приладному виконанні в складі ВОК знайшли застосування вимірювальні комутатори Ф799 і Ф7078. Дані комутатори мають модифікації з контактними і безконтактними комутуючими елементами (ключами), кількість яких може нарощуватися ступенями за рахунок зміни числа блоків ключів, які входять в комутатор.
В модульних ВОК комутатори можуть бути присутні як в якості функціональних пристроїв, які входять в склад модулів, так і як окремі модулі. При цьому окремі модулі комутації використовуються в тих випадках коли необхідно забезпечити підвищені метрологічні характеристики, або коли необхідно забезпечити отримання інформації по великому числі каналів. В таблиці 1.1 приведені характеристики модульних комутаторів [5,6].
Таблиця 1.1 – Типи і характеристики модульних комутаторів
модуля
Кіль-кість каналів
Число ліній в каналі
Тип комута-ційних елементів
Кому-туємий сигнал, В
Опір лінії, Ом
Час Тип пере-клю-чення мкс
Ос-нов-на по-хиб-ка, %
Тип інтер-фейса
зам-кну-тої
розім-кнутої
ФК78
32
2
б/к
±10
150
2∙108
2,5
±0,05
КАМАК
ФК79
к
±50
0,3
1∙109
2500
±0,02
МКАС-1
64
–
б/к
±5
–
–
0,5
0,05
И41
МКАС-2
16
–
100
0,05
МКБ
32
3
±12
370
1
–
МКБ1
8
±10
60
109
0,02
МКК
к
±110
0,5
500
0,01
Для підвищення економічності, інформативності, точності експериментальних досліджень в аеродинамічних трубах (АДТ), а також з метою оновлення парку вимірювального і обчислювального обладнання АДТ в ЦАГИ (Російська Федерація) створений тензометричний ВОК нового покоління ВОК М2. Розроблений в міжнародному стандарті VME комплекс забезпечує проведення основних видів випробувань в АДТ. Комплекс складається із модулів для вимірювання з високою точністю аеродинамічних навантажувань полів тиску (до 1024 точок), температури та інших фізичних величин.
Базовий склад комплексу включає шістнадцять тензометричних інтегруючих каналів, 128 швидкодіючих тензометричних каналів, вісім каналів вимірювання частоти, 128 дискретних каналів (по 64 вводи і виводи), шість каналів вимірювання температури. Комплекс функціонує в реальному масштабі часу.
В підсистемі для дослідження полів тиску на моделях використовуються багато точкові тензорезисторні напівпровідникові модулі тиску, сигнали яких вимірюються за допомогою швидкодіючого АЦП і аналогового комутатора.
Аналоговий комутатор має 64 канали при однолінійній комутації і 32 – при дволінійній. Діапазон комутуємих сигналів ± 10 В [1].
В автоматизованій системі збору інформації [12] застосовується 32 – канальний КСНР, який призначений для комутації сигналів від термоелектричних перетворювачів (ТЕП) і термометрів опору (ТО).
Як комутатор ТЕП, так і ТО виконані по ідентичній схемі, різниця лише в схемі підключення вхідних сигналів. В якості комутуючих елементів (ключів) використані герконові реле РЭС – 43.
Система, в якій здійснюється багатоканальні вимірювання, індикація і цифрова реєстрація напруги постійного струму та інших величин призначена для функціонування в складі ВОК для автоматизації повірки засобів вимірювань.
В серію подібних приладів і систем входять і так звані логери – програмовані багатоканальні прилади на базі МП, які здійснюють автоматичний збір вимірювальної інформації, її обробку, вивід даних на індикатор і комп’ютер, або побудовані на їх основі СЗОД [9,17,18 ].
Комутатори сигналів низького рівня використовуються і в автоматизованій системі контролю температур в силосах елеваторів на базі модулів ADAM – 4000. Кількість комутаторів в системі, які рознесені просторово – 10. В якості комутуючих елементів використовуються герконові реле РЭС – 44 [ 19].
