Модуль ввода/вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов

Содержание

 

Введение

1. Разработка структурной схемы

2. Разработка принципиальной схемы

3. Расчетная часть проекта

3.1 Расчет временных задержек

3.2 Расчет нагрузочных резисторов

3.3 Выбор резисторов на генераторе

3.4 Расчет усилителя

3.5 Расчет фильтра питающего напряжения

3. Моделирование системы ввода/вывода

Заключение

 

Введение

 

Темой курсового проекта  является «Модуль ввода/вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов». Данный модуль на сегодняшний день получил  широкое распространение во всех отраслях промышленности. Так же данный прибор широко применяется в области автоматизации, так как осуществляет преобразование сигналов, согласование сигналов между приборами и микросхемами, а это в свою очередь является неотъемлемой частью процесса автоматизации. Целью работы является проектирование модуля ввода/вывода аналоговых, дискретных и цифровых сигналов. Данный модуль предназначен для сбора данных со встроенных дискретных и аналоговых входов с последующей их передачей в сеть и управления встроенными дискретными вычислительными элементами, используемыми для подключения исполнительных механизмов с дискретным управлением, по сигналам из сети или в зависимости от состояния дискретных входов. В ходе курсового проектирования необходимо изучить аналоговые схемы, цифровые микросхемы, закрепить навыки проектирования цифровых устройств, а так же получить навыки по расчетам элементов схем.

 

1. Разработка структурной схемы

 

Проектируемая МПСУ предназначена для сбора данных со встроенных дискретных и аналоговых входов с последующей их передачей в сеть и управления встроенными дискретными вычислительными элементами, используемыми для подключения исполнительных механизмов с дискретным управлением, по сигналам из сети или в зависимости от состояния дискретных входов.

В состав структурной  схемы входят:

- входные/выходные регистры;

- счетчики;

- генератор;

- аналогово-цифровой преобразователь;

- цифро-аналоговый преобразователь.

С помощью шины адреса задается комбинация адреса к  вводным или выводным элементам системы, а так же на управляющий элемент, т.е. дешифратор. Дешифратор – это комбинационная схема с несколькими входами и выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов, с помощью которого осуществляется управление входными и выходными регистрами, ЦАП, АЦП, буферами на счетчиках и генератором прямоугольных импульсов, через триггер управления. На выходе дешифратора появляется логическая единица, на остальных — логические нули.

К вводным элементам относятся: входной регистр, АЦП, буфера счетчика. К выводным элементам: выходные регистры, ЦАП, генератор.

Регистры осуществляют прием, хранение и передачу информации. В данной системе используются параллельные регистры, то есть схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса/установки, то есть цепи управления.

После регистров сигнал проходит через оптопару — электронный прибор, состоящий из излучателя света и фотоприёмника, связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе, предназначенный для развязки системы, т.е. для разделения между собой силовой части от управляющих сигналов. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

С дешифратора сигнал так  же поступает на буфера обмена, которые  используются в системе как вспомогательные элементы для передачи данных от счетчика к шине данных, т.е. в момент, когда с дешифратора на буфер обмена приходит ноль, он позволяет передавать сигнал со счетчика на шину данных. В системе используются асинхронные счетчики числа импульсов — устройства, на выходах которых получаются двоичные (двоично-десятичные) коды, определяемые числом поступивших импульсов. Асинхронные счётчики строятся на JK-триггерах. Счетчики предназначены для счета импульсов.

Сигнал с дешифратора, который поступает на триггер  управления (используется D-триггер), обеспечивает запуск генератора прямоугольных импульсов через логический элемент «И-НЕ». В схеме разработан генератор прямоугольных импульсов, который генерирует электрические импульсы заданной частоты прямоугольной формы для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах. Далее сигнал проходит через двухкаскадный усилитель, который увеличивают амплитуду напряжения импульсов.

В систему так же включены цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который осуществляет преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд), и аналого-цифровой (АЦП), который преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Микросхемы и дискретные элементы, на которых выполнены структурные блоки:

-шина данных – СНП64-64В-23-2,

-дешифратор – КР1533ИД4,

-выходной и входной 8-разрядные регистры – КР1533ИР23,

-выходной 4-разрядный регистр – КР1533ИР38,

-ОГР на выходных регистрах – К293КП13П,

-ОГР на входных регистрах – К293ЛП6Р,

-буфера обмена – КР1533АП4,

-асинхронные счетчики  – КР1533ИЕ7,

-триггер управления –  КР1533ТМ8,

-генератор на базе  кварцевого резонатора RG02,

-двухкаскадный усилитель  на базе транзисторов КТ315А  и КТ8330В,

-ЦАП – AD5331,

-АЦП – MAX1177.

