МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРНІГІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра Промислова електроніка ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА ДО ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ НА ТЕМУ: Пристрій аналізу та синтезу електричних сигналів на базі IBM PC Студент групи ПЕ-971 Дегтеренко А. М.
КОНСУЛЬТАНТИ: спец. частина Савенко О. В. економ. частина Бобор Л. М. організ. частина Сугоняко О. Д. охорона праці Городній О. М. Заст. зав. кафедри Савенко О. В. 2002р. Содержание Лист Введение 8 1 Аналитический обзор литературы 10 1. 1 Основные архитектуры построения ПЛИС 11 1. 2 Описание ПЛИС семейства ACEX 1K 14 1. 3 Конфигурирование ПЛИС 17
1. 4 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи 20 1. 4. 1 Особенности построения аналого-цифровых преобразователей 20 1. 4. 2 Особенности построения цифро-аналоговых преобразователей 24 1. 5 Способы обмена информацией с ЭВМ 28 1. 5. 1 Интерфейсы ЭВМ 28 1. 5. 2 Шина PCI 30 2 Описание схемы электрической функциональной 36 3 Описание схемы электрической принципиальной 40 4 Расчетная часть 47 4. 1 Расчет входных цепей устройства 47 4. 2 Выбор коммутаторов аналоговых сигналов 49 4. 3 Выбор операционного усилителя входного каскада 50 4. 4 Расчет коэффициентов усиления входного каскада 51
4. 5 Расчет конденсатора отсечки постоянной составляющей 53 4. 6 Выбор микросхемы ПЛИС 54 4. 7 Выбор аналого-цифрового преобразователя 55 4. 8 Выбор цифро-аналогового преобразователя 56 4. 9 Расчет блока формирования опорного напряжения 57 4. 10 Выбор усилителя для выходного каскада 58
4. 11 Расчет коэффициентов усиления выходного каскада 59 4. 12 Расчет блока запуска 60 4. 13 Расчет LC-фильтров 62 4. 14 Выбор стабилизаторов напряжения 63 4. 15 Расчет количества блокировочных конденсаторов 63 4. 16 Оценка погрешности измерений 64 4. 17 Расчет времени загрузки ПЛИС 65 4. 18 Расчет потребляемой мощности 66 5 Конструкторская часть 70
5. 1 Системные аспекты надежности измерительного оборудования 70 5. 2 Расчет надежности устройства 70 5. 3 Описание конструкции устройства 74 6 Программная часть 75 7 Экономическая часть 79 7. 1 Оценка затрат на создание устройства 79 7. 1. 1 Структура затрат на проектирование 79 7. 1. 2 Структура затрат на эксплуатацию устройства 79 7. 1. 3 Определение трудоемкости создания устройства 80 7. 1. 4 Расчет затрат на проектирование устройства 81 7. 1. 5 Расчет затрат на создание устройства 83 7. 2 Расчет расходов на эксплуатацию устройства 87 7. 3 Определение экономического эффекта от внедрения 89 7. 4 Выводы 90 8 Организационная часть 91 8. 1 Введение 91 8. 2 Структурная модель устройства 92 8. 3 Ранжирование структурных элементов изделия 93 8. 4 Формулировка функций 94
8. 5 Определение значимости функций и их относительной важности 95 8. 6 Определение затрат на реализацию функций 97 8. 7 Вывод 100 9 Охрана труда 102 9. 1 Задачи в области охраны труда 102 9. 1. 1 Опасность поражения электрическим током 103 9. 1. 2 Электромагнитное излучение 105 9. 1. 3 Ионизирующее излучение 106
9. 2 Пожарная безопасность электроустановок и радиоаппаратуры при работе с компьютерными технологиями 108
9. 2. 1 Общая характеристика пожарной опасности электроустановок и радиоаппаратуры 108
9. 2. 2 Причины возникновения пожаров в электронной аппаратуре 110 9. 2. 3 Термическое действие токов короткого замыкания 111 9. 2. 4 Причины возникновения коротких замыканий 112 9. 2. 5 Профилактика коротких замыканий 113 9. 2. 6 Перегрузки в электрических цепях 114 9. 3 Расчет инженерного решения 114 Заключение 117 Список сокращений 119 Литература 121 Приложение А - Схема электрическая функциональная 123 Приложение Б - Схема электрическая принципиальная 124 Приложение В - Листинг программы на Pascal 128 Приложение Г - Листинг программы на Assembler 140 Приложение Д - Листинг программы на AHDL 141 Приложение Е - Разъем шины PCI 147 Введение
В настоящее время значительная часть сложных электронных систем при эксплуатации ежедневно требует измерений многих параметров и характеристик электронных компонентов и блоков. Происходящее усложнение современных автоматизированных электронных систем приводит к увеличению требований как к качеству, так и к количеству измерений, в том числе к точности измерения физических величин, диапазону измеряемых параметров, чувствительности и быстродействию средств измерения.
Применение современной вычислительной техники открывает новые возможности в области измерительных приборов. Появляется возможность коренным образом изменить подход к формированию парка средств измерений.
На замену большому количеству узкоспециализированных и, зачастую, дорогостоящих приборов приходит поколение так называемых виртуальных приборов. Виртуальный прибор представляет собой обыкновенный персональный компьютер, оснащенный платой аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. Это позволяет производить анализ входных и формирование выходных сигналов измерительного прибора в цифровом виде, что позволяет резко ускорить сам процесс измерений и существенно повысить точность измерения отдельного параметра. Кроме того, основная нагрузка в области формирования и анализа сигналов перекладывается с аппаратных средств на программное обеспечение, что позволяет размещать на одном компьютере несколько различных виртуальных приборов без каких-либо затрат на дополнительное оборудование. Например, на одном компьютере могут быть реализованы осциллограф, генератор различных сигналов, селективный вольтметр, анализатор спектра, измеритель АЧХ и др. Использование виртуальных приборов открывает путь широкой и оперативной модернизации измерительных средств по мере расширения круга задач, возложенных на эти средства. Современные средства программирования позволяют создавать интерфейс пользователя прибора простым, удобным в эксплуатации и не требующим каких-либо специализированных знаний.
Программная часть виртуального прибора может эмулировать переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. Сама панель, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного прибора такая виртуальная панель может быть многократно реконфигурирована в процессе работы. Использование виртуальных приборов упрощает процедуру формирования отчетов, хранения и обработки результатов измерений и открывает путь к автоматизации измерений [ ].
В дипломной работе сделана попытка спроектировать измерительную плату расширения стандартных возможностей ПЭВМ, которая позволяет измерить параметры входного электрического сигнала, а также синтезировать выходной сигнал. Устройство анализа и синтеза электрических сигналов на базе IBM PC представляет собой новое направление развития измерительного оборудования. Предназначено для мониторинга (наблюдения), измерения временных и амплитудных параметров, регистрации как случайных (однократных), так и периодических сигналов. Сочетание измерительного устройства и ПК открывает новые возможности, недостижимые автономным устройствам в обработке, сохранении, предоставлении и передаче данных. 1 Аналитический обзор литературы
В данном дипломном проекте разрабатывается устройство анализа и синтеза электрических сигналов на базе IBM PC. Данная тема является достаточно актуальной поскольку представляет собой новое направление в развитии измерительного оборудования.
В этом разделе дипломного проекта рассмотрим некоторые возможные варианты построения отдельных частей разрабатываемого устройства, проведем выбор схемного решения для аналоговой и цифровой части.
Проектирование сложных аналого-цифровых устройств требует большого количества ресурсов и времени. Развитие полупроводниковых технологий позволило принципиально изменить подход к проектированию цифровой части устройств и создать программируемые логические интегральные микросхемы. Преимущества микросхем ПЛИС по сравнению с жесткой логикой: 1) высокое быстродействие;
2) высокая степень интеграции, позволяющая разместить цифровое устройство в одном кристалле и тем самым снизить время и затраты на трассировку и производство печатных плат;
3) возможность перепрограммирования непосредственно в системе; 4) сокращение времени разработки и производства цифровой части устройства; 5) удобство и простота в отладке работы устройства (в частности моделирование и анализ работы схемы при помощи программного обеспечения, поставляемого фирмой-изготовителем ПЛИС);
6) сравнительно низкая стоимость (в пересчете на один логический вентиль). Современные ПЛИС предоставляют разработчику много интересных архитектурных и функциональных особенностей, делающих возможным
построение на одном кристалле цифровых устройств различного назначения и сложности. 1. 1 Основные архитектуры построения ПЛИС
Простейшие ПЛИС —программируемые логические матрицы, это наиболее традиционный тип ПЛИС, имеющий программируемые матрицы “И” и “ИЛИ”. Построение микросхем ПЛМ (рисунок 1. 1) основано на том, что любая комбинационная функция может быть представлена в виде логической суммы и логических произведений. Рисунок 1. 1 - Построение ПЛМ
Недостаток такой архитектуры —слабое использование ресурсов программируемой матрицы “ИЛИ”, поэтому дальнейшее развитие получили микросхемы, построенные по архитектуре программируемой матричной логики , имеющие программируемую матрицу ”И” и фиксированную матрицу “ИЛИ”. К этому классу относятся большинство современных ПЛИС небольшой степени интеграции. Разновидностью этого класса являются ПЛИС, имеющие только одну (программируемую) матрицу “И”.
Следующий традиционный тип ПЛИС —программируемая макрологика. ПЛИС такого типа содержат единственную программируемую матрицу “И-НЕ” или “ИЛИ-НЕ”, но за счёт многочисленных инверсных обратных связей способны формировать сложные логические функции [ ]. Выше перечисленные архитектуры ПЛИС содержат небольшое число ячеек, к настоящему времени морально устарели и применяются для реализации относительно простых устройств, для которых не существует готовых ИС средней степени интеграции. Следующие классы ПЛИС – ПКМБ и ПВМ.
ПКМБ –это ПЛИС, содержащие несколько МЛБ, объединённых коммутационной матрицей. Каждый МЛБ представляет собой структуру типа ПМЛ, то есть программируемую матрицу “И”, фиксированную матрицу “ИЛИ” и макроячейки. ПЛИС типа ПКМБ, как правило, имеют высокую степень интеграции (до 10000 эквивалентных вентилей, до 256 макроячеек). ИС ПКМБ имеют архитектуру, весьма удобную для реализации цифровых автоматов.
ПВМ –это ПЛИС состоящие из ЛБ и коммутирующих путей в виде программируемых матриц соединений. ЛБ таких ПЛИС состоят из одного или нескольких относительно простых логических элементов, в основе которых лежит таблица перекодировки, программируемый мультиплексор, D-триггер, а также цепи управления (рисунок 1. 2). Рисунок 1. 2 - Логический элемент ПВМ
В структуре современных ПЛИС простых логических элементов может быть достаточно много, например, у ПЛИС емкостью до 1 миллиона вентилей число логических элементов достигает нескольких десятков тысяч. За счет такого большого числа логических элементов они содержат значительное число триггеров, а также некоторые семейства ПЛИС имеют ВБП, что делает ПЛИС данной архитектуры весьма удобным средством реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов, основными операциями в которых являются перемножение, умножение на константу, суммирование и задержка сигнала. Вместе с тем, возможности комбинационной части таких ПЛИС ограничены, поэтому совместно с ПВМ применяют ПКМБ для реализации управляющих и интерфейсных схем.
В зарубежной литературе такие ПЛИС получили название FPGA. К ПВМ классу относятся ПЛИС XC2000, XC3000, XC4000, Spartan, Virtex фирмы XILINX; ACT1, ACT2 фирмы ACTEL, а также семейства FLEX8000 фирмы ALTERA, некоторые ПЛИС Atmel и Vantis.
Дальнейшее развитие архитектур идет по пути создания комбинированных архитектур, сочетающих удобство реализации алгоритмов ЦОС на базе таблиц перекодировок и реконфигурируемых модулей памяти, характерных для ПВМ-структур и многоуровневых ПЛИС с удобством реализации цифровых автоматов. Так, ПЛИС APEX20K фирмы Altera содержат в себе логические элементы всех перечисленных типов [ ]. 1. 2 Описание ПЛИС семейства ACEX 1K
Семейство ПЛИС ACEX 1K является на данный момент одним из самых популярных и является элементной базой для реализации алгоритмов ЦОС, построения сложных устройств обработки данных и интерфейсов [ ]. Это объясняется тем, что, благодаря большой логической емкости, удобной архитектуре, включающей встроенные блоки памяти , достаточно высокой надежности и удачному соотношению цена - логическая емкость, данные ПЛИС удовлетворяют разнообразным требованиям, возникающим у разработчика как систем ЦОС, так и устройств управления, обработки данных и т. п.
В настоящее время выпускаются ПЛИС семейства ACEX 1K с напряжением питания 3, 3В и 2, 5В.
Обобщенная функциональная схема ПЛИС семейства ACEX 1K приведена на рисунке 1. 3 [ ]. Рисунок 1. 3 - Функциональная схема ПЛИС семейства ACEX 1K
В основе архитектуры лежат ЛЭ. ЛЭ содержит четырехвходовую таблицу перекодировок, которая обеспечивает реализацию логических функций, синхронный триггер, цепи ускоренного цепочечного переноса и каскадирования. ЛЭ объединяются в группы–ЛБ (каждый из блоков содержит восемь ЛЭ). Внутри логических блоков ЛЭ соединяются посредством ЛМС, позволяющей соединять любой ЛЭ с любым. ЛБ связаны между собой и с элементами ввода-вывода посредством ГМС.
Локальная и глобальная матрицы соединений имеют непрерывную структуру - для каждого соединения выделяется единый, непрерывный в рамках СБИС (либо логического блока) канал. Двухуровневая архитектура и использование непрерывной структуры соединений на каждом уровне иерархии обеспечивают: - высокое быстродействие реализуемых устройств;
- возможность точного предсказания задержки распространения сигналов; - высокую скорость автоматической разводки СБИС;
- возможность размещения выводов СБИС в соответствии с требованиями разработчика.
Все ПЛИС семейства ACEX 1K совместимы по уровням с шиной PCI, имеют возможность как последовательной, так и параллельной загрузки, полностью поддерживают стандарт JTAG.
Сигналы на вход ЛМС поступают как строки ГМС, так и с выходов каждого из ЛЭ, входящих в состав ЛБ. Сигналы на вход ЛМС поступают как на строку, так и на столбец ГМС.
Элемент ввода-вывода ПЛИС семейства ACEX 1K соединяет канал строки или столбца ГМС с выводом микросхемы. Элемент ввода-вывода позволяет осуществить ввод-вывод бита данных с различными скоростями, временное хранение данных, эмуляцию открытого коллектора. Наличие входного и выходного регистров позволяет хранить данные, что снижает логическую нагрузку на ЛЭ и высвобождает ресурсы ПЛИС для реализации других функций. Скорость переключения буфера элемент ввода-вывода может быть задана при конфигурации ПЛИС. Пониженная скорость переключения позволяет снизить уровень помех в системе [ ]. 1. 3 Конфигурирование ПЛИС
В настоящее время используются в основном две технологии для хранения информации о конфигурации - статическое ОЗУ (SRAM) или электрически перепрограммируемое ПЗУ (EEPROM или FLASH) [ ]. Возможно использо-вание EPROM, но в этом случае возможно только однократное программирование микросхемы. Микросхемы на EEPROM и FLASH обеспечивают энергонезависимое хранение конфигурации, но одновременно и многократное программирование (в том числе и на распаянной плате). Микросхемы на SRAM должна каждый раз при включении питания конфигурироваться. Конфигурационная информация в данном случае хранится во внешнем ПЗУ. SRAM-технология обеспечивает меньшее энергопотребление и позволяет реконфигурировать ПЛИС за десятки миллисекунд. При конфигурировании ПЛИС применятся такие режимы [ ]:
Режим последовательной пассивной конфигурации (PS Mode)—конфигурация по последовательному синхронному порту микропроцессора или устройству Byte Blaster, Bit Blaster, Master Blaster. Этот режим применяется для загрузки конфигурации ПЛИС, выполненных по технологии SRAM, таких семейств, как FLEX6000, 8000, 10K и ACEX 1K.
Режим программирования по порту JTAG (JTAG mode) применяется для программирования в системе ПЛИС ПКМБ, конфигурационных ПЗУ, а также загрузки SRAM устройств (правда, реже чем PS Mode).
Пассивный параллельный синхронный режим — конфигурация по синхронному параллельному порту микропроцессора. Пассивный параллельный асинхронный режим — конфигурация по асинхронному параллельному порту микропроцессора. JTAG интерфейс представляет собой последовательный интерфейс, имеющий 5 линий: TDI, TDO, TCK, TMS, TRST [ ].
TDI - последовательный вход. Через него подаются входные данные и команды. TD - последовательный выход.
TCK - вход синхронизации обмена. Данные записываются в сдвиговые входные регистры JTAG-контроллера микросхемы через TDI по фронту TCK, считываются через TDO по спаду TCK. Максимальная частота синхроимпульсов TCK составляет 5-15 МГц для различных микросхем, минимальный предел частоты стандартом не определен. TMS - этот сигнал управляет режимом JTAG интерфейса. Состояние TMS считовается по положительрому фронту TCK, в другие моменты состояние его безразлично. TRST - сброс в начальное состояние.
Сигнал необязательный, так как существует команда RESET, выполняющая те же действия.
JTAG интерфейс позволяет производить тестирование устройств любой степени сложности, не выпаивая их с платы. Существует два типа тестов: внутренний и внешний. Внутренний тест подразумевает отсоединение ядра микросхемы от внешнего интерфейса. Оно получает команды через линии JTAG и через TDO передаёт свой отклик. По отклику определяется исправность устройства. Внешний тест выключает из работы ядро микросхемы и даёт возможность через линии JTAG управлять выходными линиями. Это позволяет проверить взаимосвязи между разными микросхемами устройства.
Использование последовательной передачи данных даёт возможность объединять различные микросхемы в одну цепочку посредством соединения TDO одной с TDI следующей.
Программное обеспечение создает конфигурационную последователь-ность, которая загружается в ПЛИС с помощью специализированного загрузочного кабеля (ByteBlaster, BitBlaster или MasterBlaster для устройств фирмы Altera) [ ]. Кроме того, для программирования таких ПЛИС можно использовать стандартный JTAG тестер или простой интерфейс, эмулирующий последовательность команд JTAG. В пассивный последовательный интерфейс входят пять линий: nSTATUS, nCONFIG, CONF_ DONE, DCLK, DATA. Диаграмма работы этого интерфейса изображена на рисунке 1. 4.
Рисунок 1. 4 - Диаграмма работы последовательного пассивного режима конфигурации
nCONFIG - линия контроля конфигурации. Если на этот вход ПЛИС по этой линии подать логический ноль то ПЛИС сбросится, по переходу на этом входе ноль-единица происходит конфигурирование ПЛИС.
nSTATUS - двунаправленная линия, ПЛИС устанавливает nSTATUS в ноль сразу после включения питания на 5мкс (если используется конфигурационное ПЗУ, то оно устанавливает ноль на 200 мс), если происходит ошибка конфигурации ПЛИС то на этой линии устанавливается ноль.
CONF_DONE - двунаправленная линия, ПЛИС выставляет на ней ноль перед и в течении конфигурации. Когда конфигурационные данные загрузились в ПЛИС без ошибки то ПЛИС отпускает эту линию (CONF_DONE через подтягивающий резистор подсоединен к питанию). DCLK - линия для передачи тактовых сигналов. DATA - линия для передачи конфигурационных данных.
При необходимости загрузки ПЛИС большой емкости используется каскадное включение нескольких ПЗУ. Кроме использования ПЗУ, ПЛИС можно конфигурировать с использованием контроллера системы, в которой применена ПЛИС. 1. 4 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
Увеличение скорости и точности обработки информации в устройствах и системах радиоэлектронной и вычислительной техники потребовало разработки большого класса быстродействующих однокристальных схем аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП) широкого применения.
1. 4. 1 Особенности построения аналого-цифровых преобразователей
В последнее время получила распространение классификация АЦП, показывающая, как во времени развертывается процесс преобразования. Исходя из этого все АЦП можно разбить на три типа последовательные, параллельные и параллельно-последовательные. К последовательным АЦП относятся, например, преобразователи, основанные на преобразовании напряжение - частота, интегрирующего типа, последовательных приближений, следящего типа [ ]. Все эти АЦП позволяют получить высокую разрядность, однако имеют относительно невысокое быстродействие.