На основі вище сказаного можна зробити висновок про те, що в склад цифрових пристроїв, інформаційно – вимірювальних систем, автоматизованих вимірювальних систем, вимірювально обчислювальних комплексів і контролерів побудованих на базі МП чи мікро контролерів слід вводити комутатори сигналів, які значно спрощують самі прилади і системи, зменшують їх затрати, габаритно розміри.
1.2 Комутатори сигналів низького рівня
У відповідності з рівнями комутуючих сигналів розрізняють БАК високого і низького рівня. Багатоканальні комутатори високого рівня розраховані на вхідні напруги ± 5, ±10, ± 20 В, БАК низького рівня – від одиниць мікровольт до 100 мВ. У випадку необхідності вимірювання напруги порядку сотень вольт є доцільною побудова інтегральних комутаторів на аналогових перемикачах струму.
Для зв’язку з джерелами мілівольтних рівнів (термоелектричними перетворювачами, термометрами опору) використовуються багатоканальні аналогові комутатори низького рівня. Проблеми, котрі виникають при комутації сигналів низьких рівнів, значно складніші, ніж для сигналів високих рівнів. Наприклад, великий вплив на точність передачі вхідного сигналу здійснює зміна температури і завади, які накладаються на вхідний сигнал. Для усунення впливу завади загального виду ефективним є використання диференціальних підсилювачів, використання скручених пар провідників і ідентичних ключі [8].
Головною ланкою комутатора аналогових сигналів є аналоговий ключ (АК). На базі АК розробляються прецизійні дільники напруги, перемикачі режимів, багатоканальні комутатори і т. п. В склад АК входить ключовий елемент, який безпосередньо здійсню комутацію сигналу, і схема керування ключовим елементом.
Розглядаючи взаємодію АК і комутуємої ланки, необхідно враховувати:
електричні параметри комутуємого ланцюга – полярність сигналу, який комутується, діапазон струму і напруги;
спосіб з’єднання ключового елементу і комутуємим ланцюгом: паралельний, послідовний, паралельно – послідовний, послідовно – паралельний.
В даних схемах АК функціонально аналогічний керованому контакту і по відношенню до кумутуємого ланцюга може бути охарактеризованим залишковою напругою замкнутого ключа
(1.7)
і залишковим струмом розімкненого ключа
(1.8)
де R0 – опір ключа в замкнутому стані; U0 – напруга, яка характеризує відкритий стан АК при нульовому струмі через нього; Gзв – провідність ключа в розімкненому стані I/Gзв; Іу – струм витоку розімкненого ключа при нульовій напрузі на ньому.
Коефіцієнти у виразах (1.7) – (1.8) залежать від керуючого сигналу, що з одного боку, ставить задачу стабілізації даного сигналу, з другого боку, дозволяє впливати на похибку, яку вносить КЕ.
Основними динамічними параметрами АК є час включення tвкл і час виключення tвикл, які визначають швидкодію ключа і враховують тривалість завершення перехідного процесу з заданою похибкою (по відношенню до значення комутованого сигналу). Для конкретних випадків застосування АК є необхідним використання додаткових параметрів. Так, для багатоканальних комутаторів важливим є розклад R0 окремих АК і різниці tвкл – tвикл, наявність паразитних зв’язків між ключами. Крім вказаних параметрів, АК характеризуються експлуатаційними параметрами: діапазон робочих температур, габарити і конструктивні особливості, допустима розсіювана потужність, напруга живлення, сумісність з цифровими ІС, можливість комутації одно полярних чи двох полярних сигналів, допустимі перепади комутуємих напруг чи струмів.
Враховуючи вище сказане і п. 1.1 можна сформулювати вимоги до проектованого комутатора:
багатоканальність;
мінімальний опір замкнутих контактів АК;
точність передачі вхідного сигналу;
мінімальна термо – ЕРС замкнутих каналів АК;
мінімальна напруга живлення схеми керування ключовим елементом;
режим роботи (циклічний, вибірковий);
можливість нарощування каналів;
можливість резервування каналів.
Всі перераховані вимоги: описані технічні характеристики і експлуатаційні параметри повинні враховуватися при проектуванні багатоканального аналогового комутатора сигналів низького рівня.
