Кафедра ЭиА
Контрольная работа на тему:
«Проектирование автоматическогоинтерфейса ввода-вывода»
Задание и исходные данные
Спроектировать автоматический интерфейс ввода-вывода (АИВВ), состоящийиз канала измерения (КИ) в пределах от U/> />до U/> и канала управления (КУ) напряжениемв диапазоне от U/>до U/> с максимальной приведеннойпогрешностью EPS, и с временем измерения не более T. Для передачи выходного кода КИ вмикропроцессорную систему спроектировать мультиплексор ( для передачи N/> разрядов счетчика (или регистра) поканалу из N проводников).
Для получения от микропроцессорной системы входного кода КУспроектировать мультиплексор (для получения N/> разрядов двоичного кода регистра поканалу из N проводников). В КИ применитьаналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения. В КУприменить цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) параллельного действия.Исходные данные
числоразрядов N=4;
погрешность EPS=0,14 %;
периодизмерения T=0,001 с;
входныенапряжения КИ:
U/> =8 мВ;
U/>=56мВ;
входныенапряжения КУ:
U/> =3 В;
U/>=8 В.
Введение и описаниеструктуры АИВВ
В общем случае автоматический интерфейс ввода-вывода (АИВВ)состоит из канала измерения (КИ) и канала управления (КУ). КИ реализован наусилителе постоянного тока (УПТ), аналого-цифровом или аналого-импульсномпреобразователе (АЦП или АИП), регистре или счетчике (Р или С ) имультиплексоре или дешифраторе( М или Д).
/>U/>/>/>
Р
М />/>/>
АЦП
УПТ U/> U N/> N/> N
УПТ нормирует амплитуду входного сигнала (U/>) до стандартного уровня (U).
АЦП (АИП) преобразует нормированный сигнал (U) в код (N1), используя в качестве эталона опорное напряжение (U/>).
Р(С) и М(Д) осуществляют согласование кода на выходе АЦП смикропроцессором в координатах «пространство-время-функция».
Отличие АИП от АЦП состоит в том, что АЦП формирует код,развернутый в пространстве, а АИП – развернутый во времени, поэтому АИПсоединяют по выходу со счетчиком (С) для преобразования в параллельный код.
Д применяют для преобразования одного пространственного кодав другой, а М- для раздельной во времени передачи пространственного кода поканалу связи с количеством проводников, меньшим разрядности кода.
На вход УПТ подается входное напряжение U/> в диапазоне от U/> />до U/> и преобразуется им в напряжение U, стандартное для данного типа АЦП.
АЦП преобразует нормированное напряжение U в код, который сохраняетсянеобходимое время в Р, а затем передается на шину данных микропроцессора черезД или М./>
М />
УПТ />
ЦАП />
Р />/> N N/> N/> N/> U U/>
В проектируемом АИВВ по заданию применяется АЦП на основеинтегратора, счетчика и мультиплексора.
КУ реализован на мультиплексоре или дешифраторе (М или Д),регистре (Р), цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) и усилителе постоянноготока (УПТ).
Р и М и Д осуществляют согласование кода на входе ЦАП смикропроцессором в координатах «пространство-время-функция».
ЦАП преобразует код (N/>) в пропорциональное ему напряжение (U), используя в качестве эталонаопорное напряжение (U/>).
УПТ преобразует амплитуду выходного сигнала ЦАП(U) в требуемое выходное напряжение(U/>).
На М (Д) подается входной код N от микропроцессорной системы, сохраняется необходимое времяв Р и подается на ЦАП. ЦАП осуществляет преобразование этого кода всоответствующее напряжение, которое усиливается УПТ до уровня U/> Проектирование каналаизмерения
Дано:
N=4;
/>=0,14 %;
T=0,001 с;
U/> =8 мВ;
U/>=56мВ.
Определить:N/>, N/>,K, a/>, F/>, R/>.
Проектированиесчетчика.
а) По известной погрешности /> идискрете />=1 вычисляем значениеминимального кода:
т.к. />=/>
тоN/>=/>=/>=714
Что соответствует в двоичном коде N/>=2/>=1024.
б) Из соотношения />= /> определяем максимальныйкод счетчика N/>= N/>/>=512/>=3584/>2/>=4096
в) Оцениваемпогрешность преобразования кода
/>=/>=/>=0,098/>
расчетное значение /> удовлетворяетусловию, продолжаем проектирование. По справочникам выбираем суммирующийсчетчик на 12 разрядов серии 564ИЕ16.
Проектирование мультиплексора
а) Определяемчисло входов мультиплексора.
Учитывая, чтодля двоичного кодаN=/>Максимальныйкод N/> при b/>= b/>=1 находим, как N=/>=2/>,
Тогда числоинформационных входов
n/>=log/>N/>= log/>2/>=12.