Рассмотрим работу последовательного аналого-цифрового преобразо-вателя, схема которого приведена на рисунке 1. 5. Рисунок 1. 5 - Схема последовательного АЦП
Тактовым импульсом (ТИ) счетчик (Сч) сбрасывается в нулевое состояние. Нулевое напряжение Uoc= 0 возникает на выходе ЦАП, преобразующего число счетчика в пропорциональное напряжение. Устанавливается Uвх > Uос, при котором компаратор К подает на вход элемента И уровень логической "1". При этом импульсы генератора импульсной последовательности (ГИП) проходят через элемент И на вход счетчика.
Каждый поступивший на вход счетчика импульс вызывает увеличение хранившегося в нем числа на единицу, на одну элементарную ступеньку напряжение возрастает на выходе ЦАП. Таким образом, напряжение Uос растет по ступенчатому закону. В момент времени, когда напряжение Uос достигает уровня, превышающего Uвх, компаратор выдает уровень логического "0", и в дальнейшем прекращается доступ импульсов генератора в счетчик. Полученное к этому моменту времени в счетчике число пропорционально напряжению Uвx.
Параллельно-последовательные АЦП представляют собой комбинацию из малоразрядных параллельных АЦП, ЦАП, операционных усилителей (ОУ), устройств выборки-хранения (УВХ) и т д. Принцип преобразования таких АЦП обычно сводится к двухступенчатому алгоритму - в начале производится определение старших разрядов значения входного напряжения с помощью первого малоразрядного параллельного АЦП, затем формируется разностный сигнал с помощью ЦАП и ОУ и осуществляется формирование младших разрядов с помощью второго малоразрядного параллельного АЦП. Основными недостатками АЦП такого типа являются наличие большего числа линейных узлов, требования к точностным и динамическим характеристикам которых очень высоки, а также трудности, связанные с прецизионной стыковкой этих узлов друг с другом, что требует настройки каждого индивидуального преобразователя. По указанным причинам такие АЦП в полупроводниковом интегральном исполнении в настоящее время практически не выпускаются. Они изготавливаются в виде блоков, гибридных микросхем, печатных плат [ ].
Параллельные АЦП построены на принципе одновременного преобразования сигнала путем его квантования с помощью набора компараторов. Такие АЦП являются самыми быстродействующими и позволяют достичь частот преобразования до 100-300 МГц. К недостаткам параллельных АЦП относится резкое увеличение числа компонентов при увеличении разрядности, что, в свою очередь, приводит к увеличению потребляемой мощности и размеров кристалла.
В общем случае построение всех параллельных АЦП однотипно: делитель опорных напряжений, набор компараторов напряжения, шифратор, выходные каскады (рисунок 1. 6).
Рисунок 1. 6 - Схема параллельного аналого-цифрового преобразователя
Параллельный АЦП работает следующим образом: входной сигнал подается одновременно на одни входы компараторов, в которых он сравнивается с опорными напряжениями, подаваемыми на другие входы компараторов от делителя опорных напряжений. Основным узлом параллельных АЦП являются компараторы напряжения. Как правило, в быстродействующих АЦП они выполняются стробируемыми, то есть в состав компаратора входит устройство, переключающее компаратор из режима сравнения сигналов в режим хранения результата. Особенностью стробируемых компараторов напряжения являются небольшой коэффициент усиления в режиме сравнения и резкое его увеличение при стробировании, то есть при переходе в режим хранения результата сравнения. Такое построение позволяет получить большую полосу пропускания по аналоговому входу при большой его чувствительности.
В момент подачи на тактовый вход стробирующего сигнала на выходах компараторов фиксируется значение кода, соответствующее мгновенному значению входного сигнала. Далее результат кодирования с выходов компараторов подается на шифратор, в котором происходит преобразование в выбранный тип выходного кода АЦП. С выхода шифратора сформированный код подается на выходные каскады преобразователей внутрисхемных уровней в стандартные уровни ЭСЛ, ТТЛ или КМОП [ ].
1. 4. 2 Особенности построения и конструктивное исполнение цифро-аналоговых преобразователей
Цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, генерирующие выходную аналоговую величину, соответствующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя [ ]. Цифро-аналоговые преобразователи используются для согласования ЭВМ с аналоговыми устройствами, а также в качестве внутренних узлов в аналого-цифровых преобразователях и цифровых измерительных приборах. Цифро-аналоговое преобразование в ЦАП состоит в суммировании эталонных величин, соответствующих разрядам входного кода. Применяются в основном два метода цифро-аналогового преобразования: суммирование единичных эталонных величин и суммирование эталонных величин, веса которых отличаются. В первом при формировании выходной аналоговой величины используется только одна эталонная величина весом в один квант. Во втором методе применяются эталонные величины с весами, зависящими от номера разряда, и в суммировании участвуют только те эталонные величины, для которых в соответствующем разряде входного кода имеется единица. Работа таких ЦАП описывается выражением (1. 1). , (1. 1) где Х - выходная аналоговая величина; Р - опорный сигнал;
а - коэффициенты соответствующих двоичных разрядов, которые принимают дискретные значения единица или нуль; n - число разрядов.
Опорным сигналом может служить напряжение постоянного или переменного тока. В преобразователях из опорного сигнала формируются эталонные величины, соответствующие значениям разрядов входного кода, которые суммируются и образуют дискретные значения выходной аналоговой величины. Дальнейшая классификация ЦАП может быть проведена по разным признакам [ ]: 1) способу формирования выходного сигнала (с суммированием напряжения, делением напряжения, суммированием токов); 2) роду выходного сигнала (с токовым выходом, выходом по напряжению); 3) полярности выходного сигнала (униполярные, биполярные); 4) характеру опорного сигнала (постоянный, переменный);
5) конструктивно-технологическому исполнению (модульные, гибридные, интегральные);
6) типу элементов для суммирования и деления (резистивные, емкостные, оптоэлектронные).
Основные структуры, широко используемые в ЦАП интегрального исполнения - это структуры с суммированием токов [ ].
ЦАП со взвешенными резисторами в цепях эмиттеров (рисунок 1. 7). Структура характеризуется малой рассеиваемой мощностью, независимостью токов разрядов друг от друга, большим диапазоном сопротивлений резисторов и большим значением напряжения смещения нуля на выходе.
Рисунок 1. 7 - Цифро-аналоговый преобразователь со взвешенными резисторами в цепях эмиттеров
ЦАП с лестничной матрицей R = 2R в цепях эмиттеров транзисторов источников токов (рисунок 1. 8). В этой структуре суммарное сопротивление резисторов и диапазон сопротивлений намного меньше, чем в первых двух, однако, при “подгонке”тока одного из разрядов изменяются токи соседних, что создает неудобства при настройке прибора. ЦАП с выходной лестничной матрицей R = 2R характеризуется наименьшим значением суммарного сопротивления [ ].
Рисунок 1. 8 - Цифро-аналоговый преобразователь с лестничной матрицей в эмиттерах источников токов
На рисунке 1. 9 показан ЦАП с комбинированным взвешиванием. В таких структурах взвешивание в каждом разряде или их группе выполняется различными способами.
Рисунок 1. 9 - Цифро-аналоговый преобразователь с комбинированным взвешиванием 1. 5 Способы обмена информацией с ЭВМ
Для эффективной реализации проектируемого устройства необходимо выбрать оптимальный способ обмена информацией между аппаратной и программной частями устройства, другими словами требуется рассмотреть возможные варианты построения подсистемы ввода-вывода в ПЭВМ.
Устройствами ввода-вывода являются те устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Они работают по различным принципам, но предназначаются для реализации одной задачи - позволить пользователю или другому внешнему устройству связаться со своим компьютером. 1. 5. 1 Интерфейсы ЭВМ
Для подключения внешних устройств к персональным компьютерам IBM используют два стандартных интерфейса: последовательный интерфейс RS-232C и параллельный интерфейс Centronics [ ].
Основным достоинством интерфейса RS-232C является возможность размещения устройства на большом расстоянии от ЭВМ (до 30 м). Длина кабеля работающего по интерфейсу Centronics не превышает 3 м, но он является более скоростной средой для передачи данных. Так как интерфейс Centronics использует стандартные низковольтные сигналы TTL, он подвержен расположенным рядом источникам помех. Поэтому при изготовлении кабеля длинной более двух метров его необходимо экранировать. Этот вид интерфейса получил наибольшее распространение для подключения принтера [ ].
Операционная система MS-DOS может работать одновременно с тремя параллельными устройствами, хотя обычно применяется не больше двух, каждое из которых должно иметь свой адаптер. Адаптер управляет тремя регистрами ввода/вывода (выходных данных, статуса и управления). Адреса портов этих регистров различны для каждого адаптера.
Регистр выходных данных - это порт, через который передаются байты данных, посылаемых в принтер. В регистре статуса отображается информация о состоянии принтера. Регистр управления инициирует адаптер и управляет выводом данных. В состав IBM PC могут входить до четырех последовательных интерфейсов, работающих в стандарте RS-232 и именуемых СОМ1 - СОМ4.
Каждый интерфейс связан с определенным уровнем контроллера прерываний: - СОМ1 вызывает прерывание IRQ4; - COM2 вызывает прерывание IRQ3;
- СОМ3 и СОМ4 используют ресурсы, совмещенные с COM1, COM2. Каждое из устройств RS-232 представляет собой контроллер 8250, оснащенный 25 или 9- штырьковым разъемом на задней стенке корпуса ПЭВМ. Этот разъем может использоваться для подключения мыши, графопостроителя или организации связи между ПЭВМ.
Оптимальным вариантом подключения устройств, требующих больших скоростей передачи информации, является использование системных разъемов (локальных системных шин).
Локальная шина предназначена для обеспечения непосредственного доступа процессора к периферийным устройствам (например, графическим или сетевым адаптерам, другим периферийным устройствам). Теоретически 32-раз-рядная локальная шина может обеспечить передачу и прием данных от периферийных устройств на максимальной скорости центрального процессора типа i80386 или i80486. Локальная шина призвана играть роль стандартного аппаратного интерфейса, позволяющего устанавливать адаптеры независимых фирм непосредственно в гнезда системной платы, а также размещать на системной плате дополнительные компоненты.
В настоящее время функции ввода-вывода в ПК реализуются в основном при помощи стандартных шин расширения ISA, EISA, PCI, VL-Bus или MCA. Рассмотрим наиболее распространенные шины ISA и PCI.
Шина ISA (Industrial Standart Architecture) является фактически стандартной шиной для персональных компьютеров типа IBM PC/AT и совместимых с ними [ ]. Шина EISA, с которой ряд фирм выпускал персональные компьютеры, уступила шине PCI и в настоящее время используется редко.
Основные отличия шины ISA от своей предшественницы — шины компьютера IBM PC/XT заключаются в следующем: 1) шина AT компьютеров позволяет использовать на внешних платах как 16-разрядные устройства ввода/вывода, так и 16-разрядную память; 2) цикл доступа к 16-разрядной памяти на внешней плате может быть выполнен без вставки тактов ожидания;
3) объем непосредственно адресуемой памяти на внешних платах может достигать 16 Мб;
4) внешняя плата может становиться хозяином (задатчиком) на шине и самостоятельно осуществлять доступ ко всем ресурсам, как на шине, так и на материнской плате. 1. 5. 2 Шина PCI
PCI (Peripheral Component Interconnect bus) - шина для подсоединения периферийных устройств. Стала массово применяться для Pentium-систем, но используется и с i80486 процессорами. Частота шины 33 МГц . Теоретически максимальная скорость 264/512 Мбайт/с для 32/64 бит [ ]. В современных материнских платах частота на шине PCI задается как 1/n входной частоты процессора (n=1; 1, 5; 2; 2. 5 и т. д. ), т. е. при частоте 66 МГц и n=2 на PCI будет 33 МГц, при 75 МГц - 37. 5 МГц. Имеет версии с питанием 5В, 3. 3В и универсальную (с переключением линий +VI/O c 5В на 3, 3В). Ключами являются пропущенные ряды контактов 12, 13 и 50, 51. 32-битный слот заканчивается контактами А62/В62, 64-битный - А94/В94. Слот PCI самодостаточен для подключения любого контроллера и на системной плате может сосуществовать с любой из других шин ввода-вывода [ ].
Шина PCI является процессорно-независимой и применяется в IBM PC и компьютерах Macintosh. В отличие от остальных шин, компоненты расположены на левой поверхности плат PCI-адаптеров. По этой причине крайний PCI-слот обычно разделяет использование посадочного места с соседним ISA-слотом (Shared slot). Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI (возможно только в спецификации 2. 1 и 2. 2). Автоконфигурирование устройств (выбор запросов прерывания, каналов DMA) поддерживается средствами BIOS материнской платы по стандарту Plug&Play. В настоящее время действуют спецификации PCI 2. 1 и PCI 2. 2.
Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным в его пространстве ввода-вывода.
Стандарт PCI разработан и распространяется специальной группой взаимодействия периферийных компонентов (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group - PCI SIG), являющейся некорпоративной ассоциацией представителей микрокомпьютерной промышленности.
Строго говоря, PCI вовсе не является истинной локальной шиной, а представляет собой дополнительную, или промежуточную шину. Она занимает промежуточный уровень между процессорной шиной системы и такими стандартными шинами расширения, как ISA, EISA или MCA, причем соединяется с ними при помощи электронных мостов (рисунок 1. 10). Благодаря изоляции от локальной шины центрального процессора шина PCI подключает больше устройств, чем VL-BUS, так как эти устройства не будут представлять электрической нагрузки для шины ЦП. Спецификация PCI предусматривает до десяти единичных нагрузок [ ]. Рисунок 1. 10 - Шина PCI в архитектуре ПЭВМ Сигналы шины PCI:
AD[31: 0] - мультиплексированная двунаправленная шина адреса/данных. Адрес передается по сигналу -FRAME, в последующих тактах передаются данные. -C/BE[3: 0] - команда/разрешение обращения к байтам. Команда, определяющая тип очередного цикла шины (чтение-запись памяти, ввода-вывода или конфигурационное чтение-запись, подтверждение прерывания и другие). Задается четырехбитным кодом в фазе адреса (по сигналу -FRAME).
-FRAME - сигнал начала операции на шине (cycle frame). По низкому уровню этого сигнала начинаются любые операции по передаче данных. Сигнал удерживается до конца операции.
-DEVSEL - выбор устройства (device select). Ведомое устройство, увидев свой адрес на шине, должно откликнуться, выставив сигнал–DEVSEL. -IRDY - готовность инициатора к обмену данными.
-REQ[3: 0] - запрос от PCI-мастера на захват шины (для слотов 3: 0). -GNT[3: 0] - разрешение мастеру на использование шины. PAR - общий бит паритета для линий AD[31: 0] и C/BE[3: 0].
-PERR - сигнал об ошибке паритета (от устройства, ее обнаружившего). -RST - сброс всех регистров в начальное состояние.
IDSEL - выбор устройства в циклах конфигурационного считывания и записи. -SERR - системная ошибка, активизируется любым устройством PCI и вызывает не маскируемое прерывание. -REQ64 - запрос на 64-битный обмен. -ACK64 - подтверждение 64-битного обмена.
-INTR A, B, C, D - линии запросов прерывания, циклически сдвигаются в слотах и направляются на доступные линии IRQ с помощью конфигурационных регистров. Запрос по низкому уровню позволяет использовать одну линию несколькими источниками. CLK - тактовая частота шины.
Test Clock, -TSTRES, TestDO, TestDI - сигналы для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG (на системной плате обычно не задействованы). TSTMSLCT - перевод в режим тестирования. -TRDY - готовность целевого устройства к обмену данными.
-STOP - запрос целевого устройства к инициатору на останов текущей транзакции. Для шины определены два типа устройств стандарта PCI - целевое и ведущее. Целевое устройство воспринимает команды и реагирует на запросы ведущего. Ведущее устройство представляет собой более “интеллектуальное” устройство, которое может производить обработку независимо от шины или других устройств. Ведущее устройство разделяет шину с основным процессором и целевыми устройствами. Кроме того, оно может выступать целевым устройством для других ведущих устройств.
Определение стандарта PCI требует 47 контактов для целевого и 49 кон-тактов для ведущего. Это число представляется невероятно малым, если учесть тот факт, что сюда включены функции передачи данных и адресации, управления интерфейсом, арбитража, а также системные функции. Спецификация шины предусматривает до 120 контактных соединений для стандартной 32-битовой платы и 184 для 64-битовых плат [ ].
В основе стандарта лежит мультиплексирование, при котором через одни и те же контакты передаются разнотипные сигналы. Адреса и данные мультиплексируются на одни и те же контакты, поэтому одиночная передача по шине PCI состоит из двух фаз: фаза адресации сопровождается одной или несколькими фазами данных. Ведущее устройство выдает адрес и обращается к конкретному устройству на шине. Выбранное устройство переходит в соответствующий режим для приема данных или инструкций, а затем ведущее устройство посылает пакет данных по тем же контактам, которые использовались для вызова. После определения адреса ведущее устройство может посылать данные без повторения адресации, так как целевое устройство уже выбрано. Передача данных может включать в себя и чтение и запись информации.
Для PCI определяются три физических адресных пространства: памяти, ввода-вывода и конфигурации. Адресация памяти и ввода-вывода аналогична применяемой во всех шинах. Адресное пространство конфигурации PCI предназначено для входящего в определение стандарта средства автомати-ческого аппаратного конфигурирования. Еще одной интересной особенностью шины, способствующей ее упрощению, является распределенное дешифрирование адреса, когда каждое подключенное к локальной шине PCI устройство производит дешифрирование адреса самостоятельно. Благодаря этому становятся ненужными схемы централизованного дешифрирования адреса и сигналы выбора устройств, за исключением одного сигнала, предназначенного для конфигурирования. 2 Описание схемы электрической функциональной
Функциональная схема разрабатываемого устройства приведена в приложении А. На функциональном уровне проектируемое устройство состоит из аппаратной и программной части. Аппаратную часть в свою очередь можно разделить на следующие функциональные блоки: входное устройство; переключатель режима работы входа; усилитель с регулируемым коэффициентом усиления; аналогово-цифровой преобразователь; устройство синхронизации и запуска; цифро-аналоговый преобразователь; схема регулировки коэффициента усиления; выходное устройство;
устройство управления, обработки информации и сопряжения с шиной PCI; устройство конфигурации; фильтры питания; преобразователи напряжений питания.
Рассмотрим назначение отдельных блоков устройства и алгоритм их работы. Центральным блоком, управляющим работой всего устройства, является персональный компьютер, в системный блок которого подключается данное устройство, выполненное в виде платы с интерфейсом PCI. ПК выполняет следующие функции:
1) считывание из памяти устройства данных, соответствующих входному воздействию;
2) запись в память устройства данных, необходимых для формирования выходного сигнала; 3) управление режимами работы устройства.
Входное устройство представляет собой частотно-скомпенсированный делитель напряжения с ограничителем выходного сигнала.
Данный делитель служит для ослабления уровня входного воздействия в широкой полосе частот, а также для предохранения от выхода из строя вследствие перегрузки по напряжению последующих цепей.
Далее исследуемый сигнал подается на переключатель режима работы входа. Схема позволяет обеспечить работу устройства как с открытым входом, так и с закрытым.
Выбор коэффициента усиления измерительного канала, а следовательно и чувствительности входа осуществляется с помощью усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Выбор коэффициента усиления производится программно, его величина в виде цифрового кода подается с устройства управления. Аналогово-цифровой преобразователь представляет собой преобразо-ватель напряжение-код и предназначен для переноса информации из аналогового сигнала в цифровой эквивалент для последующей обработки на персональной ЭВМ. В устройстве предусмотрена возможность как внутреннего запуска так и запуска в режиме внешней синхронизации. В режиме внешнего запуска устройство синхронизации и запуска формирует сигнал начала преобразования для АЦП. Цифро-аналоговый преобразователь представляет собой преобразователь код-напряжение. ЦАП служит для генерации сигнала по данным, которые представляют его цифровую модель, и задаются пользователем. Выходное устройство представляет собой широкополосный усилитель с повышенной нагрузочной способностью и обеспечивает необходимый уровень сигнала и малое выходное сопротивление устройства. Коэффициент усиления выходного каскада задается схемой регулировки коэффициента усиления, выбор величины которого производится программно, его величина в виде цифрового кода подается с устройства управления.
Устройство управления, обработки информации и сопряжения с шиной PCI собрано на микросхеме ПЛИС. Внутренняя структура ПЛИС состоит из: управляемого формирователя частоты преобразования блока АЦП, управляемого формирователя частоты блока ЦАП, регистра управления схем регулировки коэффициента усиления входных и выходных цепей, запоминающего устройства для накопления информации в цифровом виде, схемы сопряжения с шиной PCI.
Шина PCI является мультиплексированной шиной адреса и данных со сложной системой управления. Для обеспечения нормального функциони-рования устройства необходимо использовать схему сопряжения с шиной, которая обеспечивает все предъявляемые требования к устройству на шине, согласует все временные характеристики обмена данными ПЭВМ и данного устройства.