ПРОЕКТУВАННЯ БАГАТОКАНАЛЬНОГО КОМУТАТОРА СИГНАЛІВ НИЗЬКОГО РІВНЯ
Розробка та опис структурної схеми
Багатоканальний комутатор сигналів низького рівня призначений для комутації сигналів здавачів з n – каналів на 1 з метою проведення аналогово– цифрового перетворення вхідного сигналу в цифровий код з подальшим опрацюванням інформації в обчислювальному блоці.
Один із можливих прикладів багато точкового підключення передавачів з метою отримання інформації про стан об’єкту приведено в додатку ???????, де в якості передавачів використовуються термоелементні перетворювачі (ТЕП) і термометри опору [4]
Виходячи із проведеного в попередньому розділі аналізу, cформульованих вимог і вище сказаного розроблена структурна схема багатоканального комутатора сигналів низького рівня (Додаток А) яка включає наступні блоки:
блок гальванічної розв’язки;
блоки комутуючих елементів БКЕ1 … БКЕ4 (плати реле);
схему організації шини комутатора.
Блок гальванічної розв’язки виключає вплив завад цифрової частини на ланки аналогових сигналів і оберігає цифрову частину (системи чи контролера, в які входить комутатор) від випадкового проникнення небезпечних електричних напруг з боку аналогового входу.
Блоки комутуючих елементів БКЕ1 … БКЕ4 (плати реле) виконані по ідентичній схемі і призначені для комутації на вхід АЦП одного із каналів комутатора, до котрих підключені передавачі.
Схема організації шини комутатора призначена для виводу і керуванням блоками комутуючих елементів.
Блоки живлення і індикації на схемі не приведені по тій причині, що необхідно визначити в якому виконанні проектується комутатор і його застосування в вимірювальних пристроях, контролерах чи системах.
В даному випадку комутатор використовується я з керуванням з подачею коду із комп’ютера.
Розробка алгоритму функціонування комутатора
Проектування любого пристрою, в котрому задіяні засоби обчислювальної техніки зводиться до розробки як апаратної так і програмної складових.
Програмна частина в першу чергу передбачає формулювання вимог і розробку алгоритму функціонування. Алгоритм встановлює послідовність точно визначених дій, які приводять до рішення. При цьому послідовність дій може задаватись за допомогою словесного чи графічного описів. При розробці алгоритмів більш ширше використовується графічний спосіб опису у вигляді схеми алгоритму чи його представлення, котрий є зручним в багатьох практичних застосуваннях. Алгоритм в даному випадку представляється блоків, котрі виконують певні функції, і зв’язків між ними. Всередині блоків вказується пояснююча інформація, яка характеризує функції, які вони виконують [11].
Розроблено алгоритм функціонування комутатора. Схема алгоритму функціонування комутатора приведена в додатку Б.
При застосуванні комутатора в складі ІВС, ВОК, контролерів і т. п. даний алгоритм може бути реалізований у вигляді підпрограми, що входить у головну програму, або контролер у вигляді драйверів.
Згідно розробленої схеми алгоритму (див. додаток Б) комутатор функціонує наступним чином.
На початковій стадії встановлюється кількість каналів, до яких проводиться звернення. Після цього здійснюється перевірка режиму керування «Циклічний» чи «Вибірковий».
При циклічному режимі встановлюється початковий канал, з котрого починається зчитування і час затримки.
Встановлення часу затримки пов’язане з тим, що комутатор розроблений на основі комутуючих елементів з часом спрацювання tс = 1,5 ± 0,5 мс, тобто tс = 2 мс.
Дані згідно даної вітки алгоритму здійснюється циклічне зчитування всіх заданих у циклі каналів.
При вибірковому режимі задаються номери каналів по котрих буде здійснюватися опитування каналів і відбувається процедура, аналогічна циклічному режиму.
В обох випадках інформація з виходу кожного каналу подається в блок АЦП і в подальшому на блоки обробки отриманої інформації в залежності від використання комутатора в ІВС, ВОК чи інших контрольно – вимірювальних пристроях.
РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ КОМУТАТОРА
3.1 Обґрунтування вибору елементної бази проектованого комутатора
Інтегральні схеми, котрі використовуються в цифровій техніці, характеризуються великою кількістю показників, що визначають їх функціональні можливості, швидкодію, економічність, надійність, умови експлуатації, вартість і параметри вхідних і вихідних сигналів. При виборі серії ІС на початкових стадіях проектування із них цифрових вузлів і пристроїв особливого значення набувають наступні показники:
вид технології і параметри , що визначають кількість і напругу джерел(а) живлення;
напругу, що відповідає логічним константам (0 і 1);
споживана потужність;
швидкодія і функціональні можливості.
До основних параметрів відносяться: логічна функція, яка реалізується; навантажувальна здатність коефіцієнт розгалуження по виходу n; коефіцієнт об’єднання по входу m; середній час затримки і передачі сигналу tз.ср; статична завадостійкість Uз; споживана потужність Pср ; гранична робоча частота fгр.
Промисловістю освоєний масовий випуск ІС різного призначення, номенклатура яких постійно розширюється як за рахунок розробки нових серій, так і за рахунок збільшення типів ІС серій, що випускаються [4].
В даний час найбільше розповсюдження отримали ТТЛ і ТТЛШ - мікросхеми, оскільки вони при порівняно високій швидкодії володіють достатньо високою завадостійкістю. Серії ТТЛ і ТТЛШ-мікросхем достатньо розвинені в функціональному відношенні. В їх склад входять ІС різного ступеня інтеграції, які реалізують як функції окремих логічних елементів (ЛЕ), так і функції складних вузлів комп’ютера. Мікросхеми на основі ТТЛ - і ТТЛШ - логіки є на сьогоднішній час найбільш розповсюдженими логічними схемами, котрі використовуються в якості основної елементної бази при побудові комп’ютерів і пристроїв обчислювальної техніки в цілому.
Деякі серії ІС і їх параметри приведені в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 – Серії ІС і їх параметри
Тип
логіки
Серія
τзт.р, нс
Р, мВт
Ступінь інтеграції
Функціон.
аналог
ТТЛ
К155
10
10
ІС, СІС
SN74
КМ155
ТТЛШ
К531
3
20
ІС, СІС
SN74S
КР1531
3
4
IC, СІС
SN74F
К555
10
2
ІС, СІС
SN74LS
КМ555
К1533
4
2
ІС, СІС
SN74ALS
К589
5
8
МП ВІС
І3000
К1802
5
4
МП ВІС
-
ЕЗЛ
К500
2
25
ІС, СІС
МС10К
К1500
0,75
40
ІС, СІС
F100K
K1800
1,5
20
МП ВІС
MC10800
Всі приведені ТТЛ і ТТЛШ серії мікросхем працюють від джерела напруги живлення 5В і електрично сумісні одна з одною. Електронні вузли, які виконані на основі ІС однієї із серій , можуть бути безпосередньо з’єднані з вузлами, які виконані на основі ІС другої серії, при умові забезпечення вимог до навантажувальної здатності схем. Серії К155, К531, К555, К1531, К1533 випускаються в пластмасовому корпусі, а КМ155, КМ555 в керамічному корпусі типу DIP з штирковими виводами [16].
Не менш важливим при виборі елементної бази при розробці комутатора є те, що комутатор повинен працювати згідно технічного завдання і розробленої структурної схеми в складі пристроїв побудованих на основі ПК, в складі контролерів, основу яких складають ВІС МПК чи одно кристальні мікро контролери, в котрих напруга живлення + 5 В. Все це говорить про те, що для побудови цифрової частини комутатора в якості одного із основних типів ІС слід вибрати мікросхеми серій КМ 555 і КМ 155.
Крім цифрових елементів при проектуванні комутатора сигналів низького рівня використовуються аналогові ключі і дискретні елементи – діоди і оптронні ключі, котрі є основою для забезпечення оптронної розв’язки.
