Контрольная работа на тему:
«Проектирование автоматического интерфейса ввода-вывода»
Задание и исходные данные
Спроектировать автоматический интерфейс ввода-вывода (АИВВ), состоящий из канала измерения (КИ) в пределах от Uдо U и канала управления (КУ) напряжением в диапазоне от Uдо U с максимальной приведенной погрешностью EPS, и с временем измерения не более T. Для передачи выходного кода КИ в микропроцессорную систему спроектировать мультиплексор ( для передачи N разрядов счетчика (или регистра) по каналу из N проводников).
Для получения от микропроцессорной системы входного кода КУ спроектировать мультиплексор (для получения N разрядов двоичного кода регистра по каналу из N проводников). В КИ применить аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения. В КУ применить цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) параллельного действия.
Исходные данные
число разрядов N=4;
погрешность EPS=0,14 %;
период измерения T=0,001 с;
входные напряжения КИ:
U=8 мВ;
U=56мВ;
входные напряжения КУ:
U =3 В;
U=8 В.
Введение и описание структуры АИВВ
В общем случае автоматический интерфейс ввода-вывода (АИВВ) состоит из канала измерения (КИ) и канала управления (КУ). КИ реализован на усилителе постоянного тока (УПТ), аналого-цифровом или аналого-импульсном преобразователе (АЦП или АИП), регистре или счетчике (Р или С ) и мультиплексоре или дешифраторе( М или Д).
U
|
|
|
|
UUNNN
УПТ нормирует амплитуду входного сигнала (U) до стандартного уровня (U).
АЦП (АИП) преобразует нормированный сигнал (U) в код (N1), используя в качестве эталона опорное напряжение (U).
Р(С) и М(Д) осуществляют согласование кода на выходе АЦП с микропроцессором в координатах «пространство-время-функция».
Отличие АИП от АЦП состоит в том, что АЦП формирует код, развернутый в пространстве, а АИП – развернутый во времени, поэтому АИП соединяют по выходу со счетчиком (С) для преобразования в параллельный код.
Д применяют для преобразования одного пространственного кода в другой, а М- для раздельной во времени передачи пространственного кода по каналу связи с количеством проводников, меньшим разрядности кода.
На вход УПТ подается входное напряжение U в диапазоне от Uдо U и преобразуется им в напряжение U,стандартное для данного типа АЦП.
АЦП преобразует нормированное напряжение U в код, который сохраняется необходимое время в Р, а затем передается на шину данных микропроцессора через Д или М.
|
|
|
|
NNNNUU
В проектируемом АИВВ по заданию применяется АЦП на основе интегратора, счетчика и мультиплексора.
КУ реализован на мультиплексоре или дешифраторе (М или Д), регистре (Р), цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) и усилителе постоянного тока (УПТ).
Р и М и Д осуществляют согласование кода на входе ЦАП с микропроцессором в координатах «пространство-время-функция».
ЦАП преобразует код (N) в пропорциональное ему напряжение (U), используя в качестве эталона опорное напряжение (U).
УПТ преобразует амплитуду выходного сигнала ЦАП(U) в требуемое выходное напряжение(U).
На М (Д) подается входной код N от микропроцессорной системы, сохраняется необходимое время в Р и подается на ЦАП. ЦАП осуществляет преобразование этого кода в соответствующее напряжение, которое усиливается УПТ до уровня U
Проектирование канала измерения
Дано:
N=4;
=0,14 %;
T=0,001 с;
U =8 мВ;
U=56мВ.
Определить:N, N,K , a, F, R.
Проектирование счетчика.
а) По известной погрешности и дискрете =1 вычисляем значение минимального кода:
т.к. =
то
N===714
Что со
б) Из соотношения = определяем максимальный код счетчика
N= N=512=35842=4096
в) Оцениваем погрешность преобразования кода
===0,098
расчетное значение удовлетворяет условию, продолжаем проектирование. По справочникам выбираем суммирующий счетчик на 12 разрядов серии 564ИЕ16.