Загрузка микросхемы ПЛИС производится по последовательному протоколу из микросхемы ПЗУ устройства конфигурации.
Рассмотрим примерный цикл работы устройства. Сначала программой, выполняющейся на ПЭВМ производится установка режимов работы устройства: включение переключателя, обеспечивающего установку режима работы входа, установление величины тактовой частоты для АЦП и ЦАП. В ЗУ микросхемы ПЛИС блока ЦАП записываются данные, из которых будет генерироваться выходной сигнал. Далее из устройства управления подается сигнал разрешения преобразования для блоков АЦП и ЦАП.
Данные с АЦП записываются в ЗУ микросхемы ПЛИС блока АЦП с частотой, с которой производится преобразование. После заполнения ЗУ устройство вырабатывает сигнал запроса на прерывание. Программа, работающая в этот момент на ПЭВМ, считывает данные из ЗУ блока АЦП. Затем происходит передача сигналов управления– так происходит в течение всего цикла работы устройства. По его окончании, которое определяется программно, данные, накопленные в памяти ПЭВМ за цикл работы могут быть использованы для других целей–например, записаны в файл, на их основе можно произвести более точные и ресурсоемкие расчеты, невозможные в режиме реального времени (просчет математически сложных уравнений для определения спектра сигнала и других характеристик).
Питание устройства осуществляется от внутреннего источника ПК, по питающим линиям шины PCI. Питание аналоговых цепей осуществляется через LC-фильтры. Для получения питающих напряжений -5В, +3, 3В и +2, 5В в устройстве используются два маломощных преобразователя напряжений питания. 3 Описание схемы электрической принципиальной
Описание работы схемы электрической принципиальной (приложение Б) проведем по узлам представленным на электрической функциональной схеме (приложение А) в обязательном графическом материале к дипломному проекту.
В режиме анализа электрического сигнала исследуемый сигнал через разъем XS1 поступает во входное устройство. Входное устройство представляет собой частотно-скомпенсированный делитель с ограничителем выходного сигнала. Схема обеспечивает постоянное высокое входное сопротивление 1МОм, входную емкость 20 пФ и ослабляет уровень входного сигнала в 10 раз во всей полосе рабочих частот.
Делитель напряжения выполнен на элементах R9, R10, C3, C4. Конденсаторы С3, С4 необходимы для компенсации паразитных индуктивностей при работе на высоких частотах. На диодах VD1, VD2 собран амплитудный ограничитель, защищающий устройство от повреждения в случае подачи на вход повышенного напряжения. В области рабочих величин входного напряжения диоды смещены в обратном направлении и не вносят изменений в работу схемы.
Далее исследуемый сигнал подается на переключатель режима работы входа. Схема позволяет обеспечить работу устройства как с открытым входом, так и с закрытым. В качестве коммутатора сигнала используется аналоговый мультиплексор DA3. Режим работы входа задается программно и в виде управляющего сигнала поступает на вход IN мультиплексора. Конденсатор C6 отсекает постоянную составляющую. Блокировочный конденсатор C5 предотвращает распространение импульсных помех по питающим проводникам и взят из типовой схемы включения ИМС. С выхода DA3 сигнал поступает на ОУ DA4, включенный по схеме неинвертирующего усилителя. Резистор R11 определяет входное сопротивление каскада. Подстроечный резистор R13 необходим для балансировки DA4. Коэффициент усиления для неинвертирующего включения ОУ зависит от сопротивления резисторов в цепи обратной связи (R1 - R4 и R12).
Выбор коэффициента усиления, а следовательно и чувствительности входа осуществляется подключением одного из резисторов R1 - R4 с помощью аналогового мультиплексора DA1. Выбор коэффициента усиления производится программно, его величина в виде цифрового кода защелкивается в выходном регистре ПЛИС и подается на управляющие входы аналогового мультиплексора DA1. Неточность установки выбранного коэффициента усиления может быть скомпенсирована программным способом.
Далее исследуемый сигнал поступает на микросхему DA6, которая представляет собой высокоточный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь, работающий по методу последовательного приближения и позволяющий оцифровывать биполярный входной сигнал в диапазоне от–2, 5В до +2, 5В. Сигнал запуска -CONVST для АЦП вырабатывается микросхемой ПЛИС DD1. Частоту выборок АЦП регулируют программно.
По окончании преобразования АЦП вырабатывает сигнал -BUSY, который свидетельствует о готовности данных. Затем ПЛИС активизирует сигналы -CS и -RD и считывает данные с выходов АЦП.
Блокировочные конденсаторы C8 –С11 исключают возможность появления помех по питающим проводникам и выбраны в соответствии с рекомендациями по включению ИМС.
В устройстве предусмотрена возможность как внутреннего запуска так и запуска в режиме внешней синхронизации. При этом сигнал запуска, с нормируемыми характеристиками, поступает через разъем XS2 на вход аналогового компаратора DA5, питаемого однополярным напряжением +3, 3В, что хорошо согласуется с логическими уровнями трехвольтовой логики ПЛИС. Конденсатор C12 отсекает постоянную составляющую. Диоды VD3, VD4 ограничивают выбросы входного напряжения по уровням–0, 4В и +3, 7В во избежание повреждения входных цепей микросхемы DA5. Цепь R16, R17, C13 обеспечивает уровень напряжения 1В на инвертирующем входе DA5 и устанавливает низкий уровень напряжения на выходе уcилителя-ограничителя при отсутствии запускающих импульсов.
В режиме синтеза электрических сигналов цифро-аналоговый преобразователь DA7 производит преобразование кода в напряжение. Код на входы ЦАП подается с выхода шины данных микросхемы ПЛИС. Характеристики выходного сигнала задаются программно. ЦАП включен по схеме, при которой формируется выходное напряжение в диапазоне от -Uоп до +Uоп.
Выходной сигнал Uоп микросхемы АЦП DA6 используется в качестве источника опорного напряжения для ЦАП. С выхода DA6 опорное напряжение величиной +2. 5В делится при помощи резистивного делителя R18, R21 и через ОУ DA8 подается на вход опорного напряжения ЦАП. Резисторами R19, R20 задают коэффициент передачи в схеме инвертирующего включения микросхемы ОУ DA8. Конденсаторы C14, C15 предотвращают появление высокочастотной составляющей в цепи опорного напряжения.
Выходной усилитель DA9 представляет собой широкополосный операционный усилитель с повышенной нагрузочной способностью и обеспечивает изменение выходного напряжения в диапазоне от–5В до +5В.
Микросхема ОУ DA9 включена по схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления для неинвертирующего включения ОУ зависит от сопротивления резисторов в цепи обратной связи (R5– R8 и R22).
Выбор коэффициента усиления, а следоватеьно и диапазона изменения выходного напряжения в режиме 12-разрядного преобразования осуществляется подключением одного из резисторов R5–R8 с помощью аналогового мультиплексора DA2. Выбор коэффициента усиления производится программно, его величина в виде цифрового кода защелкивается в выходном регистре ПЛИС и подается на управляющие входы аналогового мультиплексора DA2.
Блокировочный конденсатор C2, установленный непосредственно около выводов питания DA2, предотвращает распространение импульсных помех по питающим проводникам и взят из типовой схемы включения ИМС.
С микросхемы ОУ DA9 выходной сигнал подается на разъем XS3. Управление работой устройства осуществляется через шину PCI персонального компьютера. Использование шины PCI позволяет расширить круг используемых компьютеров.
Для сопряжения устройства с шиной PCI персональной ЭВМ используется программируемая логическая интегральная микросхема DD1. Микросхема прошита стандартным ядром PCI для устройства не являющегося задатчиком шины. Внутри микросхемы DD1 выполнена и часть других логических функций не связанных с обеспечением согласования устройства с PCI-шиной ( чтение, накопление, обработка данных ). При помощи ПЛИС достигается полное согласование временных параметров сигналов устройства и шины PCI персональной ЭВМ. Загрузка микросхемы ПЛИС производится по последовательному протоколу с микросхемы ПЗУ DD2. Резисторы R23–R25 обеспечивают подтяжку потенциалов выводов микросхемы к источнику питания, что соответствует требованиям, предъявляемым к конфигурирующим устройствам для ПЛИС. Неиспользуемые выводы ПЛИС для режима последовательной загрузки через JTAG-интерфейс подключены в соответствии с рекомендациями на использование ПЛИС фирмы Altera [ ].
Рассмотрим работу устройства сопряжения с шиной PCI персонального компьютера. Инициализация устройства начинается с настройки механизма Plug and Play. При включении компьютер начинает опрашивать слоты PCI шины и обнаружив там устройство должен прочитать его конфигурационное пространство. В зависимости от требований записанных в конфигурационном пространстве система выдает устройству базовый адрес, который устройство запоминает и использует для дешифрации обращения к нему.
Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым системой при обращении процессора к конфигурационному пространству устройства.
Транзакция инициализации начинается с того что система активизирует линию -FRAME шины PCI, что означает начало обмена между устройством и компьютером. Кроме этого система сообщает что идет обращение к конфигурационному пространству и это сопровождается сигналом высокого уровня на выводе IDSEL во время фазы адреса. Сигнал IDSEL является индивидуальным для каждого слота PCI, которых в IBM совместимых компьютерах насчитывается четыре. При опрашивания системой BIOS микросхема ПЛИС принимает и выдает системные ресурсы, необходимые устройству. После того как все пространство конфигурации будет прочитано, система осуществляет запись базового адреса в пространство конфигурации. После того как базовый адрес будет защелкнут в регистре ПЛИС транзакция инициализации будет закончена.
При транзакции данных после защелкивания адреса происходит сравнение текущего адреса на шине AD0–AD31 и базового адреса записанного в регистре конфигурации. В случае если эти адреса совпали ПЛИС сформирует сигнал низкого уровня -DEVSEL, который означает что устройство опознало что обращаются к нему. При этом если устройство готово к обмену данными ПЛИС сформирует сигнал низкого уровня -TRDY. С появлением сигнала -DEVSEL система формирует сигнал -IRDY, который означает, что компьютер готов к обмену информацией с устройством.
Время между появлением сигнала -DEVSEL и сигнала -TRDY является временем ожидания. С появлением сигнала -TRDY заканчивается фаза передачи адреса и начинается фаза передачи данных. В этой фазе начинается непосредственное чтение данных из устройства по шине AD0–AD31. Направление и режим передачи данных определяется кодом на управляющих линиях -C/BE0– -C/BE3 (таблица 3. 1). Таблица 3. 1 - Команды обмена данными на PCI C/BE Команда 0000 Interrupt Acknowledge (подтверждение прерывания) 0001 Special Cycle (специальный цикл) 0010 I/O Read (чтение порта) 0011 I/O Write (запись в порт) 0100 Reserved (резервировано) 0101 Reserved (резервировано) 0110 Memory Read (чтение памяти) 0111 Memory Write (запись в память) 1000 Reserved (резервировано) 1001 Reserved (резервировано) 1010 Configuration Read (чтение конфигурации) 1011 Configuration Write (запись конфигурации) 1100 Multiple Memory Read(множественное чтение памяти) 1101 Dual Address Cycle (двойной цикл адреса) 1110 Memory-Read Line (чтение памяти) 1111 Memory Write and Invalidate (запись в память и проверка)
Конструктивно устройство представляет собой плату, которая вставляется в слот PCI на материнской плате компьютера.
Питание устройства осуществляется от внутреннего источника ПК, по питающим линиям шины PCI. В соответствии с требованиями спецификации PCI v2. 2 на контактах PRSNT1 и PRSNT2 разъема PCI XP1 установлены уровни логического нуля– это означает, что мощность потребляемая устройством не превышает 7, 5 Вт. Питание аналоговых цепей осуществляется через LC-фильтры: по цепи +12В – элементы L1, C21, C23, C25; по цепи -12В – элементы L2, C22, C24, C26; по цепи +5В – элементы L3, C29, C30, C31. Напряжение питания –5В получается с помощью маломощного стабилизатора DA10. Конденсаторы С27, С28 используются для фильтрации помех по питанию и уменьшения выходного сопротивления стабилизатора по переменной составляющей.
На микросхеме DA11 собран преобразователь в напряжения +3, 3В и +2, 5В для питания цифровой части схемы устройства. Электролитические конденсаторы C32, C33, C37 необходимы для нормальной работы DA11 и обеспечивают дополнительную фильтрацию низкочастотных гармонических составляющих питающего напряжения. Конденсаторы С34 - С36, C38 устанавливаются непосредственно возле выводов питания цифровых микросхем DD1, DD2 и используются для фильтрации помех создаваемых ими по питанию. 4 Расчетная часть 4. 1 Расчет входных цепей устройства
Деление амплитуды входного напряжения происходит при помощи частотно-скомпенсированного делителя. Рассчитаем номиналы резисторов R9 и R10. , (4. 1)
где - напряжение на выходе частотно-скомпенсированного делителя; - напряжение на входе частотно-скомпенсированного делителя; - сопротивление резистора R9;
- эквивалентное сопротивление, по величине равное параллельно включенным R10 и R11.
Для получения коэффициента деления равного 10 из выражения (4. 1) получим: (4. 2)
Для обеспечения входного сопротивления 1 МОм принимаем значение резистора R9 = 1 МОм, тогда: кОм
Примем R11=470 кОм, тогда чтобы обеспечить эквивалентное сопротивление при параллельном включении равное 110 кОм сопротивление резистора R10 должно быть 150 кОм. Сопротивление мультиплексора DA3 в открытом состоянии значительно меньше R11, поэтому в расчете его не учитываем. Определим мощность рассеиваемую на резисторе PR по формуле: , (4. 3) где U – падение напряжения на резисторе, В; R – сопротивление резистора, Ом.
Расчет мощностей выделяемых на R9, R10 проведем при условии подачи на вход максимально допустимого напряжения 100В. Подставляя числовые значения, получим: мВт; мВт.
Резистор R9 в цепи делителя должен иметь максимальное рабочее напряжение не ниже 100В. Выбираем из [ ] резисторы: R9: MCU 0805-0, 125-1МОм ±1%; R10: SMD 1206-0, 125-150 кОм ±1%; R11: SMD 1206-0, 125-470 кОм ±1%.
Рассчитаем емкости конденсаторов C3, C4. Конденсатор C3 должен иметь максимальное рабочее напряжение не ниже 100В.
Для обеспечения входной емкости делителя равной 20 пФ в качестве C3 выберем высоковольтный керамический конденсатор: C3: VJ 1206Q-200В-20пФ±2%. Исходя из условия частотно-скомпенсированного делителя: (4. 4) Из формулы (4. 4) выразим C4, получим: (4. 5) Рассчитаем: пФ. Выберем C4: VJ 0805-50В-180пФ±2%.
Диоды VD1, VD2 ограничителя амплитуды выберем по величинам прямого тока и обратного напряжения. Применяемые диоды должны обладать малым значением прямого напряжения и малой емкостью перехода в обратном смещении. Лучше всего по данным требованиям подходят диоды Шоттки. Выберем VD1, VD2: SD103AWS.
Их параметры: Iпр. max=20мА; Uпр. max=0, 37В; Uобр. max=40В; Cд 4. 2 Выбор коммутаторов аналоговых сигналов
Для переключения диапазонов измерения амплитуды входного и выходного напряжения, а также использования входного канала с открытым или закрытым входом используются аналоговые мультиплексоры. В схеме устройства есть три мультиплексора.
Выбор коммутаторов аналоговых сигналов произведем, основываясь на следующих требованиях: -малое сопротивление ключа в открытом состоянии; -малый ток утечки в закрытом состоянии; -малая проходная емкость в закрытом состоянии; -широкий динамический диапазон входного напряжения; -широкий частотный диапазон.
В качестве аналоговых мультиплексоров выберем микросхемы фирмы Analog Devices: DA1, DA2: ADG704BRM; DA3: ADG752BRM.
Важным достоинством применяемых микросхем является их полная совместимость с логическими уровнями трехвольтовой логики ПЛИС, что позволяет обойтись без использования буферных элементов. Их электрические характеристики можно найти в [ ]. 4. 3 Выбор операционного усилителя входного каскада
Рассмотрим требования, предъявляемые к ОУ входного каскада: - широкий частотный диапазон; - низкие шумы; - малое смещение нуля; - большой коэффициент усиления; - высокая скорость нарастания выходного сигнала.
Рассчитаем необходимые параметры ОУ применительно к нашей схеме: , (4. 6) где - скорость нарастания выходного напряжения; - максимальная рабочая частота; -максимальная амплитуда выходного напряжения. В нашем случае для ОУ DA4: В/мкС. Требование к ОУ по частотным свойствам: , (4. 7) где - граничная частота ОУ; - максимальная рабочая частота; - требуемый коэффициент усиления каскада на ОУ. В нашем случае для ОУ DA4: МГц
В качестве микросхемы DA4 выберем микросхему фирмы Analog Devices DA4: AD847AR.
Коррекция нуля в ОУ DA4 осуществляется с помощью подстроечного резистора R13 номиналом 10 кОм. Тогда, выбираем R13: СП3-13-0, 125-10кОм ±10%. 4. 4 Расчет коэффициентов усиления входного каскада
Рассчитаем номиналы резисторов в цепи отрицательной обратной связи микросхемы DA4.
Согласно техническому заданию диапазон измерения входного сигнала должен быть: ±10 В ... ±0. 1В при 12-битной оцифровке. Разобьем область входного сигнала на поддиапазоны: +10...-10 В, +2...-2 В, +0. 5...-0. 5 В, +0. 1...-0. 1 В и рассчитаем сопротивления резисторов R1 - R4. Требуемые значения коэффициентов усиления входного каскада рассчитаем по формуле: (4. 8)
Так как размах входного напряжения АЦП +2. 5...-2. 5 В, то =2, 5В. , (4. 9)
где =10 – коэффициент передачи частотно-скомпенсированного делителя. Рассчитаем коэффициенты усиления каскада для различных под-диапазонов измерения: ; ; ; .
Коэффициент усиления ОУ в неинвертирующей схеме включения рассчитывается по формуле: (4. 10) Принимаем R12=Rос = 100 кОм.
Данные резисторы работают в низковольтных цепях, поэтому выделяемая на них мощность не превышает 0, 125Вт. Выберем R12: SMD 1206-0, 125-100 кОм ±1%.
Из формулы (4. 10) сопротивление для четырех поддиапазонов соответственно: кОм; кОм; кОм; кОм.
Из-за возможности программной регулировки коэффициента масштабирования (программным умножением на константу), выберем номиналы резисторов по ряду E24 величиной равной или ближайшей большей рассчитанных.
В соответствии с изложенными требованиями и рассчитанными номиналами выберем из [ ]: R1: SMD 1206-0, 125-68 кОм ±1%; R2: SMD 1206-0, 125-9. 1 кОм ±1%; R3: SMD 1206-0, 125-2. 2 кОм ±1%; R4: SMD 1206-0, 125-430 Ом ±1%. 4. 5 Расчет конденсатора отсечки постоянной составляющей
Из [ ] воспользуемся формулой для определения номинала конденса-тора С6: , (4. 11)
где – коэффициент частотных искажений, принимаем равным 0, 7; –входное сопротивление последующего каскада, принимаем равным сопротивлению резистора R11 (сопротивление мультиплексора DA3 в открытом состоянии не учитываем, поскольку оно намного меньше R11); – циклическая частота, определяем по формуле: , (4. 12)
где - нижнее значение частоты при работе с закрытым входом. Примем =5Гц , тогда подставляя числовые значения в формулы (4. 11) и (4. 12) получим: нФ. Выбираем конденсатор С6: VJ 1206Y-25В-0. 1мкФ±5%. 4. 6 Выбор микросхемы ПЛИС
На мировом рынке электронных компонентов среди фирм, занимающихся выпуском ПЛИС, наиболее популярными являются Xilinx и Altera. Рассмотрим основные критерии выбора ПЛИС: - быстродействие;
- логическая емкость, достаточная для реализации алгоритма; - схемотехнические и конструктивные параметры ПЛИС; - стоимость владения средствами разработки; - наличие и стоимость аппаратных средств отладки; - наличие методической и технической поддержки; - стоимость микросхем.
По вышеприведенным критериям наиболее привлекательными являются микросхемы фирмы Altera семейства ACEX из-за своей более низкой цены при близких технических характеристиках. В соответствии с рекомендациями фирмы Altera в качестве PCI-совместимых микросхем необходимо применять микросхемы ПЛИС первой или второй скоростной группы [ ].
После предварительной компиляции PCI-мегафункции в пакете MAX+Plus II v10. 1 оказалось, что ядро PCI v2. 1 занимает 630 макроячеек.