2. Разработка принципиальной схемы

 

Управление  микросхемами происходит путем подачи на дешифратор сигналов с шины адреса: ADR0, ADR1. Считывание с шины данных осуществляется сигналом «Вывод». Загрузка в шину данных осуществляется сигналом «Ввод». Вывод данных через ОГР осуществляется заданием кода сигналов «ADR0, ADR1, Вывод» на дешифраторе «DD3», который адресуется к регистрам «DD1» или«DD2», через инверторы «DD6.2-DD6.3», затем происходит передача данных через регистр на инверторы «DD6.5-DD8.4». При подаче на вход инвертора «1», на выходе сигнал преобразуется в «0», и через оптопару «U1-U12» начинает протекать ток с заданными параметрами на выход схемы.

Запись данных через ОГР  «DD11-DD13» согласуется через инверторы «DD8.5-DD8.6, DD9.1-DD.4»и регистр «DD14» при помощи управляющего сигнала EZс дешифратора «DD3» и разрешает запись в шину данных.

Вывод данных через ЦАП  «DD5» осуществляется заданием кода сигналов «ADR0, ADR1, Вывод» на дешифраторе «DD3», который адресуется к нему через цифровые входа «DB0-DB9». 10-разрядный сигнал преобразуется в аналоговый на выходе «V_OUT».

Преобразование данных через  АЦП «DD4» проходит в два действия по 8 бит. Управляющий сигнал с дешифратора на входе       разрешает преобразование аналогового сигнала в цифровой. Вход «HBEN» отвечает за вывод старшего или младшего бита на шину данных.

Количество  импульсов считается через вход +1. В случае если 4-разрядный счетчик  переполнен, то он сбрасывается на 0 и  посылает сигнал на второй счетчик, потом  аналогично на третий. Все биты поступают на буфер. Дешифратор подает управляющий сигнал EZ, который снимает высокоимпедансное состояние с выходов буферов, и информация поступает на шину.

 

Таблица 1. Таблица  адресации дешифратора

	вывод	ввод	ADR0	ADR1
C	1	0	0	0
1С	1	0	1	0
CS	1	0	0	1
C	1	0	1	1
EZ	0	1	0	0
1EZ, 2EZ	0	1	1	0
2EZ	0	1	0	1
CS	0	1	1	1

 

3. Расчетная  часть проекта

3.1 Расчет временных  задержек

 

Из технической  документации взяли время задержки при включении и выключении, определили порядок работы микросхем (PLH – при выключении, PHL – при включении):

-регистры t_PLH=12 нс, t_PHL=16 нс, t_PZL=18 нс, t_PLZ=40 нс;

-дешифратор t_PLHD1=26 нс, t_PHLD1=26 нс, t_PLHD2=28 нс, t_PHLD2=28 нс;

-инвертор t_PLH=11 нс, t_PHL=8 нс;

-оптопара на выходных  регистрах t_PLH=5 мс, t_PHL=5 мс;

-оптопара на входных  регистрах t_PLH=0,3 мс, t_PHL=0,3 мс;

-счетчики t_PLH=19 нс, t_PHL=17 нс – от вывода 5 к выводам 2, 3, 6, 7;

-счетчики t_PLH=16 нс, t_PHL=18 нс – от вывода 5 к выводу 12.

Срабатывание оптопары при  выходном сигнале проходит в следующей  последовательности: дешифратор –  инвертор – регистр – инвертор - оптопара. Требуется два расчета, т.к. время задержки элементов при включении отличается от времени задержки при включении.

t₁=26+11+12+11+5∙10⁶=5000060 нс;

t₂=26+11+16+11+5∙10⁶=5000064 нс.

Срабатывание оптопары при  входном сигнале проходит в следующей  последовательности: оптопара – инвертор – дешифратор – инвертор – регистр.

t₁=3∙10⁵+11+28+11+40=300090 нс;

t₁=3∙10⁵+11+28+11+18=300068нс.