б) Находим число адресныхвходов a мультиплексора
а =/>=/>=2
Необходим мультиплексор12/4, управляемый по 2 адресным входам.
По справочнику выбираеммультиплексор К155КП5.Расчет АЦП
а) Определяем опорную частотуF/>=/>=/>=4096000/>4,1МГц-нестандартная частота
б) Вычисляемдлительность импульса, с
/>=/>=/>=0,24/>
/>=/>=/>=0,000125
/>=/>=/>=10/>/>
чтосоответствует условию задачи, т.к. />/>.
в) Оцениваемпогрешность во времени
/>=/>=0,096,
чтосогласуется с условием задачи, поэтому продолжаем расчет.
Проектирование УДН
а) Определяем образцовоенапряжение U/> дискреты, В, при опорном напряжении U/> =5В за период T=0.001
U/>=/>=/>=1,2/>
б) Определяем напряжениевыхода УДН
U/>=/>=/>=0,625
U/>=/>=/>=5
в) Оцениваем погрешностьпо напряжению
/>/>=/>=/>=0,096/>,
что соответствует условиюзадачи.
Выбираем АЦП серии К572ПВ1.
Проектирование УПТ
а) Рассчитываемкоэффициент усиления
K=/>=/>=90
Выбираем усилитель серииК140УД20, для которого выходной ток I=10/> А
б) Расчет ведем методомграфов
Для схемы сопоставим граф
В соответствии с графомсоставляем систему уравнений по законам Кирхгофа
/>по I закону для выхода e/>
по I закону для выхода e/>/>
;e/>=e/>-по II закону для выхода
Из решения системыуравнений находим
/>/> или U/>=/>
Для активного делителянапряжения на ДУ известно решение
U/>(0)=/>(0).
Из равенства исследуемогои желаемого решения для проводимостей получаем
/>
или
/>=/>, т.е. 1+/>=1+/>,
откуда находим условиеравновесия моста
/>=/>
для решения
U/>=/>U/>=/>U/>
в) Из полученногорешения, зная ток ОУ, вычисляя значения резисторов, Ом
R/>=R/>=/>=/>=5/>
Из 5% ряда номиналовсопротивлений выбираем R/>=R/>=5Мом.
Для коэффициента усиленияК=90 вычисляем резисторы, Ом
R/>=R/>=/>=/>=55555
Из 5% ряда выбираемближайший номинал R/>= R/>==55 кОм при этом
K/>=/>=/>=90
Для рассчитанных значенийпроверим диапазон
а) Коэффициент усиленияУПТ
К/>=К/>=90
б) Нижний порог входногонапряжения, мВ
U/>=/>=/>=7/> В
в) Верхний порог входногонапряжения, мВ
U/>=/>=/>=55/> В
Оцениваем рассчитанный диапазонс заданным, мВ
/>
Ответ: счетчик 564ИЕ16,мультиплексор К155КП5,2 ОУ серии 140 УД с резисторами R/>= R/>=55 кОм, R/>= R/>=5 МОм, АЦП серии К572ПВ1.
Расчет каналауправления
Дано:
/>=0,14 %;
К=1;
U/> =8 В;
U/>=3В.
Определить:N/>, N/>,K, a/>, n/>, R/>.
1.Проектирование регистра
а) Определяем минимальныйкодN/>=/>=/>=714/>
б) Определяеммаксимальный кодN/>=N/>/>=512/>=2/>
в) Вычисляем погрешностьпо коду
/>,
т.к. /> продолжаем расчет.Выбираем 2 восьмиразрядных регистра 155ИР13, включая их параллельно.
2. Проектированиемультиплексора
а) Число разрядовмультиплексора
n/>=/>=/>=10
б)число адресных входовмультиплексора
а=/>=/>=1
Выбираем мультиплексор564КП2
Расчет АЦП
а) Определяем опорноенапряжение, В, принимая коэффициент запаса К/>=1,2
U/>=K/>U/>=1,2/>=9,6
б) Рассчитываем /> и U/>
/>=/>=/>=0,47
U/>=/>=/>=4,8
в) Вычисляем погрешность
/>, что удовлетворяет заданию.
Выбираем ЦАП серииК572ПА2
Расчет УПТ
Выбираем схему К140УД8(входной ток I=1/> A), коэффициент усиления К=1
Решение методом графов поI и II законам Кирхгофа
/>
После подстановки находим
U/>; K=/>=/>=1/>,
Что совпадает спредложенным К=1, когда R/>=/>.
Итоговая схема
Принимая R/>, определяем сопротивление резистора R/>, Ом
R/>=/>=/>=9,6/>
Из 5% ряда сопротивленийвыбираем R/>=10,0. U/>=K/>U/>=1,2