Исходя из конструктивных соображений, а также учитывая изложенные требования и необходимое в данном проекте число пользовательских выводов выберем в качестве DD1 микросхему EP1K30TC144-2 семейства ACEX1K [ ].
Для выбранной ПЛИС размер загрузочной записи составляет 470 кБит. В качестве ИМС DD2 для конфигурации ПЛИС выберем микросхему Flash-памяти, совместимую по логическим уровням и по последовательному протоколу обмена с микросхемой ПЛИС. Выберем DD2: AT17LV512A-10JC фирмы Atmel [ ]. 4. 7 Выбор блока АЦП
Проектируемое устройство должно обеспечить измерение входного сигнала с максимальной частотой 200 кГц . По теореме Котельникова частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать частоту измеряемого сигнала. Таким образом, для оцифровки сигнала с частотой 200 кГц необходимо осуществлять выборки с частотой не менее 400 кГц. В качестве аналого-цифрового преобразователя DA6 используем микросхему фирмы Linear Technology LTC1409CSW, которая представляет собой быстродействующий 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь, работающий по методу последовательного приближения, с частотой преобра-зования равной 800Ч103выборок в секунду и позволяет оцифровать биполярный входной сигнал в диапазоне–2, 5В...+2, 5В. Электрические и конструктивные характеристики данной микросхемы можно найти в [ ].
Навесные элементы для АЦП DA6 выбираем согласно типовой схеме включения данного АЦП, приведенной в технической документации.
Конденсаторы C8 - С11 служат для фильтрации помех по питанию и устанавливаются непосредственно около выводов питания АЦП. Выбираем конденсаторы С8, С10: К50-35-25В-10мкФ±20%. Выбираем конденсаторы С9, С11: VJ 1206Y-25В-0. 1мкФ±10%. 4. 8 Выбор блока ЦАП
Выходной сигнал формируется при помощи цифро-аналогового преобразователя DA7. В качестве цифро-аналогового преобразователя выбираем микросхему фирмы Analog Devices AD7845KR, параметры которой и типовые схемы включения можно найти в [ ].
Для получения биполярного выходного сигнала с заданными параметрами используем одну из типовых схем включения этой микросхемы. Таблица соответствия выходного сигнала и входного кода для такого включения приведена в таблице 4. 1.
Таблица 4. 1 – Соответствие выходного сигнала и входного кода D11 D10 D9 D8-D2 D1 D0 Uвых 1 1 1 1 1 1 +Uоп(2047/2048) 1 0 0 0 0 1 +Uоп (1/2048) 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 - Uоп (1/2048) 0 0 0 0 0 0 -Uоп
Навесные элементы для ЦАП DA7 выбираем согласно типовой схеме включения данного ЦАП.
Конденсаторы C16 - С19 служат для фильтрации помех по питанию и устанавливаются непосредственно около выводов питания ЦАП. Выбираем конденсаторы С16, С18: К50-35-25В-10мкФ±20%. Выбираем конденсаторы С17, С19: VJ 1206Y-25В-0. 1мкФ±10%. 4. 9 Расчет цепи формирования опорного напряжения для ЦАП
В качестве источника опорного напряжения для ЦАП DA7 используется выход источника опорного напряжения микросхемы АЦП.
Согласно типовой схеме включения ЦАП в режиме биполярного выходного сигнала в качестве микросхемы DA8 рекомендуется использовать ОУ AD711KR, номиналы резисторов R19, R20 по 10 кОм [ ].
Резисторы R19, R20 работают в низковольтных цепях, поэтому выделяемая на них мощность не превышает 0, 125Вт. Выбираем: DA8: AD711KR; R19: SMD 1206-0, 125-10 кОм ±1%; R20: SMD 1206-0, 125-10 кОм ±1%.
Рассчитаем резистивный делитель R18, R21. Он должен обеспечивать выходное напряжение Uвых дел= 0, 2В при входном Uвх дел=2, 5В. Примем ток делителя Iдел =0. 1 мА. Напряжение на выходе делителя можно рассчитать по формуле: (4. 13) Ток делителя можно рассчитать по формуле: (4. 14)
Подставив численные значения в уравнения (4. 13), (4. 14) получим: R18=24 кОм; R21=2, 04 кОм.
Резисторы R18, R21 работают в низковольтных цепях, поэтому выделяемая на них мощность не превышает 0, 125Вт. Выберем: R18: SMD 1206-0, 125-24 кОм ±1%; R21: SMD 1206-0, 125-2 кОм ±1%.
Согласно типовой схеме включения ЦАП в качестве блокировочных конденсаторов C7, C14 рекомендуется использовать керамические конденсаторы емкостью по 0. 1 мкФ. Выбираем С7, С14: VJ 1206Y-25В-0. 1мкФ±10%. 4. 10 Выбор усилителя для выходного каскада
Рассмотрим требования, предъявляемые к ИМС для выходного усилителя: -низкое выходное сопротивление; -большой ток нагрузки; -широкий частотный диапазон; -высокая скорость нарастания выходного сигнала.
Рассчитаем необходимые параметры ОУ применительно к нашей схеме. По формуле (4. 6) определим необходимую скорость нарастания выходного напряжения: В/мкС
По формуле (4. 7) определим требование к ОУ по частотным свойствам: МГц
В качестве выходного усилителя DA9 выбираем микросхему ОУ с повышенной нагрузочной способностью AD8610BR фирмы Analog Devices. Технические характеристики AD8610BR можно найти в [ ]. 4. 11 Расчет коэффициентов усиления выходного каскада
Рассчитаем номиналы резисторов в цепи отрицательной обратной связи каскада на ОУ DA9.
Согласно техническому заданию диапазон изменения выходного сигнала должен быть: ±5 В ... ±0. 5В при 12-битной оцифровке.
Разобьем область изменения выходного сигнала на поддиапазоны: +5...-5В, +2...-2 В, +1...-1 В, +0. 5...-0. 5 В и определим сопротивления резисторов R5 - R8, включенных в цепи ООС усилительного каскада.
Требуемые значения коэффициентов усиления каскада на DA9 рассчитаем по формуле (4. 15) (4. 15)
Так как размах выходного напряжения ЦАП -0. 2...+0. 2 В, то = 0, 2В. Рассчитаем коэффициенты усиления для различных поддиапазонов: ; ; ; .
Коэффициент усиления ОУ в неинвертирующей схеме включения рассчитывается по формуле (4. 10). Принимаем R22 = Rос = 47 кОм.
Данные резисторы работают в низковольтных цепях, поэтому очевидно, что выделяемая на них мощность не превышает 0, 125Вт. Выберем R22: SMD 1206-0, 125-47 кОм ±1%.
По формуле (4. 10) найдем сопротивление для четырех поддиапазонов: кОм; кОм; кОм; кОм.
Из-за возможности программной регулировки коэффициента масштабирования (программным умножением на константу), выберем номиналы резисторов по ряду E24 величиной равной или ближайшей меньшей рассчитанных: R5: SMD 1206-0, 125-30 кОм ±1%; R6: SMD 1206-0, 125-11 кОм ±1%; R7: SMD 1206-0, 125-5, 1 кОм ±1%; R8: SMD 1206-0, 125-1, 8 кОм ±1%. 4. 12 Расчет блока запуска
Выбор микросхемы аналогового компаратора произведем из условия его скоростных характеристик, а также совместимости выходных напряжений с уровнями трехвольтовой логики ПЛИС.
В качестве DA5 выберем ИМС AD8031ART фирмы Analog Devices, параметры которой можно найти в [ ]. Рассчитаем делитель R16, R17: (4. 16)
Приняв =1В и R17=10 кОм, получим R16=39 кОм. Емкость блокировочного конденсатора C13 возьмем 0, 022 мкФ. Выберем из [ ]: C13: VJ 1206Y-25В-0. 022 мкФ±10%; R16: SMD 1206-0, 125-39 кОм ±1%; R17: SMD 1206-0, 125-10 кОм ±1%.
Для защиты входа микросхемы DA5 от бросков напряжения примем номиналы R14=R15=15 кОм.
Приняв постоянную времени цепи запуска =100 мкс рассчитаем C12: (4. 17) Подставим числовые значения и получим: пФ. Выберем C12: VJ 0805-100В-3300пФ±5%.
Диоды VD3, VD4 ограничителя амплитуды выберем по величинам прямого тока и обратного напряжения. Применяемые диоды должны обладать малым значением прямого напряжения и малой емкостью перехода в обратном смещении. Лучше всего по данным требованиям подходят диоды Шоттки. Выберем VD3, VD4: SD103AWS.
Их параметры: Iпр. max=20мА; Uпр. max=0, 37В; Uобр. max=40В; Cд 4. 13 Расчет LC-фильтров
Фильтры включают между шиной питания ПК и нагрузкой для уменьшения уровня высокочастотных составляющих в спектре питающего напряжения. Наиболее часто применяют RC и LC-фильтры. Из-за большого падения напряжения на резисторе применять RC-фильтр можно лишь в случае малого тока нагрузки. П-образные LC-фильтры широко применяются при повышенных токах нагрузки, имеют высокий КПД и коэффициент фильтрации.
Качество фильтра оценивается коэффициентом фильтрации. Для LC-фильтров следует выбирать, чтобы избежать резонансных явлений. Произведение LC можно определить по формуле: , (4. 18) где - индуктивность, Гн; - емкость, мкФ; - коэффициент фильтрации; - частота помехи, Гц . мкФ*Гн Примем L=470 мкГн, тогда емкость конденсатра будет равна: мкФ. Выбираем L1, L2, L3: ДПМ-0. 1-470мкГн±5%; С21, С22, C25, С26, C29, C31: VJ 1206Y-25В-1мкФ±10%. 4. 14 Выбор стабилизаторов напряжения
Для питания некоторых микросхем требуются напряжения –5В, +2. 5В, +3. 3В которые получаем из напряжений –12В и +5В при помощи DA10 и DA11 соответственно. В качестве преобразователя напряжения из -12В в -5В выбираем микросхему маломощного стабилизатора L79L05ACD. Параметры L79L05ACD:
Uвх. min= -7, 2 B; Uвх. max= -30 B; Uвых= -5 B; Imax= 100 мА [ ]. В качестве преобразователя напряжения из +5В в +2. 5В и +3. 3В выбираем микросхему TPS70158PWP [ ].
В качестве блокировочных конденсаторов в техническом описании данных ИМС рекомендуется использовать электролитические конденсаторы емкостью по 47 мкФ. Следовательно: DA10: L79L05ACD; DA11: TPS70158PWP; C24, C27, C32, C33, C37: К50-35-25В-47 мкФ±20%. 4. 15 Расчет количества блокировочных конденсаторов
Работоспособность как всех используемых в устройстве микросхем гарантируется при условии, что отклонение напряжения источника питания, не превышает допуска±10% от номинального значения, установленного техническими условиями на эксплуатацию микросхем.
В шинах питания выделяют два вида помех: низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ).
Причины возникновения НЧ помех заключаются в наличии активных и реактивных сопротивлений шин питания, а также пульсации и бросков выходного напряжения, которые возникают из-за кратковременных изменений первичной сети, грозовых и других воздействий.
ВЧ помехи возникают при преходах из одного состояния в другое цифровых и аналого-цифровых микросхем.
Для питания устройства используется стабилизированный блок питания ПЭВМ. Выбираем количество блокировочных конденсаторов:
-один блокировочный конденсатор по цепи питания +3, 3В на микросхему ПЗУ DD2 емкостью 0. 1 мкФ;
- один блокировочный конденсатор на микросхему ПЛИС DD1 по цепи питания +2, 5В емкостью 0. 1 мкФ;
-два блокировочных конденсатора на микросхему ПЛИС DD1 по цепи питания +3, 3В емкостью по 0. 1 мкФ. Выбираем С34 – С36, C38: VJ 1206Y-25В-0. 1мкФ±10%. 4. 16 Оценка погрешности измерений
Рассчитаем максимальную погрешность на самом чувствительном поддиапазоне, который наиболее подвержен действию дестабилизирующих факторов. При номинальном входном напряжении 100мВ погрешность оцифровки по напряжению не превышает единицы младшего разряда преобразователя и численно равна: мВ. При сбалансированном ОУ абсолютная погрешность, вызванная напряжением смещения нуля не должна превышать 0, 25мВ.
При самом неблагоприятном стечении обстоятельств погрешности суммируются: мВ Рассчитаем относительную погрешность по формуле: , (4. 19) где - максимальная абсолютная погрешность; - предел измерений. Подставим числовые значения и получим: .
Погрешность измерений на поддиапазонах с меньшей чувствительностью (более высоковольтных) будет еще меньше из-за уменьшения влияния погрешности усилительного каскада. 4. 17 Расчет времени загрузки ПЛИС
При включении питания компьютера микросхема ПЛИС должна сконфигурироваться раньше, чем BIOS начнет проводить инициализацию PCI-плат (около 1 с. ). Микросхема ПЗУ DD2 имеет скорость передачи по последовательному каналу 2Мбит/с. Время загрузки ПЛИС определим по формуле: (4. 20) где -время загрузки, с; - объем загрузочной записи ПЛИС, кБит; - скорость обмена между загрузчиком и ПЛИС, кБит/с. с.
Рассчитав время загрузки мы убедились, что микросхема ПЛИС успеет сконфигурироваться до момента начала инициализации PCI-устройств на материнской плате компьютера. 4. 18 Расчет потребляемой мощности
Рассчитаем мощность, потребляемую устройством, от источника питания ЭВМ. Она состоит из потребляемой мощности по цепям питания шины PCI: -12В, +5 В, +12 В. Мощности, потребляемые делителем R16, R17 и элементами подтяжки уровня к +3, 3В (R23 - R25) незначительные, поэтому в расчет их включать не будем. Рассчитаем мощности потребляемые всеми ИМС. Результаты занесем в соответствующие таблицы.
Таблица 4. 2 - Потребляемая микросхемами мощность от источника -12В Наименование микросхемы Потребляемая мощность одной ИМС, мВт Количество микросхем Потребляемая мощность всеми ИМС, мВт AD7845KR 48 1 48 AD8610BR 36 1 36 L79L05ACD 300 1 300
Таблица 4. 3 - Потребляемая микросхемами мощность от источника -5В Наименование микросхемы Потребляемая мощность одной ИМС, мВт Количество микросхем Потребляемая мощность всеми ИМС, мВт AD711KR 15 1 15 AD847AR 15 1 15 LTC1409CSW 75 1 75
Таблица 4. 4 - Потребляемая микросхемами мощность от источника +2. 5В Наименование микросхемы Потребляемая мощность одной ИМС, мВт Количество микросхем Потребляемая мощность всеми ИМС, мВт EP1K30TC144-2 250 1 250
Таблица 4. 5 - Потребляемая микросхемами мощность от источника +3. 3В Наименование микросхемы Потребляемая мощность одной ИМС, мВт Количество микросхем Потребляемая мощность всеми ИМС, мВт EP1K30TC144-2 400 1 400 AT17LV512A-10JC 16. 5 1 16. 5 ADG704BRM 0, 0033 2 0. 0066 AD8031ART 0. 005 1 0. 005 LTC1409CSW 29, 7 1 29, 7
Таблица 4. 6 - Потребляемая микросхемами мощность от источника +5В Наименование микросхемы Потребляемая мощность одной ИМС, мВт Количество микросхем Потребляемая мощность всеми ИМС, мВт AD711KR 15 1 15 AD847AR 15 1 15 ADG752BRM 0. 0025 1 0. 0025 LTC1409CSW 45 1 45 TPS70158PWP 1200 1 1200
Таблица 4. 7 - Потребляемая микросхемами мощность от источника +12В Наименование микросхемы Потребляемая мощность одной ИМС, мВт Количество микросхем Потребляемая мощность всеми ИМС, мВт AD7845KR 72 1 72 AD8610BR 36 1 36
Подсчитаем суммарную мощность потребления устройства от всех источников по формуле: , (4. 21)
где - потребляемая мощность одной микросхемой i - го типа; - количество микросхем i - го типа. По источнику -12В: мВт По источнику +5В: мВт По источнику +12В: мВт Данные занесем в сводную таблицу 4. 8.
Таблица 4. 8 – Мощности, потребляемые устройством от шины PCI Напряжение питания, В Потребляемая мощность, мВт -12В 384 +5В 1275 +12В 108 Рассчитаем общую мощность, потребляемую устройством: Робщ = 384+1275+108=1760 мВт.
Согласно спецификации PCI максимально допустимая потребляемая мощность PCI-устройства 25 Вт. Рассчитанная мощность Робщ =1. 76 Вт меньше предельно допустимой, т. е. устройство удовлетворяет этим требованиям. 5 Конструкторская часть
5. 1 Системные аспекты надежности измерительного оборудования
В соответствии с основными принципами системного подхода прогнозирование надежности оборудования уже на ранних стадиях разработки цифровых средств измерения является важной предпосылкой для успешного решения задачи обеспечения высокого качества их функционирования в реальных условиях эксплуатации. Недооценка данного обстоятельства ведет к увеличению затрат и сроков на разработку, не позволяет использовать всех возможностей выбора наиболее эффективных способов обеспечения системной надежности.
С точки зрения надежности цифровая система измерения представляет собой сложный комплекс оборудования, отказы которого не равноценны по своим последствиям. При исследовании такого рода технических систем массового обслуживания надежность неразрывно связана с более общим понятием качества функционирования, которое зависит от того, насколько эксплуатационные характеристики системы соответствуют требованиям, предъявляемым со стороны потребителей и заложенным в нормативно-техническую документацию. 5. 2 Расчет надежности устройства
Разрабатываемое устройство анализа и синтеза электрических сигналов на базе IBM PC представляет собой плату расширения стандартных функций ПЭВМ - функционально законченный модуль, устанавливаемый непосредствен-но в слот PCI персонального компьютера. При внезапном эксплуатационном
отказе (ВЭО) разработанного устройства компьютер остается работоспособным, но лишается возможности анализа и синтеза электрических сигналов. По условиям функционирования, отказ любого элемента надежности ведет к отказу устройства в целом, следовательно, имеет место совмещение событий, то есть элементы надежности соединены последовательно.
Вероятность безотказной работы системы может быть подсчитана по формуле (5. 1) [ ]: , (5. 1)
где lj –интенсивность отказов j-ой группы равнонадежных элементов при эксплуатации в заданных условиях, подсчитывается по формуле (5. 2): , (5. 2)
где loj- интенсивность отказов j-ой группы равнонадежных элементов при эксплуатации в номинальном режиме;
aj- поправочный коэффициент интенсивности отказов j-ой группы, учитывающий влияние температуры окружающей среды и коэффициент нагрузки; Nj - число элементов j-ой группы; Kl - коэффициент учитывающий условия эксплуатации РЭА. Рассчитывается Kl по формуле: , (5. 3)
где Kl1 - коэффициент учитывающий влияние механических факторов; Kl2 - коэффициент учитывающий воздействие климатических факторов; Kl3 - коэффициент учитывающий воздействие пониженного атмосферного давления; m – число равнонадежных групп.
Определим количественное значение вероятностей безотказной работы элементов, используя экспоненциальный закон надежности. Его применение оправдано тем, что элементы надежности подвержены в основном внезапным отказам, расчет надежности ведется на время до поступления первого отказа и можно предположить, что поток отказов является простейшим [ ].
В таблице 5. 1 указано результирующее значение интенсивности отказов элементов, которое представляет собой произведения табличного значения интенсивности их отказов на количество элементов Nj данного типа, используемых в устройстве. Таблица 5. 1 Интенсивности отказов элементов Наименование элемента Nj, шт Интенсивность отказов l0 j, 10-6 ч-1 a j Интенсивность отказов l j, 10-6 ч-1 Результирую-щая интенсив-ность отказов Nj lj, 10-6 ч-1 , мин. макс. мин. макс. мин. макс. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Диод кремниевый 4 0, 150 0, 25 0, 88 0, 132 0, 22 0, 528 0, 88 Дроссель питания 3 0, 500 1, 40 0, 75 0, 375 1, 05 1, 125 3, 15 Интегральная микросхема 13 0, 010 0, 10 1, 00 0, 010 0, 10 0, 130 1, 30 Продолжение таблицы 5. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Конденсатор керамический 27 0, 040 0, 60 0, 80 0, 032 0, 48 0, 864 12, 96 Конденсатор электролити ческий 11 0, 003 0, 50 0, 80 0, 002 0, 40 0, 022 4, 40 Механическое соединение 82 0, 040 0, 80 1, 00 0, 040 0, 80 3, 280 65, 60 Пайка 800 0, 001 0, 05 1, 00 0, 001 0, 05 0, 800 40, 00 Печатная плата 1 0, 800 1, 00 1, 00 0, 800 1, 00 0, 800 1, 00 Резистор подстроечный 1 0, 100 0, 57 0, 72 0, 072 0, 41 0, 072 0, 41 Резистор постоянный 24 0, 010 0, 06 0, 72 0, 007 0, 04 0, 173 1, 04 Интенсивность отказов системы, 10-6 ч-1 7, 794 130, 74 Средняя наработка на отказ, ч 128304 7648 Вероятность безотказной работы при tср =5000час 0, 962 0, 537
Определим надежность проектируемого устройства по величине интенсивности отказов по формуле (5. 4): (5. 4) Подставляя числовые значения получим: lс= 130, 74Ч10-6 ч-1. Обратная величина: Tc = 7648 ч.