Расчет временных задержек на счетчиках:

- если при подсчете  импульсов задействован один  счетчик, то t=19 нс;

- если при подсчете  импульсов задействовано два  счетчика, то t=19+16=35 нс;

- если при подсчете  импульсов задействовано три  счетчика, то t=19+16+16=51 нс.

Ниже приведены циклограммы  срабатывания оптопар при входных  и выходных сигналах соответственно.

 

 

Рис.1 Циклограмма  срабатывания оптопары при выходном сигнале.

 

 

Рис.2 Циклограмма срабатывания оптопары при входном сигнале.

 

3.2 Расчет  нагрузочных резисторов

 

Для расчёта резисторов R₂...R₁₃ зададим ток I_VD =10 мА.

Расчёт ведётся в следующей  последовательности:

- по вольтамперной характеристике  светодиода АЛ307АМ находится падение напряжения U_VD при заданном значении тока (при I_VD напряжение U_VD=1,3 В);

- по справочным данным  МС [3]U₀=0,4 В;

-напряжение питания U_СС=5В;

- падение напряжения на  резисторе рассчитывается по  следующему выражению:

 

U_R=U_СС-U_VD-U₀=5-1,3-0,4=3,3В;

 

-сопротивление резистора  по закону Ома:

 

R=U_R/I_VD=3,3/10∙10^-3=330 Ом;

 

-по стандартному ряду  Е24 [11] выбирается ближайший резистор: R=330 Ом;

-мощность, выделяемая  на резисторе:

 

P_R=U_R·I_VD=3,3·0,01=0,033 Вт;

 

-по результатам расчёта  выбирается нагрузочный резистор R:

МЛТ 0,125- 330Ом ± 5%.

Для расчёта резисторов R₁₄..R₁₉ зададим ток I_VD =10 мА.

Расчёт ведётся в следующей  последовательности:

-входное напряжение U_ВХ=24В;

-падение напряжения U_VDК293ЛП6Р при заданном значении тока I_VD=10 мА U_VD=1, 5 B;

- падение напряжения на резисторе рассчитывается по следующему выражению:

 

U_R=U_ВХ-U_VD=24-1,5=22,5В;

 

-сопротивление резистора  по закону Ома:

 

R=U_R/I_VD=22,5/10∙10^-3=2250 Ом;

 

-по стандартному ряду  Е24 выбирается ближайший резистор: R=2,2кОм;

-мощность, выделяемая на резисторе:

 

P_R=U_R·I_VD=22,5·0,01=0,225 Вт;

 

-по результатам расчёта  выбирается нагрузочный резистор R:

МЛТ 0,25- 2,4 кОм ± 5%.

3.3 Выбор  резисторов на генераторе

 

В качестве кварцевого генератора используется мультивибратор с кварцевой  стабилизацией частоты, выполненный на логических элементах. С помощью резистора R21, соединяющего вход и выход инвертора DD9.5, рабочая точка смещается на линейный участок характеристики из-за отрицательной обратной связи по постоянному току. Для возникновения генерации необходимо, чтобы рабочая точка инвертора DD9.6так же вышла на линейный участок. При этом из-за положительной обратной связи через резонатор B1 осуществляется мягкий режим самовозбуждения. Устойчивый режим самовозбуждения устанавливается подбором R20.

Резистор R20 нужен для  ограничения тока и уменьшения нагрузки на элемент D9.6. Если его величина значительно  меньше, чем у резистора R21, он на частоту генерации не влияет.

Из-за отсутствия возможности  подбора резистора R21, для разработки принципиальной электрической схемы используются резисторы, которые удовлетворяют описанным выше условиям, — R21=10 кОм, R20=1 кОм.

Выбираются нагрузочные  резисторы R21 и R20соответственно МЛТ 0,125- 10 кОм ± 5% и МЛТ 0,125- 1 кОм ± 5%.

3.4 Расчет  усилителя

 

 

Рис.3. Схема усилителя

 

U_вх=2,4 В— уровень «1» для ТТЛ-микросхем.

Для перехода транзистора V1в режим насыщения необходимо, чтобы U_Б1=0,8 В при I_Б1=0,2 мА.

Расчет резистора R1:

- сопротивление  резистора R1 по закону Ома:

 

 

- по стандартному  ряду Е24 выбирается ближайший резистор: R1=8,2кОм;

- мощность, выделяемая  на резисторе:

 

P_R1=I₁²∙R1=0,2²∙10^-6∙8,2∙10³=0,328∙10^-3Вт;