Основними комутуючими елементами при проектуванні багатоканальних комутаторів сигналів низького рівня є геконові реле, однак для побудови комутатора вибрані малогабаритні електромеханічні герконові реле РГК15, які є нейтральними одностабільними реле постійного струму і призначені для комутації електричних ланцюгів постійного і змінного струму. Вони найбільш наближені до ключів з ідеальними характеристиками – малий і стабільний опір R0 = 0,02 … 0,2 Ом, великий опір в розімкненому стані 109 … 1015 Ом, термо – ЕРС до декількох мікровольт і строком служби, обмеженим 108 спрацюваннями.
Технічні характеристики реле РГК15 приведені в табл. 3.2. (схема електрична принципова і розміщення виводів приведені на рисунках 3.1 і 3.2). Габаритні і установочні розміри реле РГК15 приведені на рисунку 3.3.
Таблиця 3.2 – Технічні характеристики реле РГК15
Загальна характеристика
Електромагнітні герконові в корпусі, опресовані пластмасою
1
2
Тип корпусу
типу DIP
Характер виробництва
серійне
Маса, г, не більше
8,5
Довжина, ширина, висота корпусу, мм, (з виводами)
23,7(28)х12,9х9,7(12,7)
Характеристики контактів
Кількість і тип
2 замикаючих
Тип герконів
МКА 20101
Опір, Ом
0,2(при 6В 10мА)
Час спрац./повер., мс
1,5/0,5
Максимальний режим комутації (Число комутаційних циклів)
=~10-3А 30В (9х107)
=~0,1А30В(9х106)
=~0,25А30В(9х105)
=~0,03А 180В (9х105)
Мін. режим комутації
=-5x10-6 А 5x10-2В
Параметри обмотки
Робоча напруга, В
5; 6; 12; 24
Опір, Ом
155; 650; 2400
Електрична надійність і опір ізоляції
Між контактами і обмоткою, між контактами
~500B; 200МОм
~200B; 200МОм
Умови експлуатації
Температура, °С
- 60 ÷ 85
Вологість, %
98 при 35 °С
Тиск, Па
84000 ÷ 303924
Вібронавантаження, Гц/g
1 -2000/20
Ударонадійність, g
150
На схемі (рисунок 3.4) показано, як необхідно керувати слабострумними 5 В реле безпосередньо від елементу ТТЛ. Діод VD шунтує індуктивний виброс.
Рисунок 3.1 – Схема електрична принципова
Рисунок 3.2 – Схема розміщення виводів
Рисунок 3.3 – Габаритні та установочні розміри
Рисунок 3.4 – Схема керування слабострумним реле
В якості шунтуючих діодів вибрані діоди КД522 [13,14]. Граничні експлуатаційні дані діода КД522:
постійна зворотна напруга:
а) 2Д522Б при 213 і 398 К і КД522Б при 218 і 358 К …….....………50 В;
б) КД522А при 218 і 358 К …………………………..…….…………30 В.
2) імпульсна зворотна напруга при скважності не менше 10:
а) 2Д522Б при τі ≤ 2 мкс і 213 – 398 К.….………………..…………..75 В;
б) КД522А при τі ≤ 10 мкс і 218 – 358 К.….……………..………......40 В;
в) КД522Б при τі ≤ 10 мкс і 213 – 398 К.……………………..……....60 В.
3) середній прямий струм:
а) 2Д522Б при 213 – 323 К і КД522А, КД522Б при 218 – 308 К...100 мА;
б) 2Д522Б при 398 К і КД522А, КД522Б при 358 К.…………..…..50 мА.
4) імпульсний прямий струм при τі ≤ 10 мкс без перевищення середнього прямого струму:
а) 2Д522Б при 213 – 323 К і КД522А, КД522Б при 218 – 308 К.1500 мА;
б) 2Д522Б при 398 К.……………………………...………………..500 мА;
в) КД522А, КД522Б при 358 К…………………………………….850 мА.
5) температура оточуючого середовища:
а) 2Д522Б………………………………………………….від 213 до 398 К;
б) КД522А, КД522Б………………………………………від 218 до 358 К.
Для оптронної розв’язки використовуються оптрони АОТ101. Принципова схема оптронної розв’язки приведена на рисунку 3.5.