Вероятность безотказной работы при t =5000 ч равна: Pc = 0, 537. Таким образом, надежность разрабатываемого устройства удовлетворяет требованиям технического задания. 5. 3 Описание конструкции устройства
Устройство выполнено на печатной плате по размерам, устанавливаемым для дополнительных плат ЭВМ. В пространстве конструкция фиксируется с помощью крепления к внутренней раме ЭВМ.
С источниками сигналов устройство соединяется с помощью соединительных шнуров, разъемы для которых выведены на заднюю панель ЭВМ. Выход устройства (разъем аналогичного типа) также выведен на торец платы.
Охлаждение элементов устройства естественное. Габариты устройства 135ґ100 мм, вес не более 0, 5 кг. 6 Программная часть
Проектируемое устройство используется как часть микропроцессорной системы, поэтому его разработка подразумевает также разработку программного обеспечения. Алгоритм работы программы приведен на рисунке 6. 1.
В начале работы программы происходит проверка наличия платы в компьютере. При отсутствии платы программа выдает сообщение об ошибке и прекращает работу. Далее следует запрос к пользователю о режимах работы устройства и в соответствии с установленными режимами программа производит запись управляющих слов в соответствующие регистры ПЛИС.
После определения режимов работы происходит проверка наличия файла данных для ЦАП, в котором содержится информация об отсчетах генерируемого выходного сигнала. Если этот файл отсутствует, то происходит отключение блока ЦАП устройства, и устройство будет работать только с блоком АЦП. При наличии файла с информацией об отсчетах генерируемого сигнала происходит подключение блока ЦАП устройства. Далее происходит считывание данных для блока ЦАП из указанного файла в ОЗУ устройства. После записи данных блок ЦАП автоматически будет осуществлять генерацию сигнала в соответствии с входными данными и установленными режимами работы.
Данные с блока АЦП устройства также записываются в файл. Управление записью данных осуществляется при помощи флага для записи с АЦП. При первом проходе выполняемого цикла программы происходит запись данных с АЦП в файл, и флаг для записи с АЦП сбрасывается. Для того чтобы осуществить повторную запись информации с АЦП необходимо установить флаг для записи, что происходит при нажатии клавиши“Enter” на клавиатуре. При нажатии клавиши “Esc” происходит выход из программы. Рисунок 6. 1 - Алгоритм работы программы
Данная программа является лишь базовой. Для нормальной эксплуатации устройства необходима разработка более совершенного программного обеспечения, предоставляющего пользователю более удобный интерфейс и возможность визуального наблюдения исследуемых процессов.
Ввиду модульной структуры программы и стандартного вида выходного файла довольно просто осуществить дополнительную обработку данных и дальнейшее усовершенствование программного обеспечения.
Программа написана на языке Pascal с использованием языка более низкого уровня Assembler, набрана и отлажена в среде Turbo Pascal 7. 0. Ввиду достаточной сложности и громоздкости полный текст программы детально не описывается, назначение большинства функций и процедур понятно из их имени, либо описано комментариями.
Листинг программы на языке Pascal приведен в приложении В. Программа использует скомпилированный объектный файл PCIConf. obj находящийся в одной директории с Pascal-файлом. Листинг программы на языке Assembler приведен в приложении Г. Работа с программой в режиме пользователя заключается в правильном выборе режима работы устройства и создании при необходимости файла для блока ЦАП. Кроме разработки программного обеспечения для ПЭВМ в данном дипломном проекте произведена разработка загрузочной записи для конфигурирования микросхемы ПЛИС. Программно реализованы следующие функции: буферизирование и передача цифровых потоков; накопление, обработка и выдача данных; выработка управляющих сигналов; запись конфигурации пользователя в управляющие регистры; установка режимов работы устройства;
согласование по временным параметрам и сопряжение с шиной PCI. Программа для ПЛИС написана на языке AHDL. Листинг программы приведен в приложении Д. При создании файла прошивки ПЛИС (pof-файл) была использована мегафункция ядра шины PCI (PCI_compiler-v2. 1. 0), размещенная на Internet-сайте фирмы Altera - производителя ПЛИС. Для написания, отлаживания и компиляции программы использовалась система проектирования MAX+Plus II v 10. 1 [ ]. Скомпилированная программа заняла 1452 макроячейки (84% внутренних ресурсов ПЛИС). Временной анализ показал, что максимальная частота работы проектируемого устройства на ПЛИС составляет 54, 8 МГц, что выше рабочей частоты шины PCI (33МГц). 7 Экономическая часть
Целью данного раздела дипломного проекта является оценка затрат на создание и эксплуатацию устройства анализа и синтеза электрических сигналов на базе IBM PC. 7. 1 Оценка затрат на создание устройства 7. 1. 1 Структура затрат на проектирование Затраты на проектирование включают: 1) материальные затраты;
2) заработную плату (включая основную, дополнительную, а также обязательные отчисления на социальное страхование и в фонд занятости); 3) накладные расходы.
В затраты на проектирование также включаются затраты на создание устройства. Для определения затрат на создание устройства необходимо определить затраты труда и сроки разработки. 7. 1. 2 Структура затрат на эксплуатацию устройства
В качестве структуры затрат принимаем затраты на эксплуатацию устройства. В затраты на эксплуатацию устройства включают: 1) материальные затраты;
2) заработную плату (включая основную, дополнительную, а также обязательные отчисления); 3) накладные расходы. 7. 1. 3 Определение трудоемкости создания устройства Определим трудоемкость рабочего проектирования по формуле: Tн=Тij Ч Vg Ч Kg (7. 1)
где Тij =3, 7 - удельная величина трудоемкости, приходящаяся на один формат приведенной документации А4; Vg =150 - предлагаемый объем документации; Kg =0, 85 - коэффициент общей унификации. Тн=3, 7Ч150Ч0, 85=471, 75 н-ч. Норма времени на проектирование равна: (7. 2) Тр= 471, 75Ч100/25=1887 н-ч.
Трудоемкость других категорий рабочих, задействованных для создания устройства, приведена в таблице 7. 1.
Таблица 7. 1 -Основная заработная плата категорий рабочих, задейство-ванных на создании устройства Наименование категории рабочего Трудоемкость чел. -дней Уд. вес Т, % в общем объеме Чт , грн. / ч З, грн. Монтажник VI разряда 4 65 2, 1 67, 2 Регулировщик V разряда 2 35 2, 1 33, 6 Итого: 6 100 – 100, 8 7. 1. 4 Расчет затрат на проектирование устройства
Целью данного пункта является расчет затрат на этапе проектирования. Создание устройства проводилось в течение 3-х месяцев. Зпр=Зм+Ззп+Знакл , (7. 3) где Зм - материальные затраты;
Ззп - заработная плата проектировщика, включая основную и дополнительную; Знакл - накладные расходы. Рассчитаем перечисленные выше затраты: 1) материальные затраты: - 2 дискеты – 4 грн. ; - 3 листа формата A1 – 3 грн; - 0. 5 пачки бумаги (250 листов) – 8, 5 грн. ; - канцелярские принадлежности – 5 грн. Зм=4+3+8, 5+5 = 20, 5 грн. 2) заработная плата: Зосн=ТрЧЗср/N, (7. 4) где Тр - норма времени на проектирование; N - количество рабочих часов в месяце, N = 176;
Зср - средняя заработная плата проектировщика, Зср = 400 грн. Зосн=1887 Ч 400/176=4288, 63 грн.
Учитывая обязательные отчисления, которые составляют 37, 5 % , получим: Зотч=0, 375 Ч 4288, 63=1608, 23 грн. Ззп=4288, 63+1608, 23=5896, 86 грн. 3) накладные расходы: Знакл=Зам+Зотопл+Зосв+Зар , (7. 5)
где Зам - годовые амортизационные отчисления на оборудование: Зам= Sоб Ч На Ч f / F, (7. 6) где Sоб - стоимость оборудования, Sоб = 3000 грн. ; На - норма амортизации, На = 15 % ;
f - время использования оборудования, f = 4 Ч 25 Ч 8 = 800 ч; F - фонд времени за год, F = 250 Ч 8 = 2000 ч. Зам = 3000 Ч 0, 15 Ч 800 / 2000 = 180 грн. Зотопл - затраты на отопление: Зотопл=СЧS, (7. 7)
где С - стоимость отопления 1 м2 помещения, С = 8, 035 грн. ; S - занимаемая площадь при разработке, S = 12 м2. Зотопл = 8, 035 Ч 12 = 96, 42 грн. Зосв - затраты на освещение: Зосв = E Ч S Ч Cв Ч PB Ч Крд , (7. 8) где E - освещенность рабочей площади; S - площадь, занимаемая при разработке устройства; Cв - стоимость освещения 1 м2 помещения, Cв = 0, 34 грн. ; РВ - ежедневная норма работы освещения, РВ = 800/254=3 ч; Крд - количество рабочих дней проектирования, Крд = 90. Зосв = 0, 025 Ч 12 Ч 0, 34 Ч 3 Ч 64 = 19, 58 грн.
Зар- затраты на аренду помещения. Они составляют 0, 6 грн за 1 м с учетом НДС 20% для зонального коэффициента 5. Зар = 0, 6 . 5 . 12 = 36 грн. Знакл = 180 + 96, 42 + 19, 58 + 36 = 332, 0 грн. Таким образом, затраты на проектирование составили: Зпр = 20, 5 + 5896, 86 + 332, 0 = 6249, 36 грн.
При серийном производстве эти затраты нужно разделить на количество выпускаемых изделий, в результате чего мы получим затраты на проектирование приходящиеся на одно изделие: Зп ед = 6249, 36/20 = 312, 47 грн. 7. 1. 5 Расчет затрат на создание устройства
Целью данного пункта является расчет затрат на этапе создания изделия. В себестоимость создания устройства включаются: 1) материальные затраты, Зм; 2) заработная плата персонала, Ззп; 3) накладные расходы, Знакл. Рассчитаем себестоимость создания устройства. 1) Затраты на материалы: - канифоль (0, 1 кг) - 0, 5 грн. ; - припой (0, 1 кг) - 2, 0 грн. ; - дискеты (2 шт. ) - 4 грн. ; - бумага – 2 грн. ; - спирт (0, 2 л) - 4 грн. Затраты на материалы равняются: Зм = 0, 5 + 2, 0 + 4, 0 + 2, 0 + 4, 0 = 12, 5 грн.
Стоимость покупных изделий и элементов приведена в таблице 7. 2. Таблица 7. 2 - Стоимость покупных изделий Наименование Количество, шт. Цена, грн. Стоимость, грн 1 2 3 4 AD711KR 1 3, 84 3, 84 AD847AR 1 5, 20 5, 20 AD7845KR 1 34, 90 34, 90 AD8031ART 1 3, 58 3, 58 AD8610BR 1 6, 35 6, 35 ADG704BRM 2 3, 80 7, 60 ADG752BRM 1 3, 25 3, 25 AT17LV512A-10JC 1 27, 15 27, 15 EP1K30TC144-2 1 128, 70 128, 70 L79L05ACD 1 1, 20 1, 20 Продолжение таблицы 7. 2 1 2 3 4 LTC1409CSW 1 37, 60 37, 60 TPS70158PWP 1 3, 07 3, 07 Конденсатор керамический 27 0, 25 6, 75 Конденсатор электролитический 11 0, 40 4, 40 Резистор 24 0, 08 1, 92 Резистор подстроечный 1 0, 40 0, 40 Диод 4 0, 30 1, 20 Дроссель 3 0, 35 1, 05 Разъем BNC-RJ 3 1, 70 5, 10 Итого – – 283, 26 Стоимость покупных изделий составляет: Зпи = 283, 26 грн. 2) Заработная плата:
Для работы по созданию устройства были задействованы монтажник VI разряда и регулировщик V разряда.
Основная заработная плата З для каждого из этих категорий рабочих (таблица 7. 1) определяется по формуле: Зп = Тр Ч Чт Ч n, (7. 9) где Тр - трудоемкость изготовления, чел. -дней; ЧТ – часовая тарифная ставка; n - продолжительность рабочего дня.
Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих (Здоп) составила 11%: Здоп = 0, 11 Ч 100, 8 = 11, 09 грн. Тогда: Зп = 100, 8 + 11, 09 = 111, 89 грн.
Учитывая отчисление на социальное страхование 37, 5%, получим: Зотч = 0, 375 Ч 111, 89 = 41, 96 грн. Тогда заработная плата персонала: Зп = 111, 89 + 41, 96 = 153, 85 грн.
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования на стадии изготовления составляют 65, 1% от основной заработной платы и равны: Зрс = 0, 651 Ч 100, 8 = 65, 62 грн.
Другие расходы (цеховые, ремонт) составляют 250% от основной заработной платы: Здр = 2, 5 Ч 100, 8 = 252 грн. Затраты на создание устройства равны: Зсозд = Зм + Зпи + Ззп + Зрс + Здр. (7. 10) Подставим числовые значения и получим:
Зсозд = 12, 5 + 283, 26 + 153, 85+ 65, 62 + 252 = 767, 23 грн. 7. 2 Расчет расходов на эксплуатацию устройства
При эксплуатации устройства предусматриваются следующие затраты: 1) годовая заработная плата обслуживающего персонала 3600 грн. ; регламентные работы составляют 100 часов; 2) затраты на ремонт устройства в размере Зр = 100 грн.
Доля времени работы обслуживающего персонала для проведения регламентных работ составит: К = t / T, (7. 11) где t - время, затраченное на регламент, ч;
T - общее количество часов, отработанных обслуживающим персоналом за год (2000 часов). К = 100 / 2000 = 0, 05 Заработная плата обслуживающего персонала: Зпл = Згод Ч К = 3600 Ч 0, 05 = 180 грн. где Згод - годовая заработная плата; К - доля времени работы обслуживающего персонала для проведения регламентных работ.
Учитывая обязательные отчисления, которые составляют 37, 5%, получим: Зотч= 0, 375 Ч 180 = 67, 5 грн. Тогда получим: З = Зпл + Зотч = 180 + 67, 5 = 247, 5 грн. Накладные расходы:
1) на эксплуатационные расходы (уборка, техническое обслуживание): Зто = ЗТО1· S, (7. 12)
где ЗТО1 - затраты на эксплуатационные расходы на единицу площади; S - площадь помещения. Зто = 6 · 12 · 12 = 864 грн. 2) затраты на электроэнергию: Зэл = Зэл пл · S, (7. 13)
где Зэл пл - расходы на электроэнергию за единицу площади здания; S - площадь здания. Зэл = 0, 24 · 12 · 12 = 34, 56 грн. 3) затраты на отопление: Зот = Зотопл · S, (7. 14) где Зотопл - расходы на отопление единицы площади здания. Зот = 8, 035 · 5 · 12 = 482, 1 грн. 4) затраты на освещение: Зосв = Зосв1 · S · Tосв · Ц / 1000, (7. 15) где Зосв1 - расходы на единицу площади здания, кВт; Tосв - время освещения; Ц - стоимость 1 кВт. час электроэнергии, (0, 23 грн/кВтЧч). Подставив числовые значения получим: Зосв = 80 · 12 · 286 · 0, 23 / 1000 = 63, 10 грн. 5) амортизационные отчисления на помещение: Замор = 12 . 12 . 0, 6 = 86, 4 грн. Расходы на эксплуатацию составят: Зэкспл = З + Зто + Зэл + Зосв + Зот + Замор (7. 16)
Зэкспл = 247, 5 + 864 + 34, 56 + 63, 10 + 482, 1 + 86, 4 = 1777, 66 грн.
Общая сумма затрат на проектирование, создание и эксплуатацию системы составляет: Sзатр = Зп ед + Зсозд + Зэкспл (7. 17) Sзатр = 312, 47 + 767, 23 + 1777, 66 = 2857, 36 грн. 7. 3 Определение экономического эффекта от внедрения
Благодаря внедрению разработанного устройства происходит экономия времени работников, которые занимаются моделированием и математическим анализом исследуемых сигналов, а также значительно быстрее происходит процесс документирования информации. Месячная экономия Эмес равна: Эмес =Тст Ч Эвр (7. 18)
где Тст – часовая тарифная ставка проектировщика моделей, грн. /час; Эвр – экономия времени в часах в месяц . Подставим числовые значения и получим: Эмес = 3, 1 Ч 60 = 186 грн. Срок окупаемости устройства Ток: (7. 19) мес. (1, 28 года) 7. 4 Выводы В результате расчета были получены следующие результаты: - затраты на проектирование составили: 312, 47 грн; - затраты на создание составили: 767, 23 грн; - затраты на эксплуатацию составили: 2857, 36 грн; - срок окупаемости устройства: 15, 4 мес. (1, 28 года).
Применение данного устройства даст значительную экономию времени и позволит проектировщикам более оперативно получать и обрабатывать информацию о процессах, происходящих в электрических цепях.
Устройство целесообразно запускать в крупносерийное производство, ввиду специфичности процесса его изготовления и достаточной универсальности данного продукта. В этом случае себестоимость устройства значительно снизится из-за интеграции некоторых покупных элементов. 8 Организационная часть 8. 1 Введение
Сейчас в эпоху быстрого развития новейших технологий и стремительного роста радиотехнической промышленности стало невозможным достижения высокого результата без проведения экономического анализа внедряемой разработки, освоения новой технологии, перехода к производству новой продукции. Анализ затрат, расходов на переоборудование, на внедрение новой технологии, на закупку сырья, а также прогнозирование результатов, являются сейчас основным критерием при реорганизации производства. Ведь эти составляющие являются наиболее важными с точки зрения экономического анализа.
Внедряя новую разработку, прежде всего предприятие хочет сделать ее конкурентно способной, с хорошими эргономическими показателями, а самое главное приносящим прибыль. Оценка себестоимости изделия, рентабельности и окупаемости затрат ее производства позволяет уменьшить риск, и тем самим свести к минимуму затраты и получить максимальную прибыль [ ].
Расчет происходит в несколько этапов. Составляется структурная модель изделия, выполняется расчет стоимости деталей каждого модуля, составляется диаграмма Парето. Устройство расчленяется на составляющие, для них осуществляется формулировка функций–каждому элементу (группе элементов) присваивается определенная функция. Производится анализ структурной и функциональной моделей, определяются затраты на реализацию функций. Построение функционально-стоимостной диаграммы позволяет определить элементы устройства, важность которых по сравнению с удельными затратами намного меньше. Это позволяет разработчику по возможности заменить или сам элемент, для уменьшения затрат, или новые пути обеспечения работоспособности устройства, порой даже ценой полного переконструирования изделия [ ]. 8. 2 Структурная модель устройства
На основании электрической принципиальной и функциональной схем устройства составляем структурную модель изделия (рисунок 8. 1). Рисунок 8. 1 - Структурная модель изделия 8. 3 Ранжирование структурных элементов изделия
Для построения диаграммы Парето выполним ранжирование модулей, поставив на первое место материальный носитель наибольшей стоимости, затем из оставшихся имеющих самую большую стоимость и т. д. Таблица 8. 1 – Стоимость составных частей устройства Наименование функционального узла Стоимость материального носителя, грн. Удельная стоимость, % Ранг Блок анализа входного сигнала 51, 17 18, 59 2 Блок синтеза выходного сигнала 47, 04 17, 09 3 Блок выбора рабочего режима 12, 24 4, 45 5 Блок управления и сопряжения с шиной PCI 128, 94 46, 84 1 Блок формирования питающих напряжений 10, 87 3, 95 6 Печатная плата 25, 00 9, 08 4 Всего 275, 26 100, 00 –
По данным таблицы 8. 1 строим диаграмму Парето (рисунок 8. 2), из которой видно, что в зону А попали: блок управления и сопряжения с шиной PCI, а также блок анализа входного сигнала; в зону В попали: блок синтеза выходного сигнала, печатная плата и блок выбора рабочего режима; в зону С– блок формирования питающих напряжений. Рисунок 8. 2 - Диаграмма Парето
Таким образом при анализе затрат первостепенное внимание необходимо уделить двум блокам попавшим в зону А. 8. 4 Формулировка функций
В основе ФСА лежит функциональная модель изделия, которая создается на базе следующей классификации. Все функции делятся на внешние и внутренние. Внешние функции в зависимости от их важности делятся на главные и второстепенные. Внешние функции выполняются изделием в целом и отражают отношением между изделием и сферой по применению [ ].
Сформулируем функции, выполняемые проектируемым устройством. Главные функции: F1 – управление устройством и сопряжение с ПЭВМ; F2 – обработка электрического сигнала. Второстепенные функции: f11 – обеспечить управление работой устройства; f12 – произвести обработку данных; f13 – обеспечить совместимость устройства с ПЭВМ; f14 – обеспечить крепление устройства; f21 – обеспечить усиление сигнала; f22 – произвести преобразование сигнала в код; f23 – произвести преобразование кода в сигнал; f24 – сформировать сигнал о начале преобразования.
8. 5 Определение значимости функций и их относительной важности
Значимость функции –показатель роли функций нижестоящего уровня иерархии в удовлетворении целей пользователя объекта в определенной ситуации.
Определим значимость и относительную важность функций F1, F2 методом попарного сравнения (таблица 8. 2). Значимость функции определяется по формуле: ri = pi / е pi, (8. 1) где ri – значимость і-той функции; pi – абсолютный приоритет функции. Величина pi находится по формуле: pi = [F] Ч [е], (8. 2) где [F] – вектор-строка матрицы значений функции Fі;
[е] – вектор-столбец суммы соответствующих строк матрицы значений функции Fі.
Таблица 8. 2 - Значимость и относительная важность функций F1, F2 Функция F1 F2 е pi ri F1 1, 0 1, 5 2, 5 4, 75 0, 63 F2 0, 5 1, 0 1, 5 2, 75 0, 37 4, 0 7, 50 1, 00
Относительная важность определяется: для первого уровня функцио-нальной модели как Ri = r1i; для второго уровня Ri = r1i Ч r2i.
Рассчитаем значимость и относительную важность функций f11 – f14 , f21 - f24 и сведем результаты в таблицу 8. 3 и таблицу 8. 4 соответственно.
Таблица 8. 3 - Значимость и относительная важность функций f11 – f14 Функция f11 f12 f13 f14 е P1i r1i R1i f11 1, 0 1, 0 0, 5 1, 5 4, 0 14, 8 0, 24 0, 151 f12 1, 0 1, 0 0, 5 1, 0 3, 5 13, 3 0, 22 0, 138 f13 1, 5 1, 5 1, 0 1, 5 5, 5 21, 3 0, 35 0, 221 f14 0, 5 1, 0 0, 5 1, 0 3, 0 11, 3 0, 19 0, 120 60, 7 1, 00 0, 630
Таблица 8. 4 - Значимость и относительная важность функций f21 - f24 Функ-ция f21 f22 f23 f24 е P2i r2i R2i f21 1, 0 0, 5 0, 5 1, 5 3, 5 12, 3 0, 21 0, 078 f22 1, 5 1, 0 1, 0 1, 5 5, 0 19, 0 0, 32 0, 118 f23 1, 5 1, 0 1, 0 1, 5 5, 0 19, 0 0, 32 0, 118 f24 0, 5 0, 5 0, 5 1, 0 2, 5 9, 3 0, 16 0, 056 59, 6 1, 00 0, 370 8. 6 Определение затрат на реализацию функций Затраты на реализацию функций находим по формуле: SF = SN Ч aNF, (8. 3) где SN – стоимость материального носителя; aNF – вклад материального носителя в выполнение функции.
Вклад материального носителя в выполнение функции находят экспертным путем, определяя ту часть материального носителя, которая выполняет функцию. Рассчитаем затраты на реализацию функций. На основе полученных результатов составляем распределение затрат на реализацию функций, данные занесем в таблицу 8. 5. Таблица 8. 5 - Затраты на реализацию функций Наименование материального носителя Стоимость, грн. Индекс функции Вклад в выполняемую функцию SF Блок анализа входного сигнала 51, 17 f21 0, 3 15, 35 f22 0, 5 25, 59 f24 0, 2 10, 23 Блок синтеза выходного сигнала 47, 04 f21 0, 3 14, 11 f23 0, 7 32, 93 Блок выбора рабочего режима 12, 24 f11 0, 6 7, 34 f21 0, 4 4, 90 Блок управления и сопряжения с шиной PCI 128, 94 f11 0, 3 38, 68 f12 0, 3 38, 68 f13 0, 4 51, 58 Блок формирования питающих напряжений 10, 87 f13 1, 0 10, 87 Печатная плата 25, 00 f14 1, 0 25, 00 Всего 275, 26
Распределение затрат по функциям на основе функционально-стоимостной модели приведено в таблице 8. 6. Таблица 8. 6 – Распределение затрат по функциям Материаль- ный носитель F1 F2 Всего f11 f12 f13 f14 f21 f22 f23 f24 Блок анализа входного сигнала 15, 35 25, 59 10, 23 51, 17 Блок синтеза выходного сигнала 14, 11 32, 93 47, 04 Блок выбора рабочего режима 7, 34 4, 90 12, 24 Блок управления и сопряжения с шиной PCI 38, 68 38, 68 51, 58 128, 94 Блок формирова-ния питающих напряжений 10, 87 10, 87 Печатная плата 25, 00 25, 00 Всего 46, 02 38, 68 62, 45 25, 00 34, 36 25, 59 32, 93 10, 23 275, 26 SF, % 16, 72 14, 05 22, 69 9, 08 12, 48 9, 30 11, 96 3, 72 100, 00 Ri, % 15, 10 13, 80 22, 10 12, 00 7, 80 11, 80 11, 80 5, 60 100, 00
По результатам таблицы 8. 6 построим функционально-стоимостную диаграмму (рисунок 8. 3). Рисунок 8. 3 – Функционально-стоимостная диаграмма 8. 7 Вывод
Целью данного раздела дипломного проекта являлось проведение ФСА. Завершающим этапом ФСА являлось построение функционально-стоимостной диаграммы. Анализируя построенную функционально-стоимостную диаграмму, можно заметить что заметного дисбаланса между затратами на реализацию и важностью функций практически нет. Небольшой дисбаланс наблюдается у функции f21 (обеспечить усиление сигнала) из-за заниженной значимости этой функции по сравнению с остальными (устройство будет работоспособным, но в ограниченном диапазоне входных и выходных сигналов и с ухудшением рабочих характеристик), а также поскольку в схеме использовались относительно дорогостоящие быстродействующие прецизионные ОУ. Замена этих элементов на другие неизбежно приведет к ухудшению электрических характеристик устройства. 9 Охрана труда 9. 1 Задачи в области охраны труда
Согласно Закону Украины “Об охране труда”, который принят Верховной Радой Украины 14 октября 1992 года и введен в действие с 24 октября 1992 года: Охрана труда - это система правовых, социально-экономических, организационно-технических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилак-тических способов, направленных на сохранение здоровья и трудоспособности человека в процессе работы.
Социально-экономическими мерами предусматривается следующие экономические методы управления охраной труда:
1) обязательное социальное страхование работников производства от несчастных случаев и профессиональных заболеваний;
2) бесплатное обеспечение лечебно-профилактическим питанием и предоставление других льгот, а также компенсаций работникам, которые работают во вредных условиях;
3) бесплатная выдача работникам спецодежды, спецобуви и других средств индивидуальной защиты.
Организационно-технические методы и способы призваны обеспечить такой уровень организации работы на производстве и такие технические (инженерные) решения охраны труда для всего технологического процесса, отдельного оборудования и инструментов, которые исключили бы влияние на работников опасных производственных факторов.
Организационными методами охраны труда являются: высокий уровень квалификации работников, четкое и своевременное проведение инструктажей и контроля знаний об охране труда: 1) правильная организация работы;
2) исправное состояние коллективных и индивидуальных средств защиты; 3) наличие соответствующих знаков безопасности.
Технологическими (инженерными) методами и способами охраны труда являются: 1) применение технически современного оборудования, инструментов и приборов, средств коллективной защиты (ограждений, предохранительных устройств, блокировок, сигнализации, дистанционного управления, и т. д. ); 2) применение современных средств индивидуальной защиты (изолирующих костюмов, средств защиты органов дыхания, рук, головы, и т. д. ). Санитарно-гигиенические мероприятия предусматривают:
1) исследование влияния производственных факторов на человека; 2) установление допустимых значений этих факторов на рабочих местах; 3) определение фактических значений конкретных параметров произ-водственных факторов;
4) определение соответствия условий на рабочих местах требованиям нормативных документов.
В процессе работы с проектируемым устройством пользователь может подвергнуться воздействию следующих вредных и опасных факторов: 1) опасность поражения электрическим током; 2) электромагнитное излучение; 3) ионизирующее излучение; Рассмотрим эти факторы более подробно. 9. 1. 1 Опасность поражения электрическим током
В процессе эксплуатации под влиянием процессов старения, механических, тепловых воздействий изоляционные качества материалов, применяемых для выполнения рабочей изоляции, ухудшаются. Неправильная эксплуатация аппаратуры, проникновение в аппарат влаги, пыли, кислорода, озона ускоряют износ изоляции. Все эти причины могут, в конечном счете, привести к нарушению, пробою рабочей изоляции и, как следствие этого, к появлению опасных напряжений на доступных металлических частях.
В случае возникшего замыкания между сетевой цепью и корпусом аппарата говорят о “пробое на корпус”. При пробое на незащищенный корпус на нем возникает напряжение относительно земли, величина которого равна величине фазного напряжения. Человек, касающийся такого корпуса, оказывается включенным в цепь замыкания. Падение напряжения на сопротивлении тела человека, называемое напряжением прикосновения, зависит от многих причин, главным образом от изоляции человека от земли и соединенных с нею предметов. При расчете напряжения прикосновения основное значение имеет сопротивление пола. Сопротивление обуви, которая может иметь сырую кожаную подошву либо гвозди в подошве, как правило, не учитывается [ ].
Сопротивление пола, как части электрической цепи, определяется сопротивлением растеканию тока со ступней человека. Сопротивление растеканию тока зависит от удельного сопротивления пола и площади двух ступней (около 500 см2). Как показывают измерения, величина сопротивления полов колеблется в весьма широких пределах. При этом большое значение имеет состояние поверхности пола, главным образом его увлажнение.
Дощатые, паркетные полы имеют электрическое сопротивление, составляющее сотни килоом, что достаточно для снижения напряжения до допустимой величины. Однако влага на полу уменьшает его сопротивление в сотни раз, лишает пол практически полностью его защитных свойств.
Даже при наличии пола с высоким электрическим сопротивлением, прикосновения к корпусу аппарата с нарушенной изоляцией представляют серьёзную опасность. Это объясняется большим количеством заземленной аппаратуры и оборудования в связи, с чем приходится считаться с возможностью одновременного прикосновения к аварийному аппарату и соединенному с землёй предмету. При этом естественно защитное действие пола не имеет места и напряжение прикосновения равно полному напряжению между корпусом поврежденного аппарата и землей.
Как уже указывалось, в соответствии с основным принципом обеспечения электробезопасности при отказе одного из средств защиты от поражения электрическим током опасность для человека не должна возникнуть. Для выполнения этого требования при нарушении рабочей изоляции вся электроаппаратура имеет дополнительное средство защиты. 9. 1. 2 Электромагнитное излучение
В данном дипломном проекте источником электромагнитного излучения является видеодисплейный терминал компьютера.
ВДТ на основе электронно-лучевой трубки является источником нескольких видов электромагнитного излучения, в частности микроволн нетепловой интенсивности. Несмотря на значительное количество публикаций, вопрос о механизмах влияния этого излучения на живые организмы еще до конца не выяснен. Считают, что возможны два основных механизма действия микроволн нетепловой интенсивности. Один из этих механизмов основан на предположении, что в результате резонансного поглощения энергии изменяются структуры молекул в клетках (так называемый квантово-биологический эффект). Другой механизм постулирует детектирование радиоволн клетками и органическими структурами клеток (например, синопсисами нервных волокон), что изменяет процессы возбуждения, проводимости и обмена веществ в этих клеточных структурах. Оба механизма, возможно, могут воздействовать на регулирующую функцию центральной нервной системы, вызывая различные отклонения в функциональном состоянии организма.
Электромагнитные излучения характеризуются рядом взаимозависимых параметров. Некоторые из этих параметров (частота, энергия фотонов) связаны с диапазоном излучения. Другие (плотность мощности излучения, освещенность) относятся к интенсивности излучения.
Из практических соображений это поле можно разделить на “ближнее поле” (менее одной длины от источника) и “дальнее поле”.
На расстоянии от ВДТ до оператора “ближнее поле” представляет интерес, когда речь идет об очень низких или крайне низких радиочастотах. В пределах “ближнего поля” электрическую и магнитную составляющие уровни воздействия для профессиональных пользователей определяют по каждой из этих составляющих [ ]. Еще одна сложность связана с тем, что большинство измерений касается, излучения, исходящего от ВДТ влияющего, в основном, на верхнюю часть тела, тогда как стандарты составляют применительно к воздействию излучения на весь организм. 9. 1. 3 Ионизирующее излучение
В данном дипломном проекте источником ионизирующего излучения является ВДТ. Причем образуются рентгеновские лучи, которые могут вызывать генетические нарушения, поражение кожи и органов зрения, представляется целесообразным более подробно рассмотреть результаты измерения этого излучения.
Потенциальным источником рентгеновских лучей является электронно-лучевая трубка ВДТ, а именно–внутренняя флюоресцирующая поверхность экрана. Энергия этих лучей ограничена величиной напряжения, используемого разгона электронов (примерно до 10-25кВ). Вследствие ограниченной энергии этих полей рентгеновское излучение такого вида эффективно поглощается стеклянным экраном.
По мнению многих специалистов, работа за ВДТ не связана с вредным радиобиологическим воздействием. Допустимая мощность дозы рентгеновского излучения перед экраном на расстоянии 5см от его поверхности равна 0, 5мР/ч. Так что рентгеновское излучение уменьшается пропорционально квадрату расстояния до экрана, то на расстояние от экрана 10, 20, 40 и 50см оно составляет соответственно 0, 125; 0, 031; 0, 008 и 0, 005мР/ч.
По данным Всенародной Организации Здравоохранения, экспери-ментальное исследование характера и интенсивности излучений ВДТ (в котором определялось воздействие электромагнитных излучений при длительной работе) показало, что уровни облучения в ультрафиолетовой, инфракрасной и видимой областях спектра оказались ниже допустимых значений. Аналогичный вывод был сделан и в отношении рентгеновского излучения.
Таким образом, интенсивность излучения экрана ВДТ в отдельных случаях не достигает предельно допустимой дозы радиации и, следовательно, условия труда пользователей в этом аспекте можно отнести к безопасным. Однако до тех пор, пока не будут проведены тщательные и всеобъемлющие исследования по комплексному изучению воздействия этих излучений на человеческий организм, необходимо принять следующие меры предосторожности:
1) ограничить продолжительность деятельности перед экраном; 2) не размещать ВДТ концентрированно в рабочей зоне;
выключать ВДТ, если на нем не работают, но находятся невдалеке от него.
9. 2 Пожарная безопасность электроустановок и радиоаппаратуры при работе с компьютерными технологиями
9. 2. 1 Общая характеристика пожарной опасности электроустановок и радиоаппаратуры
Возникновению пожара способствует наличие на объекте горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. В качестве горючего компонента могут служить строительные материалы для акустической и эстетической отделки помещений, перегородки, окна, двери, полы, мебель, стеллажи, изоляция силовых и сигнальных кабелей, а также радиотехнические детали и соединительные провода электронной схемы. Таким образом, при эксплуатации ЭУи РЭА могут присутствовать все три основных фактора, способствующих возникновению пожара. Вероятностьих одновременного взаимодействия в различных ЭУ и РЭА не всегда одинакова. В зависимости от конструкции и условий эксплуатации электроустановок существуют специфические особенности их пожарной опасности. Для электронных устройств характерно частое появление источников открытого огня при коротких замыканиях, пробоях и перегрузках. Однако мощность и продолжительность действия этих источников воспламенения сравнительно малы, поэтому горение, как правило, не получает развития. Возникновение пожара в электронных устройствах возможно, если они изготовлены из горючих изоляционных материалов. Кабельные линии электропитания состоят из горючего изоляционного материала, и поэтому являются наиболее опасным элементом в конструкции ЭУ и РЭА с точки зрения возможности возникновения пожара. ЭУ и РЭА представляют сложный комплекс электрических цепей. По пожарной опасности их можно сравнить с обычными электрическими цепями. При прохождении электрического тока по проводникам и радиотехническим элементам и изделиям выделяется тепло. Если на каком-либо участке электронной схемы количество выделяемого тепла превысит допустимый предел, то происходит его перегрев. При соприкосновении перегретых элементов и изделий с горючими веществами и материалами могут возникнуть загорания и пожары. Практика показывает, что источники пламени в электронной схеме РЭА могут возникать в результате сильного нагревания и излучения тепла деталями, которые могут воспламенить близлежащие детали, изготовленные из легковоспламеняющихся материалов; загорания трансфор-маторов, дросселей и резисторов, когда через них проходит ток, превышающий величину, допустимую для данного изделия; нарушения изоляции монтажных проводов, пробоя конденсаторов, короткого замыкания, вследствие чего происходит пробой деталей и возникает электрическая дуга.
Причиной возникновения загорания в радиотехнической схеме может явиться небрежное исполнение и нарушение правил монтажа. Наличие оголенных концов монтажных проводов при их случайном сближении приводит к короткому замыканию. Особенно это опасно при монтаже разъемных плат: применяемые разъемы с плавающими контактами при перекосе могут сблизить подводящие проводники и также вызвать короткое замыкание.
Причиной возникновения пожара в силовых и высоковольтных трансформаторах являются короткие замыкания оголенных проводов, плохие контакты на клеммах и ухудшение диэлектрических свойств электроизоляционных материалов. Вследствие этого образуются искры, наблюдаются горение проводов и прогорание текстолитовых плат.
В таблице 9. 1 приведены некоторые показатели пожарной опасности электоризоляционных материалов, часто применяющихся при производстве и эксплуатации РЭА [ ].
Таблица 9. 1 - Показатели пожарной опасности электроизоляционных материалов Материал Возгорае-мость Температу-ра воспла-менения, °С Скорость выгорания в 1 кг/м2 в 1 мин Теплотвор-ная способ-ность, Дж/кг Характер пламени Полистирол Горючий 274 4, 4 4, 18 107 Коптящее Полиэтилен — 306 2, 5 1, 13 107 Бездымное Полихлор-винил — 560 1, 7 3, 76 107 Коптящее Резина Горючий 220 — 4, 9 107 — Текстолит Трудновос-пламеняю-щийся 358 1, 3 2, 38 107 Самозату хающий Гетинакс То же 285 1, 3 2, 46 -107 То же
9. 2. 2 Причины возникновения пожаров в электронной аппаратуре
По данным статистики, от короткого замыкания в электрических сетях, машинах и аппаратах происходит в среднем 43, 3% пожаров, от воспламенения горючих материалов и предметов, находящихся в непосредственной близости от электропотребителей или соприкасающихся с ними (перегрев опорных поверхностей) - 33, 2%, при токовых перегрузках - 12, 3%; от перегрева мест соединения токоведущих частей в результате образования больших переходных сопротивлений - 4, 6%; от воздействия на окружающую среду электрической дуги и электрического искрения, возникающих при разрыве цепей - 3, 3%; от нагрева конструкций при переходе (выносе) на них напряжений - 3, 3% [ ].
Токи короткого замыкания в современных ЭУ и РЭА могут быть от единиц до тысяч ампер и зависят от следующих факторов: мощности источников питания (чем больше мощность, тем больше величина тока К3); от величины полного сопротивления элементов цепи, включенных между источником питания и точкой К3; вида К3 (трехфазное, однофазное и т. д. ), при однофазном К3 ток К3 будет минимальным; времени с момента возникновения К3 до отключения К3 аппаратами защиты.
Токи К3 обладают термическим и электродинамическим действиями и сопровождаются резким понижением напряжения в электрических сетях. Поэтому они могут перегреть токоведущие части и расплавить проводники. Перегрев проводников, электрические искры и дуги повреждают и воспламеняют изоляцию и окружающую горючую среду. Возникающие при этом большие механические усилия способны разрушить элементы электрооборудования. 9. 2. 3 Термическое действие токов короткого замыкания
Протекание по проводнику длительно допустимого тока связано с выделением тепла, Дж и количественно определяется по формуле: , (9. 1) где I - длительно допустимый ток, А; r - активное сопротивление, Oм; t - время, с.
В начальный момент часть выделяемого тепла расходуется на повышение температуры проводника и его изоляции, часть тепла рассеивается в окружающую среду. При длительном протекании тока устанавливается стационарный режим, при котором вся выделяющаяся теплота передается в окружающую среду. Температура проводника в этом случае достигает постоянного значения, обусловливаемого величиной тока. Поэтому длительно допускаемые токи для проводников определяются предельно допустимой температурой нагрева, при которой изоляция будет в нормальном тепловом режиме и будет работать длительное время. Время протекания тока К3 не превышает нескольких секунд или даже долей секунды. Оно зависит от времени действия аппаратов защиты, например плавких предохранителей, автоматических выключателей, электронных схем защиты источников питания и т. д. Это обстоятельство позволяет не учитывать отвод тепла (теплопередачу) в окружающую среду за время К3 и считать, что все выделенное в проводнике тепло расходуется на повышение его температуры (адиабатический процесс нагрева). Поэтому при протекании тока К3, величина которого значительно превышает величину допустимого тока температура нагрева проводника быстро увеличивается и может достичь опасных значений. 9. 2. 4 Причины возникновения коротких замыканий
Короткие замыкания возникают в результате нарушения изоляции токоведущих частей и внешних механических повреждений в электропроводниках, монтажных проводниках, обмотке двигателей и аппаратов. Многие виды РЭА и оборудования не являются влаго- и пыленепроницаемыми, поэтому с течением времени производственная пыль (особенно токопроводящая), химически активные вещества и влага проникают внутрь их оболочки и оседают на поверхности электроизоляционных конструкций и материалов и создают условия для возникновения чрезмерных токов утечки и дуговых К3. Эти же причины приводят к перекрытию или пробою как изолированных обмоток, так и других токоведущих элементов или их частей. Изоляция РЭА может повреждаться при воздействии на нее высокой температуры или пламени, инфракрасного излучения, из-за перенапряжения в результате первичного или вторичного воздействия молнии, перехода напряжения с первичной обмотки силового трансформатора на вторичную и т. д. Причиной К3 может быть схлестывание проводов, подключаемых к воздушным линиям электропередач, под действием ветра. К возникновению К3 могут привести ошибочные действия обслуживающего персонала при выполнении различных оперативных переключений, ревизиях и ремонтах РЭА и электрооборудования. 9. 2. 5 Профилактика коротких замыканий
Наиболее действенным предупреждением К3 являются правильный выбор, монтаж и эксплуатация электрических сетей, РЭА, машин и электро-оборудования. Конструкция, вид исполнения, способ установки и класс изоляции применяемых машин, стендов, приборов и РЭА, кабелей, проводов и прочего электрооборудования должны соответствовать номинальным параметрам РЭА или электроустановки (току, напряжению, нагрузке), условиям окружающей среды и требованиям ПУЭ. Кроме того, должна быть предусмотрена электрическая защита сетей, схем и РЭА. Наиболее эффективными аппаратами защиты являются быстродействующие реле и выключатели, установочные автоматы и плавкие предохранители. Однако эта защита не всегда предотвращает выброс электрических искр в окружающую среду при К3 в схемах и, следовательно, не всегда может защитить от воспламенения горючие материалы. В современных схемах РЭА и электроустановках применяются бесконтактные автоматические схемы защиты. 9. 2. 6 Перегрузки в электрических цепях
При прохождении тока по проводникам выделяющееся тепло нагревает их до температур, при которых усиливаются окислительные процессы и на проводах (особенно в контактных соединениях) образуются окиси, имеющие высокое сопротивление, увеличивается сопротивление контакта и, следовательно, количество выделяемого в нем тепла. Температура соединения растет, увеличивается окисление, а это может привести к полному разрушению контактного соединения проводов или к ускорению износа и разрушению изоляции. Старение изоляции характеризуется уменьшением ее эластичности и механической прочности, под влиянием вибраций при работе трансформаторов, электродвигателей, вентиляторов она начинает растрескиваться и ломаться. Следствием этого могут быть электрический пробой изоляции и повреждение ЭУ и РЭА, пожар или даже взрыв. Согласно формуле (9. 1), нагрев проводника возрастает с увеличением протекающего по нему тока. Поскольку каждый проводник рассчитан на определенный ток, увеличение его может привести к перегрузке. 9. 3 Расчет инженерного решения
Разрабатываемое устройство питается от источника питания ЭВМ, который имеет встроенную защиту от перегрузки по току. При превышении током определенной величины, срабатывает защита и источник выключается. Поэтому, компьютер защищен от перегрузок по току.
Определим температурный режим проводника по которому напряжение подается на вход источника питания ЭВМ в нормальном режиме и при КЗ. Потребляемая мощность в нормальном режиме: Pпотр=250 Bт. Ток протекающий в цепи Iн рассчитаем по формуле (9. 2): , (9. 2) где Uс - напряжение сети. А
Принимаем Rc=4 Ом. При сечении медной жилы 0, 75 мм2 сопротивление одного метра провода равно R1п=0, 0235 Ом/м, принимаем длину сетевого провода lп=3 м. Вычислим сопротивление сетевого провода по формуле: Rп= lп ЧR1п (9. 3) Тогда сопротивление сетевого провода: Rп =3Ч0, 0235=0, 071 Ом. Вычислим суммарное сопротивление сети и сетевого провода: R=Rc+Rп, (9. 4) где Rcум - суммарное сопротивление; Rc - сопротивление сети. Rcум =4+0, 071=4, 071 Ом
Согласно формуле (9. 1) за 1 минуту на питающих проводах выделится тепла: Qн= 1, 142Ч4, 071Ч60=317, 4 Дж.
Произведем аналогичные вычисления в режиме короткого замыкания на входе источника питания ПК. Тогда сила тока в данной сети: , (9. 5) где Iкз – ток короткого замыкания. А
Согласно формуле (9. 1) за 1 минуту на питающих проводах выделится тепла: Qк. з. =54, 042Ч4, 071Ч60=713, 3 кДж. Относительное изменение величины выделяемого тепла: Qк. з. / Qн=713, 3Ч103/317, 4=2247 раз.
Вывод: в аварийном режиме короткое замыкание вызвало увеличение силы тока 1, 14 А до 54, 04 А, а количество тепла увеличилось в 2247 раз, в результате чего появилась прямая угроза воспламенения изоляции провода и возникновения пожара. При своевременном срабатывании устройств защиты неблагоприятных последствий можно избежать. Заключение
Разработанное в данном дипломном проекте устройство анализа и синтеза электрических сигналов на базе IBM PC полностью отвечает требованиям, изложенным в техническом задании. При проектировании устройства была использована современная элементная база с пониженным напряжением питания и низким энергопотреблением.
Разработанное устройство обладает всеми преимуществами цифрового измерительного прибора, а также позволяет программным путем, при соответствующей доработке программного обеспечения, осуществить любые дополнительные возможности, использующиеся при исследовании сигналов, такие как: вычисление спектра сигнала, быстрое преобразование Фурье, измерение АЧХ и т. д. Использование виртуальных приборов упрощает процедуру документирования, хранения и обработки результатов измерений и открывает путь к автоматизации измерений.
Прибор рассчитан на работу с ПЭВМ типа IBM PC AT или совместимой, также при использовании переработанного программного обеспечения устройство может функционировать и на ПЭВМ Apple Macintosh, при наличии в ней PCI-архитектуры. Для работы с устройством при использовании сложного программного обеспечения рекомендуется использовать ПЭВМ с процессором класса Intel Pentium-1 или мощнее, обладающим достаточным быстродействием (требования к конфигурации ПК должны предоставляться производителем программного обеспечения). При использовании базового программного обеспечения можно использовать любую ПЭВМ, имеющую слот PCI.
Схемные решения, примененные в устройстве, обладают высокой степенью стабильности и надежности.
К недостаткам конструкции можно отнести некоторое неудобство связанное с подключением разъемов сзади системного блока ПК, но это обусловлено конструктивными особенностями системного блока и свойственно для всех устройств, подключаемых к компьютеру.
Достоинством проектируемого устройства является применение поверхностного монтажа, что увеличивает надежность работы изделия, улучшает массогабаритные показатели и частотные свойства.
Главным достоинством устройства является применение ПЛИС в цифровой части схемы, что позволяет усовершенствовать работу цифровой части устройства путем применения новой программной прошивки микросхемы-загрузчика ПЛИС без дополнительных аппаратных затрат и переразводки печатной платы. Конструктивно устройство выполнено в виде стандартной типовой платы расширения стандартных возможностей ПЭВМ, и устанавливается непосредственно в слот PCI компьютера. Электрические соединения между устройством и источником измеряемой величины осуществляются проводами, или измерительным кабелем волновым сопротивлением 50 Ом. Потребляемая устройством мощность от источника питания ПЭВМ не превышает 1, 78 Вт. Средняя наработка на отказ более 5000 часов. При разработке устройства были также произведены расчеты надежности, проведен функционально-стоимостной анализ, определены условия обеспечения безопасности работы и жизнедеятельности человека, рассчитаны затраты на проектирование и создание устройства. Список сокращений АЦП – аналого-цифровой преобразователь АЧХ – амплитудно-частотная характеристика ВДТ – видеодисплейный терминал ВЭО – внезапный эксплуатационный отказ ГМС – глобальная матрица соединений ЗУ – запоминающее устройство ИМС – интегральная микросхема ИС – интегральная схема КЗ – короткое замыкание ЛБ – логический блок ЛМС – локальная матрица соединений ЛЭ – логический элемент МЛБ – матричный логический блок ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ОУ – операционный усилитель ПВМ – программируемая вентильная матрица ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПКМБ – программируемый коммутируемый матричный блок ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема ПЛМ – программируемая логическая матрица ПМЛ – программируемая матричная логика ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина РЭА – радиоэлектронная аппаратура ФСА – функционально-стоимостной анализ ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ЦОС – цифровая обработка сигналов ЦП – центральный процессор ЭВВ – элемент ввода-вывода ЭВМ – электронно-вычислительная машина ЭУ – электроустановка AHDL – Altera Hardware Description Language EISA – Extended Industrial Standart Architecture ISA – Industrial Standart Architecture JTAG – Joint Test Action Group PCI – Peripheral Component Interconnect bus Литература
1 Шитулин С. Н. , Храпов В. Ю. Особенности проектирования цифровых схем на ПЛИС //Chip News– 1996 – №5 – с. 40-43
2 Стешенко В. Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. – М. : ДОДЭКА, 2000 – 128с.
3 Федорков В. Г. Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функциони-рование, параметры, применение. М. Энергоатомиздат 1990– 320с. 4 М. Гук Интерфейсы ПК. – М. : КубКа, 1990 – 195 с. :ил.
5 Intel PCI 2. 1 Bus Specification and Application Notes, 1996 6 http: //www. yageo-america. com/DataSheets/ 7 \\Inel\Archive\Component\Pdf\Analog\Amplifier 8 http: //www. analog. com/productSelection/pdf/ 9 http: //www. linear-tech. com/pdf/ 10 http: //www. altera. com/ 11 \\Inel\Archive\Component\Pdf\Analog\Other
12 Терещук Р. М. , Терещук К. М. , Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. – К. Наукова Думка, 1985 – 670 c. 13 Практическое пособие по учебному конструированию радио-электронной аппаратуры / В. Т. Белинский, В. П. Гондол, А. Б. Грозин и др. ; Под ред. К. Б. Круковского - Синевича - Киев: Выща школа, 1992 - 494с. 14 Экономика и организация дипломных проектов: Учебное пособие / А. А. Великанов, Э. Г. Васильева, В. Ф. Власов. - Ленинград: Машиностроение, 1986 - 285с. 15 Методические указания к выполнению организационной части дипломного проекта конструкторского профиля для студентов специальностей 12. 02, 12. 07 / Сост. Э. М. Сыч и др. - Чернигов: ЧТИ, 1992– 104с.
16 Охрана труда и окружающей среды в радиоэлектронной промышленности / К. Н. Ткачук, Р. В. Сабарно, А. Г. Степанов, Е. М. Шкляренко: Учеб. пособие. - К. : Выща школа, 1988 - 240с.
17 Охрана труда в радио- и электронной промышленности: Учебник для техникумов. – 2-е изд. , перераб. и доп. ; Под ред. С. П. Павлова. – М. : Радио и связь, 1985. – 200 с. 18 Усатенко С. Т. , Каченюк Т. К. , Терехова М. В. Выполнение электри-ческих схем по ЕСКД: Справочник. - М. : Издательство стандартов, 1989. - 325с. Приложение В Листинг базовой программы на Pascal
(******** Базовая программа устройства анализа и синтеза *********) (************ электрических сигналов на базе IBM PC *************) program diplom;
{$A-, B-, D+, E-, F+, G-, L-, N-, O-, P-, Q-, R-, S-, T-, V+, X-, Y-} {$M 16384, 0, 655360} uses crt, graph, windos; (*Значения констант*) const SRC=3; DST=4; DevID=0; (*Описание типов*) type Tdata_adc=array[0...8192] of word; tirqs=record addr, ints, mask: byte; end; TgdtRec=record Attr, baseHI: byte; baseLO, limit, res: word; end; Tint15Gdt=array[1...8]of TgdtRec; (*Определение типов переменных*) var A: array[1...2, 1...4]of char; in_data: array[1...8192]of word; arrirq: array[0...15]of tirqs; dac: array[1...256]of word; j, T: byte;
gd, gm, Ksmx, Ksmy, kx1, kx2, ky1, ky2, h, m, x, y: integer; f0, f1, f2, f3, BaseAddr, DelayTime, i: word; p0, p1: string[3]; c, ch: char;
ConfigByte, ConfigByte1, ConfigByte2, ConfigByte3, Flag: byte; data_adc: ^Tdata_adc; fout: file of Tdata_adc; Продолжение приложения В int15Gdt: Tint15Gdt; P, OldInt: pointer; ready: boolean; f: text; label label1, Get1Key; (*Функция определения используемых системных ресурсов*) {$L PCIConf. OBJ} {$F+} function CONFIGport(RGAH, RGAL: byte): word; external; {$F-} (*Процедура разрешения прерываний*) procedure AllowInts(ints: byte); var d: word; mas: byte; begin mas: =arrirq[ints]. mask; d: =arrirq[ints]. addr; asm mov dx, d; in al, dx; or al, mas out dx, al end; end; (*Процедура перемещения графического курсора*) procedure curs; begin setcolor(7); rectangle(358+42*i, 120+50*j, 372+42*i, 132+50*j); (*Выбор нового положения курсора*) case ch of #75: i: =i-1; #77: i: =i+1; Продолжение приложения В #72: j: =j-1; #80: j: =j+1; end; (*Переход при переполнении*) case i of 0: i: =4; 5: i: =1; end; case j of 0: j: =4; 5: j: =1; end; (*Затирание места предыдущего положения курсора*) setcolor(4); rectangle(358+42*i, 120+50*j, 372+42*i, 132+50*j); end; procedure IntProc; interrupt; begin ready: =true; end; function GetBaseHI(segm: word; off: word): byte; label check1; var bhi: byte; begin asm mov ax, segm mov bh, ah mov cx, 0004 shr bh, cl shl ax, cl add ax, off jnb check1 inc bh Продолжение приложения В check1: mov bHi, bh end; GetBaseHi: =bHi; end; function GetBaseLo(segm: word; off: word): word; label check2; var bLo: word; begin asm mov ax, segm mov bh, ah mov cx, 0004 shr bh, cl shl ax, cl add ax, off jnb check2 inc bh check2: mov blo, ax end; GetBaseLO: =bLo end; (*Процедура определения адреса устройства*) procedure DVADR(var ADDRR: word); var i, IntLine: byte; a: word; begin i: =0; repeat a: =CONFIGport(i*8, 0); i: =i+1; until (i=48)or(a=DevID); if i=48 then begin outtextxy(50, 30, 'Device not found'); Продолжение приложения В outtextxy(50, 60, 'Exit.... '); halt(1); end; ADDRR: =CONFIGport(i*8, $10); IntLine: =HI(CONFIGport(i*8, $3c)); GetIntVec(arrirq[Intline]. ints, OldInt); SetIntVec(arrirq[Intline]. ints, @IntProc); AllowInts(IntLine); end; (*Процедура прочерчивания экрана вывода информации*) procedure ekran; begin setcolor(3); bar(120, 135, 370, 350); end; (*Процедура пересылки данных в расширенную память*)
procedure MoveToExt(var gdt: Tint15Gdt; segSrc: word; offsSrc: word; segDst: byte; offsDst: word; count: word); begin gdt[SRC]. limit: =$FFFF; gdt[SRC]. Attr: =$93; gdt[DST]. limit: =$FFFF; gdt[DST]. Attr: =$93; gdt[SRC]. baseHi: =GetBaseHi(segSrc, offsSrc); gdt[SRC]. baseLo: =GetBaseLo(segSrc, offsSrc); gdt[DST]. baseHi: =segDst; gdt[DST]. baseLo: =offsDst; asm (*Переслать блок расширенной памяти*) push es push ds pop es mov si, offset int15Gdt mov cx, count mov ah, 87h Продолжение приложения В int 15h pop es end end; (*Переслать блок из расширенной памяти*)
procedure MoveFromExt(var gdt: Tint15Gdt; segSrc: byte; offsSrc: word; segDst: word; offsDst: word; count: word); begin gdt[SRC]. limit: =$FFFF; gdt[SRC]. Attr: =$93; gdt[DST]. limit: =$FFFF; gdt[DST]. Attr: =$93; gdt[DST]. baseHi: =GetBaseHi(segDst, offsDst); gdt[DST]. baseLo: =GetBaseLo(segDst, offsDst); gdt[SRC]. baseHi: =segSRC; gdt[SRC]. baseLo: =offsSRC; asm push ds pop es mov si, offset int15Gdt mov cx, count mov ah, 87h int 15h end end; (*Процедура нарисовки передней панели*) procedure panel; begin bar3d(80, 120, 560, 360, 5, true); setfillstyle(1, 7); bar(90, 130, 380, 350); setbkcolor(8); setcolor(1); settextstyle(0, 0, 2); outtextxy(100, 420, 'F1-Help F10-Time Esc-Exit'); settextstyle(0, 0, 1); Продолжение приложения В (*Прорисовка кнопок*) for i: =1 to 4 do for j: =1 to 4 do begin x: =350+j*42; y: =115+i*50; setfillstyle(1, 7); bar3d(x, y, x+30, y+20, 2, true); if i>2 then outtextxy(x+12, y+8, A[i-2, j]); end; setcolor(2); for i: =1 to 2 do
for j: =1 to 2 do rectangle(304+84*i, 195+50*j, 386+84*i, 240+50*j); (*Простановка надписей на кнопках*) settextstyle(0, 0, 1); setcolor(1); outtextxy(400, 152, 'On'); outtextxy(440, 152, 'Off'); outtextxy(478, 152, 'Open'); outtextxy(520, 152, 'Save'); outtextxy(393, 202, 'S in'); outtextxy(433, 202, 'S out'); outtextxy(475, 202, 'Setup'); outtextxy(518, 202, 'Start'); outtextxy(427, 252, 'T'); outtextxy(510, 252, 'U'); outtextxy(417, 302, ''); outtextxy(502, 302, ''); end; (*Процедура вывода системного времени*) procedure time; begin
settextstyle(0, 0, 2); setcolor(4); outtextxy(180, 90, 'System time: '); gettime(f0, f1, f2, f3); str(f0, p0); str(f1, p1);
if length(p0)=1 then f0: =15 else f0: =0; if length(p1)=1 then p1: ='0'+p1; outtextxy(375, 90, (p0)); outtextxy(405, 90, ': '); outtextxy(420, 90, p1); settextstyle(0, 0, 1); (*Ожидание нажатия любой клавиши*) repeat until keypressed; (*Закраска окна*)
setfillstyle(1, 8); bar(0, 85, 640, 110); setfillstyle(1, 7); end; Продолжение приложения В (*Процедура вывода помощи*) procedure oschelp; begin setfillstyle(1, 8); bar(0, 0, 640, 100);
settextstyle(0, 0, 2); setcolor(4); outtextxy(290, 15, 'Help'); settextstyle(0, 0, 1); setcolor(1); outtextxy(280, 40, 'Parameters: '); outtextxy(200, 55, 'U=1mV.... 10V F=0.... 200kHz'); outtextxy(200, 70, 'R=1MOm C=20pF');
outtextxy(180, 85, 'Creator of program is Degterenko A. N. '); (*Ожидание нажатия любой клавиши*) repeat until keypressed; (*Закраска окна*)
setfillstyle(1, 8); bar(0, 0, 640, 110); setfillstyle(1, 7); settextstyle(7, 0, 7); outtextxy(110, 15, 'Program of analysis and syntheses of electrical signals on base IBM PC'); end;
(*Процедура распознавания выбранных кнопок и коррекции данных*) procedure wwod; begin case i of 1: case j of 3: begin h: =1; T: =round(1. 5*T); end; 4: Ksmx: =Ksmx-5; end; 2: case j of 1: h: =5; 3: begin h: =1; T: =round(T/1. 5); end; 4: Ksmx: =Ksmx+5; end; 3: case j of 3: begin h: =2; end; 4: begin h: =3; Ksmy: =Ksmy+5; end; end; 4: case j of Продолжение приложения В 2: h: =4; 3: begin h: =2; end; 4: begin h: =3; Ksmy: =Ksmy-5; end; end; end; end;
(*Процедура вывода на экран информации о авторе программы*) procedure zastawka; begin settextjustify(centertext, centertext); setbkcolor(8); cleardevice; settextstyle(7, 0, 7);
outtextxy(getmaxx div 2, getmaxy div 32 * 8, 'Program of analysis and syntheses of electrical signals on base IBM PC'); settextstyle(7, 0, 4);
outtextxy(getmaxx div 2, getmaxy div 32 * 13, 'this simple program created'); outtextxy(getmaxx div 2, getmaxy div 32 * 17, 'by student groupe PE-971'); outtextxy(getmaxx div 2, getmaxy div 32 * 21, 'Degterenko Anatoly'); repeat until keypressed; end; (*Начало тела программы*) begin (*Загрузка необходимых символьных данных*)
A[1, 1]: =chr(24); A[1, 2]: =chr(25); A[1, 3]: =chr(24); A[1, 4]: =chr(25); A[2, 1]: =chr(27); A[2, 2]: =chr(26); A[2, 3]: =chr(24); A[2, 4]: =chr(25); (*Инициализация графики*) gd: =detect; initgraph(gd, gm, 'c: \tp\bgi'); if graphresult0 then begin clrscr; writeln ('Ошибка инициализации графики'); delay(1000); halt(1); end; (*Установка графического режима*) setgraphmode(2); setbkcolor(8); Продолжение приложения В setcolor(4); settextstyle(0, 0, 1); cleardevice; zastawka; panel; (*Установка курсора в начальное положение*) j: =1; i: =1; h: =0; setcolor(4); rectangle(358+42*i, 120+50*j, 372+42*i, 132+50*j); (*Определение массива соответствия ресурсов*)
arrirq[0]. ints: =$8; arrirq[0]. addr: =$21; arrirq[0]. mask: =$FE; arrirq[1]. ints: =$9; arrirq[1]. addr: =$21; arrirq[1]. mask: =$FD; arrirq[2]. ints: =$A; arrirq[2]. addr: =$21; arrirq[2]. mask: =$FB; arrirq[3]. ints: =$B; arrirq[3]. addr: =$21; arrirq[3]. mask: =$F7; arrirq[4]. ints: =$C; arrirq[4]. addr: =$21; arrirq[4]. mask: =$EF; arrirq[5]. ints: =$D; arrirq[5]. addr: =$21; arrirq[5]. mask: =$DF; arrirq[6]. ints: =$E; arrirq[6]. addr: =$21; arrirq[6]. mask: =$BF; arrirq[7]. ints: =$F; arrirq[7]. addr: =$21; arrirq[7]. mask: =$7F; arrirq[8]. ints: =$70; arrirq[8]. addr: =$A1; arrirq[8]. mask: =$FE; arrirq[9]. ints: =$71; arrirq[9]. addr: =$A1; arrirq[9]. mask: =$FD; arrirq[10]. ints: =$72; arrirq[10]. addr: =$A1; arrirq[10]. mask: =$FB; arrirq[11]. ints: =$73; arrirq[11]. addr: =$A1; arrirq[11]. mask: =$F7; arrirq[12]. ints: =$74; arrirq[12]. addr: =$A1; arrirq[12]. mask: =$EF; arrirq[13]. ints: =$75; arrirq[13]. addr: =$A1; arrirq[13]. mask: =$DF; arrirq[14]. ints: =$76; arrirq[14]. addr: =$A1; arrirq[14]. mask: =$BF; arrirq[15]. ints: =$77; arrirq[15]. addr: =$A1; arrirq[15]. mask: =$7F; outtextxy(20, 30, 'Enter mode'); read(ConfigByte);
ConfigByte1: =(ConfigByte)or($88); (*Запрет работы ЦАП и АЦП*) ConfigByte2: =(ConfigByte1)and($7F); (*Разрешение работы ЦАП*) ConfigByte3: =(ConfigByte1)and($F7); (*Разрешение работы АЦП*) (*Выбор используемых ресурсов системы*) DVADR(BaseAddr);
(*Определение адреса памяти устройства/выход если устройство не обнаружено*) outtextxy(20, 50, 'Save DATA From DEVICE'); (*Запись в памяти устройства*) if ParamCount=0 then Продолжение приложения В begin outtextxy(20, 70'adcsave'); halt(1); end; repeat panel; repeat (*Выбор режима работы*) ch: =readkey; case ch of #77, #72, #75, #80: curs; #13: wwod; #59: oschelp; #68: time; #27: h: =5; end; until h>0; (*Вывод сигнала на экран*) kx1: =120-Ksmx+m; kx2: =kx1+1;
ky1: =240-Ksmy+(in_data[m-1] div 2); ky2: =240-Ksmy+(in_data[m] div 2); line(kx1, ky1, kx2, ky2); GetMem(data_adc, 8192); (*Обнуление структуры int15gdt*) FillChar(int15Gdt, sizeof(int15gdt), #$0);
(*Конфигурационный байт в управляющий регистр/запрет работы ЦАП, АЦП*) moveToExt(int15Gdt, Hi(BaseAddr), 0, seg(ConfigByte1), ofs(ConfigByte1), 1); flag: =1; (*Если существует файл для ЦАП, то считываем данные*) if ParamCount=2 then begin assign(f, ParamStr(1)); Reset(f); for i: =1 to 256 do readln(f, dac[i]); close(f); for i: =1 to 256 do
moveToExt(int15gdt, HI(BaseAddr)+2, i, seg(dac[i]), ofs(dac[i]), 1); (*Разрешение работы ЦАП*)
moveToExt(int15gdt, HI(BaseAddr), 0, seg(ConfigByte2), ofs(ConfigByte2), 1); Продолжение приложения В if flag=0 then goto Get1Key; label1: if flag=1 then
begin moveToExt(int15gdt, HI(BaseAddr), 0, seg(ConfigByte3), ofs(ConfigByte3), 1); while (not ready) do ready: =false; for i: =1 to 2 do begin moveToExt(int15gdt, HI(BaseAddr+i), 0, seg(data_adc^[0]), ofs(data_adc^[0]), 32768); write(fout, data_adc^); end; (*Запрет работы АЦП*) ConfigByte: =(ConfigByte)or($08);
moveToExt(int15gdt, HI(BaseAddr), 0, seg(ConfigByte), ofs(ConfigByte), 1); end; end; Get1Key: if h begin flag: =1; goto label1; end; until h=5; (*Отключение графического режима*) closegraph; end. Приложение Г Листинг базовой программы на Assembler ; Приведенную ниже программу необходимо скомпилировать, ; полученный объектный файл перенаименовать в PCIConf. obj ; и разместить в одной директории с Pascal-файлом. . 486
; Определение адреса устройства в пространстве устройств ввода/вывода ; результат-в регитре AX code segment byte public assume cs: code public configport configport proc far push bp mov bp, sp mov ah, [bp+6] mov al, [bp+5] mov eax, 80000000h mov ax, si mov dx, 0cf8h db 66h ; Запись в Config Adress out dx, eax mov dl, 0fch ; Чтение из Config Data in eax, dx and eax, 0ffff0000h mov cl, 10h shr eax, cl pop bp ret 4 configport endp code ends end Приложение Д Листинг программы на AHDL
% ************************************************************* % % Подключение необходимых библиотек % INCLUDE "altram"; INCLUDE "lpm_compare"; INCLUDE "aglobal"; % Подключение PCI-мегафункции % INCLUDE "pci_t32. inc"; % Задание значений констант % CONSTANT LPM_ WIDTHAD = 8; CONSTANT LPM_WIDTH = 12; SUBDESIGN DIPLOM % Описание входов и выходов % ( CLK0, CLK1: INPUT; % Описание сигналов ядра PCI % clk, rstn, idsel, l_adi[31...0], lt_rdyn, lt_abortn, lt_discn, lirqn, framen, irdyn, cben[3...0] : INPUT; intan, serrn, l_adro[31...0], l_dato[31...0], l_beno[3...0], l_cmdo[3...0], lt_framen, lt_ackn, lt_dxfrn, lt_tsr[11...0], cmd_reg[5...0], stat_reg[5...0], devseln, trdyn, stopn, perrn : OUTPUT; ad[31...0], par : BIDIR; % Описание сигналов цифровой части устройства % dataa[LPM_WIDTH-1...0] : INPUT; datab[LPM_WIDTH-1...0] : INPUT; addressa[LPM_WIDTHAD-1...0] : INPUT; addressb[LPM_WIDTHAD-1...0] : INPUT; qa[LPM_WIDTH-1...0] : OUTPUT; qb[LPM_WIDTH-1...0] : OUTPUT; wea : INPUT; web : INPUT; clock : INPUT; Продолжение приложения Д clockx2 : INPUT; busy : OUTPUT; tridata[LPM_WIDTH-1...0] : BIDIR; data[LPM_WIDTH-1...0] : INPUT = VCC; enabletr : INPUT = VCC; enabledt : INPUT = VCC; result[LPM_WIDTH-1...0] : OUTPUT; ) % Объявление переменных % VARIABLE
% Объявление D-триггеров для хранения управляющих сигналов % DDC[11...0], DDG[7...0]: DFF;
ram_block : altram WITH (WIDTH=LPM_WIDTH, AD_WIDTH=LPM_WIDTHAD, NUMWORDS=LPM_NUMWORDS); compare : lpm_compare WITH (LPM_WIDTH=LPM_WIDTHAD); lbusy : DFF; addr_mux[LPM_WIDTHAD-1...0] : NODE; data_mux[LPM_WIDTH-1...0] : NODE; we_mux : NODE; addrb_tmp[LPM_WIDTHAD-1...0] : DFF; datab_tmp[LPM_WIDTH-1...0] : DFF; web_tmp : DFF; temp_buff[LPM_WIDTH-1...0] : DFFE; cd_input : DFF; cd_output : DFF;
% ************************************************************* % % Начало логической секции % BEGIN % Переопределение переменных программы и PCI-мегафункции % pci_t32_inst. clk = clk; pci_t32_inst. rstn = rstn; pci_t32_inst. idsel = idsel; pci_t32_inst. l_adi [31...0] = l_adi [31...0]; pci_t32_inst. lt_rdyn = lt_rdyn; pci_t32_inst. lt_abortn = lt_abortn; Продолжение приложения Д pci_t32_inst. lt_discn = lt_discn; pci_t32_inst. lirqn = lirqn; pci_t32_inst. cben [3...0] = cben [3...0]; intan = pci_t32_inst. intan; serrn = pci_t32_inst. serrn; l_adro [31...0] = pci_t32_inst. l_adro [31...0] ; l_dato [31...0] = pci_t32_inst. l_dato [31...0] ; l_beno [3...0] = pci_t32_inst. l_beno [3...0] ; l_cmdo [3...0] = pci_t32_inst. l_cmdo [3...0] ; lt_framen = pci_t32_inst. lt_framen; lt_ackn = pci_t32_inst. lt_ackn; lt_dxfrn = pci_t32_inst. lt_dxfrn; lt_tsr [11...0] = pci_t32_inst. lt_tsr [11...0] ; cmd_reg [5...0] = pci_t32_inst. cmd_reg [5...0] ; stat_reg [5...0] = pci_t32_inst. stat_reg [5...0] ; ad [31...0] = pci_t32_inst. ad [31...0] ; par = pci_t32_inst. par; perrn = pci_t32_inst. perrn; pci_t32_inst. framen_in = framen; pci_t32_inst. irdyn_in = irdyn; devseln = pci_t32_inst. devseln_out; trdyn = pci_t32_inst. trdyn_out; stopn = pci_t32_inst. stopn_out;
% *************************************************************% % Определение коэффициента деления для счетчика % IF LPM_DIRECTION! =DDC7 GENERATE and_a[0] = dffs[0] and cin; IF LPM_WIDTH>=2 GENERATE
and_a[LPM_WIDTH-1...1] = dffs[LPM_WIDTH-1...1] and and_a[LPM_WIDTH-2...0]; END GENERATE; END GENERATE; and_b[0] = ! dffs[0] and cin; IF LPM_WIDTH>=2 GENERATE and_b[LPM_WIDTH-1...1] = ! dffs[LPM_WIDTH-1...1] and Продолжение приложения Д and_b[LPM_WIDTH-2...0]; END GENERATE;
% ************************************************************* % % Определение синхросигналов для двухпортовой памяти% cd_input. clk = clock; cd_input = vcc; cd_input. clrn = ! cd_output; cd_output. clk = clockx2; cd_output. clrn = cd_input; cd_output = cd_input;
% ************************************************************* % % Активизация сигнала busy при условии addressa = addressb и разрешении сигнала записи % compare. dataa[] = addressa[]; compare. datab[] = addressb[]; lbusy = compare. aeb & wea; lbusy. clk = clock; busy = lbusy;
% ************************************************************* % % Блокировка addressb, datab и web при поступлении синхроимпульса % addrb_tmp[] = addressb[]; addrb_tmp[]. clk = clock; datab_tmp[] = datab[]; datab_tmp[]. clk = clock; web_tmp = web; web_tmp. clk = clock;
% ************************************************************* % % Счетчик DDC % DDC[]. CLK=CLK0; DDC[]. D=DDC[]. Q+1; % Управление работой АЦП/ЦАП % DDG[]. CLK=! CLK; DDG[]. D=ad[]; D/A[]=DDG[]. Q; UPR_AD=GND; % Перевод АЦП в активный режим % Продолжение приложения Д
UPR_DA=GND; % Перевод ЦАП в активный режим % DOUT1=clk0; DOUT2=clk1;
% ************************************************************* % % Временное мультиплексирование портов A и B % IF ( ! cd_input ) THEN addr_mux[] = addressa[]; data_mux[] = dataa[]; we_mux = wea; ELSE addr_mux[] = addrb_tmp[]; data_mux[] = datab_tmp[]; we_mux = web_tmp; END IF;
% ************************************************************* % % Доступ к области памяти для записи или чтения % ram_block. data[] = data_mux[]; ram_block. we = we_mux; ram_block. address[] = addr_mux[]; ram_block. clockI = clockx2; % Дважды за системный цикл %
% ************************************************************* % % Защелкивание на выходах результатов чтения % temp_buff[] = ram_block. q[]; temp_buff[]. ena = cd_input; temp_buff[]. clk = clockx2; qa[] = temp_buff[]; qb[] = ram_block. q[]; % Объявление буфера данных с Z-состоянием % IF (USED(enabledt)) GENERATE dout[]. oe = enabledt; dout[] = data[]; tridata[] = dout[]; END GENERATE; IF (USED(enabletr)) GENERATE din[]. oe = enabletr; Продолжение приложения Д din[] = tridata[]; result[] = din[]; ELSE GENERATE result[] = tridata[]; END GENERATE; END;
% ************************************************************* % --Подключение цепей к выводам EP1K30TC144-2:
--dataa[0]=98; dataa[1]=99; dataa[2]=100; dataa[3]=101; dataa[4]=126; --dataa[5]=128; dataa[6]=130; dataa[7]=131; dataa[8]=132; dataa[9]=133; --dataa[10]=135; dataa[11]=136;
--datab[0]=67; datab[1]=68; datab[2]=69; datab[3]=70; datab[4]=72; --datab[5]=73; datab[6]=78; datab[7]=79; datab[8]=80; datab[9]=81; --datab[10]=82; datab[11]=83;
--DDG[0]=116; DDG[1]=117; DDG[2]=118; DDG[3]=87; DDG[4]=88; --DDG[5]=89; DDG[6]=122; DDG[7]=95; DOUT1=96; DOUT2=65;
--ad[0]=44; ad[1]=36; ad[2]=43; ad[3]=33; ad[4]=42; ad[5]=32; ad[6]=41; --ad[7]=31; ad[8]=30; ad[9]=38; ad[10]=29; ad[11]=37; ad[12]=27; ad[13]=46; --ad[14]=26; ad[15]=56; ad[16]=49; ad[17]=17; ad[18]=62; ad[19]=14; --ad[20]=51; ad[21]=13; ad[22]=63; ad[23]=12; ad[24]=143; ad[25]=10; --ad[26]=142; ad[27]=9; ad[28]=141; ad[29]=8; ad[30]=140; ad[31]=7; clk=55; --rstn=138; idsel=144; framen=60; cben[0]=39; cben[1]=23; cben[2]=18; --cben[3]=11; irdyn=19; intan=137; serrn=22; devseln=20; perrn=21; trdyn=48; --stopn=59; par=47. Приложение Е Разъем шины PCI Ряд В № Ряд А Ряд В № Ряд А - 12 В 1 -TSTRES GND/Ключ 51* GND/Ключ Test Clock 2 + 12B AD 8 52 -C/BE 0 GND 3 TSTMSLCT AD 7 53 + 3. 3B Test DO 4 Test DI + 3. 3B 54 AD 6 + 5В 5 + 5B AD 5 55 AD 4 + 5B 6 -INTR A AD 3 56 GND -INTR B 7 -INTR C GND 57 AD 2 -INTR D 8 + 5B AD 1 58 AD 0 -PRSNT 1 9 Reserved +V I/O 59 +V I/O Reserved 10 + V I/O -ACK64 60 -REQ64 -PRSNT 2 11 Reserved + 5B 61 + 5B GND/Ключ 12* GND/Ключ + 5B 62 + 5B GND/Ключ 13* GND/Ключ Конец 32-битного разъема Reserved 14 Reserved GND 15 -RST Reserved 63 GND Clock 16 +V I/O GND 64 -C/BE 7 GND 17 -GNT -C/BE 6 65 -C/BE 5 -REQ 18 GND -C/BE 4 66 +V I/O +V I/O 19 Reserved GND 67 PAR64 AD 31 20 AD 30 AD 63 68 AD 62 AD 29 21 + 3. 3B AD 61 69 GND GND 22 AD 28 +V I/O 70 AD 60 AD 27 23 AD 26 AD 59 71 AD 58 AD 25 24 GND AD 57 72 GND + 3. 3B 25 AD 24 GND 73 AD 56 -C/BE 3 26 IDSEL AD 55 74 AD 54 AD 23 27 +3. 3B AD 53 75 +V I/O GND 28 AD 22 GND 76 AD 52 AD 21 29 AD 20 AD 51 77 AD 50 AD 19 30 GND AD 49 78 GND +3. 3B 31 AD 18 +V I/O 79 AD 48 AD 17 32 AD 16 AD 47 80 AD 46 -C/BE 2 33 +3. 3B AD 45 81 GND GND 34 -FRAME GND 82 AD 44 -IRDY 35 GND AD 43 83 AD 42 +3. 3B 36 -TRDY AD 41 84 + V I/O -DEVSEL 37 GND GND 85 AD 40 GND 38 -STOP AD 39 86 AD 38 -Lock 39 +3. 3B AD 37 87 GND -ParityER 40 SDONE +V I/O 88 AD 36 +3. 3B 41 -SBOFF AD 35 89 AD 34 -SysERR 42 GND AD 33 90 GND +3. 3B 43 PAR GND 91 AD 32 -C/BE 1 44 AD 15 Reserved 92 Reserved AD 14 45 +3. 3B Reserved 93 GND GND 46 AD 13 GND 94 Reserved AD 12 47 AD 11 Конец 64-битного разъема AD 10 48 GND GND 49 AD 9 GND/Ключ 50* GND/Ключ *12, 13 - ключ для 3, 3В *50, 51 - ключ для 5В Техническое задание
Разработать устройство анализа и синтеза электрических сигналов на базе IBM PC со следующими характеристиками: – число входных каналов – 1; входное сопротивление –1МОм; входная емкость – не более 30 пФ; диапазон входных напряжений – ±0, 1... ±10В; число выходных каналов – 1; диапазон выходных напряжений – ±0, 5... ±5В; выходное сопротивление – не более 100 Ом;
диапазон частот входного и выходного сигналов – 0...160 кГц; число разрядов квантования – 12.
Дополнительно предусмотреть возможность внешнего запуска и обеспечить защиту входных цепей устройства от подачи повышенного напряжения амплитудой до±100В.