Проектирование мультиплексора
а) Определяем число входов мультиплексора.
Учитывая, что для двоичного кода
N=
Максимальный код N при b= b=1 находим, как N==2,
Тогда число информационных входов
n=logN= log2=12.
б) Находим число адресных входов a мультиплексора
а ===2
Необходим мультиплексор 12/4, управляемый по 2 адресным входам.
По справочнику выбираем мультиплексор К155КП5.
Расчет АЦП
а) Определяем опорную частоту
F===40960004,1МГц-нестандартная частота
б) Вычисляем длительность импульса, с
===0,24
===0,000125
===10
что соответствует условию задачи, т.к. .
в) Оцениваем погрешность во времени
==0,096,
что согласуется с условием задачи, поэтому продолжаем расчет.
Проектирование УДН
а) Определяем образцовое напряжение U дискреты, В, при опорном напряжении U =5В за период T=0.001
U===1,2
б) Определяем напряжение выхода УДН
U===0,625
U===5
в) Оцениваем погрешность по напряжению
===0,096,
что соответствует условию задачи.
Выбираем АЦП серии К572ПВ1.
Проектирование УПТ
а) Рассчитываем коэффициент усиления
K===90<500
Выбираем усилитель серии К140УД20,для которого выходной ток I=10 А
б) Расчет ведем методом графов
Для схемы сопоставим граф
В соответствии с графом составляем систему уравнений по законам Кирхгофа
по Iзакону для выхода e
по Iзакону для выхода e
;e=e-по II закону для выхода
Из решения системы уравнений находим
или U=
Для активного делителя напряжения на ДУ известно решение
U(0)=(0).
Из равенства исследуемого и желаемого решения для проводимостей получаем
или
=, т.е. 1+=1+,
откуда находим условие равновесия моста
=
для решения
U=U=U
в) Из полученного решения, зная ток ОУ, вычисляя значения резисторов, Ом
R=R===5
Из 5% ряда номиналов сопротивлений выбираем R=R=5Мом.
Для коэффициента усиления К=90 вычисляем резисторы, Ом
R=R===55555
Из 5% ряда выбираем ближайший номинал R= R==55 кОм при этом
K===90
Для рассчитанных значений проверим диапазон
а) Коэффициент усиления УПТ
К=К=90
б) Нижний порог входного напряжения, мВ
U===7 В
в) Верхний порог входного напряжения, мВ
U===55 В
Оцениваем рассчитанный диапазон с заданным, мВ
Ответ: счетчик 564ИЕ16, мультиплексор К155КП5,2 ОУ серии 140 УД с резисторами R= R=55 кОм, R= R=5 МОм, АЦП серии К572ПВ1.
Расчет канала управления
Дано:
=0,14 %;
К=1;
U =8 В;
U=3В.
Определить:N, N,K , a, n, R.
1.Проектирование регистра
а) Определяем минимальный код
N===714
б) Определяем максимальный код
N=N=512=2
в) Вычисляем погрешность по коду
,
т.к. продолжаем расчет. Выбираем 2 восьмиразрядных регистра 155ИР13, включая их параллельно.
2. Проектирование мультиплексора
а) Число разрядов мультиплексора
n===10
б)число адресных входов мультиплексора
а===1
Выбираем мультиплексор 564КП2
Расчет АЦП
а) Определяем опорное напряжение, В , принимая коэффициент запаса К=1,2
U=KU=1,2=9,6
б) Рассчитываем и U
===0,47
U===4,8
в) Вычисляем погрешность
,что удовлетворяет заданию.
Выбираем ЦАП серии К572ПА2
Расчет УПТ
Выбираем схему К140УД8( входной ток I=1A), коэффициент усиления К=1
Решение методом графов по Iи II законам Кирхгофа
После подстановки находим
U; K===1,
Что совпадает с предложенным К=1, когда R=.
Итоговая схема
Принимая R, определяем сопротивление резистора R, Ом
R===9,6
Из 5% ряда сопротивлений выбираем R=10,0. U=KU=1,2