Рисунок 3.5 – Схема оптронної розв’язки
3.2 Розробка та опис принципової схеми плати реле комутатора
На основі розробленої структурної схеми (див. додаток А) і вибраної елементної бази розроблена принципова схема плати реле комутатора, яка представлена в додатку В. В склад комутатора сигналів низького рівня входить чотири ідентичні плати реле, які виконані по однаковій схемі і дозволяють комутувати 128 каналів (128 на один). Управління комутатором (переключення каналів) здійснюється від ПК шляхом видачі двійкового коду на вхід комутатора, котрий поступає на блок гальванічної розв’язки і дешифратор блоків комутуючих елементів (дешифратор вибору плат реле). Кожна із чотирьох плат реле дозволяє комутувати по 32 канали, тобто сумарна кількість каналів – 128.
На платі реле розміщений дешифратор номера каналу, який виконаний на мікросхемах DD1, DD2, DD3.
При поступленні 5 – розрядного коду із плати управління комутатором (блок гальванічної розв’язки) дешифратором номера каналу здійснюється вибірка одного із 32 каналів, на котрі поступає вхідний сигнал з роз’ємів Х1 … Х7. Вихідний сигнал з плати реле комутатора подається на вихід для подальшого аналого – цифрового перетворення і опрацювання.
Для комутації вхідних сигналів (сигнали ТП різних градуювань, ТС – в даному випадку необхідно в склад комутатора включити джерело струму) в кожному каналі використовується вузол комутації, в який входить мікросхема DD4, діод VD1 і сам ключ на основі реле РГК15. В склад комутатора входить два 5В блоки живлення – для живлення обмоток реле і інтегральних мікросхем. Вихідний сигнал каналу поступає на роз’єм Х8.
Розводка друкованої плати реле комутатора приведена в додатку Г. Перелік елементів, котрі використовуються при розробці плати реле комутатора приведено в додатку Д. Схема розміщення елементів на друкованій платі – в додатку Е.
3.3 Реалізація комутатора у вибраній елементній базі
Сучасний етап розвитку електронно – обчислювальної техніки характеризується рядом значних змін в області створення елементної та конструктивної бази, вдосконалення способів компонування електронного обладнання, розробленні методів розрахунку і оцінки часових параметрів пристроїв, вузлів і комп’ютерів вцілому.
Дані зміни обумовлені наступними основними причинами:
різким підвищенням швидкодії елементної бази;
значним зростанням впливу міжелементних зв’язків на швидкодію і завадостійкість високопродуктивних пристроїв і комп’ютерів в цілому;
суттєвим зниженням амплітуд і потужностей робочих сигналів логічних елементів ІС і ВІС, з одного боку і підвищенням рівня зовнішніх завад з другого боку.
Тому конструкції вузлів і пристроїв ОТ в результаті розвитку елементної бази і підвищення складності ОТ стала визначати не тільки механічні, технологічні і надійні сні параметри, але і електронні параметри, такі як швидкодія і завадостійкість. Забезпечення швидкодії, завадостійкості і електромагнітної сумісності типових конструкцій ПК і комп’ютерів в цілому складають предмет електронного конструювання і на сьогоднішній день є одною з складових частин конструювання комп’ютерів в цілому. Застосування ІС і ВІС впливають на вибір і використання типових конструкцій конструктивно – технологічної бази. Високий рівень інтеграції ВІС, і відповідно вузлів і пристроїв побудованих на ВІС та інших конструктивних елементах в інтегральному виконанні, впливає на вибір числа контактів та типів з’єднань для зовнішніх зв’язків. Тому застосування ІС і ВІС, а також використання компоновочних конструктивно – технологічних рішень по конструкції комп’ютерів і засобів ОТ повинні знаходитись в тісному взаємозв’язку. Або іншим чином параметри елементів і конструктивно – технологічної бази повинні бути оптимальними і збалансованими між собою, вибиратися при проектуванні комп’ютерів і ЗОТ з врахуванням комплексного підходу.
Вибір оптимальних параметрів конструктивно – технологічної бази (оцінка числа зовнішніх і внутрішніх зв’язків, вибір габаритних розмірів, густини
23.11.2012 02:11-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора