Проектирование автоматического интерфейса ввода-вывода

Кафедра ЭиА

Контрольная работа на тему:

“Проектирование автоматического интерфейса ввода-вывода”

Задание и исходные данные

Спроектировать автоматический интерфейс ввода-вывода (АИВВ), состоящий из канала измерения (КИ) в пределах от UДо U и канала управления (КУ) напряжением в диапазоне от UДо U с максимальной приведенной погрешностью EPS, и с временем измерения не более T. Для передачи выходного кода КИ в микропроцессорную систему спроектировать мультиплексор ( для передачи N разрядов счетчика (или регистра) по каналу из N проводников).

Для получения от микропроцессорной системы входного кода КУ спроектировать мультиплексор (для получения N разрядов двоичного кода регистра по каналу из N проводников). В КИ применить аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения. В КУ применить цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) параллельного действия.

Исходные данные

Число разрядов N=4;

Погрешность EPS=0,14 %;

Период измерения T=0,001 с;

Входные напряжения КИ:

U=8 мВ;

U=56мВ;

Входные напряжения КУ:

U =3 В;

U=8 В.

Введение и описание структуры АИВВ

В общем случае автоматический интерфейс ввода-вывода (АИВВ) состоит из канала измерения (КИ) и канала управления (КУ). КИ реализован на усилителе постоянного тока (УПТ), аналого-цифровом или аналого-импульсном преобразователе (АЦП или АИП), регистре или счетчике (Р или С ) и мультиплексоре или дешифраторе( М или Д).

U

Р
М

АЦП
УПТ

UUNNN

УПТ нормирует амплитуду входного сигнала (U) до стандартного уровня (U).

АЦП (АИП) преобразует нормированный сигнал (U) в код (N1), используя в качестве эталона опорное напряжение (U).

Р(С) и М(Д) осуществляют согласование кода на выходе АЦП с микропроцессором в координатах “пространство-время-функция”.

Отличие АИП от АЦП состоит в том, что АЦП формирует код, развернутый в пространстве, а АИП – развернутый во времени, поэтому АИП соединяют по выходу со счетчиком (С) для преобразования в параллельный код.

Д применяют для преобразования одного пространственного кода в другой, а М – для раздельной во времени передачи пространственного кода по каналу связи с количеством проводников, меньшим разрядности кода.

На вход УПТ подается входное напряжение U в диапазоне от UДо U и преобразуется им в напряжение U, стандартное для данного типа АЦП.

АЦП преобразует нормированное напряжение U в код, который сохраняется необходимое время в Р, а затем передается на шину данных микропроцессора через Д или М.

М

УПТ

ЦАП

Р

NNNNUU

В проектируемом АИВВ по заданию применяется АЦП на основе интегратора, счетчика и мультиплексора.

КУ реализован на мультиплексоре или дешифраторе (М или Д), регистре (Р), цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) и усилителе постоянного тока (УПТ).

Р и М и Д осуществляют согласование кода на входе ЦАП с микропроцессором в координатах “пространство-время-функция”.

ЦАП преобразует код (N) в пропорциональное ему напряжение (U), используя в качестве эталона опорное напряжение (U).

УПТ преобразует амплитуду выходного сигнала ЦАП(U) в требуемое выходное напряжение(U).

На М (Д) подается входной код N от микропроцессорной системы, сохраняется необходимое время в Р и подается на ЦАП. ЦАП осуществляет преобразование этого кода в соответствующее напряжение, которое усиливается УПТ до уровня U

Проектирование канала измерения

Дано:

N=4;

=0,14 %;

T=0,001 с;

U =8 мВ;

U=56мВ.

Определить:N, N,K, a, F, R.

Проектирование счетчика.

А) По известной погрешности и дискрете =1 вычисляем значение минимального кода:

Т. к. =

То

N===714

Что соответствует в двоичном коде N=2=1024.

Б) Из соотношения = определяем максимальный код счетчика

N= N=512=35842=4096

В) Оцениваем погрешность преобразования кода

===0,098

Расчетное значение удовлетворяет условию, продолжаем проектирование. По справочникам выбираем суммирующий счетчик на 12 разрядов серии 564ИЕ16.

Проектирование мультиплексора

А) Определяем число входов мультиплексора.

Учитывая, что для двоичного кода

N= Максимальный код N при b= b=1 находим, как N==2,

Тогда число информационных входов

N=logN= log2=12.

Б) Находим число адресных входов a мультиплексора

А ===2

Необходим мультиплексор 12/4, управляемый по 2 адресным входам.

По справочнику выбираем мультиплексор К155КП5.

Расчет АЦП

А) Определяем опорную частоту

F===40960004,1МГц-нестандартная частота

Б) Вычисляем длительность импульса, с

===0,24

===0,000125

===10

Что соответствует условию задачи, т. к. .

В) Оцениваем погрешность во времени

==0,096,

Что согласуется с условием задачи, поэтому продолжаем расчет.

Проектирование УДН

А) Определяем образцовое напряжение U дискреты, В, при опорном напряжении U =5В за период T=0.001

U===1,2

Б) Определяем напряжение выхода УДН

U===0,625

U===5

В) Оцениваем погрешность по напряжению

===0,096,

Что соответствует условию задачи.

Выбираем АЦП серии К572ПВ1.

Проектирование УПТ

А) Рассчитываем коэффициент усиления

K===90<500

Выбираем усилитель серии К140УД20,для которого выходной ток I=10 А

Б) Расчет ведем методом графов

Для схемы сопоставим граф

В соответствии с графом составляем систему уравнений по законам Кирхгофа

По Iзакону для выхода e

По Iзакону для выхода e

;e=e-по II закону для выхода

Из решения системы уравнений находим

или U=

Для активного делителя напряжения на ДУ известно решение

U(0)=(0).

Из равенства исследуемого и желаемого решения для проводимостей получаем

Или

=, т. е. 1+=1+,

Откуда находим условие равновесия моста

=

Для решения

U=U=U

В) Из полученного решения, зная ток ОУ, вычисляя значения резисторов, Ом

R=R===5

Из 5% ряда номиналов сопротивлений выбираем R=R=5Мом.

Для коэффициента усиления К=90 вычисляем резисторы, Ом

R=R===55555

Из 5% ряда выбираем ближайший номинал R= R==55 кОм при этом

K===90

Для рассчитанных значений проверим диапазон

А) Коэффициент усиления УПТ

К=90

Б) Нижний порог входного напряжения, мВ

U===7 В

В) Верхний порог входного напряжения, мВ

U===55 В

Оцениваем рассчитанный диапазон с заданным, мВ

Ответ: счетчик 564ИЕ16, мультиплексор К155КП5,2 ОУ серии 140 УД с резисторами R= R=55 кОм, R= R=5 МОм, АЦП серии К572ПВ1.

Расчет канала управления

Дано:

=0,14 %;

К=1;

U =8 В;

U=3В.

Определить:N, N,K, a, n, R.

1.Проектирование регистра

А) Определяем минимальный код

N===714

Б) Определяем максимальный код

N=N=512=2

В) Вычисляем погрешность по коду

,

Т. к. продолжаем расчет. Выбираем 2 восьмиразрядных регистра 155ИР13, включая их параллельно.

2. Проектирование мультиплексора

А) Число разрядов мультиплексора

N===10

Б)число адресных входов мультиплексора

А===1

Выбираем мультиплексор 564КП2

Расчет АЦП

А) Определяем опорное напряжение, В, принимая коэффициент запаса К=1,2

U=KU=1,2=9,6

Б) Рассчитываем и U

===0,47

U===4,8

В) Вычисляем погрешность

,что удовлетворяет заданию.

Выбираем ЦАП серии К572ПА2

Расчет УПТ

Выбираем схему К140УД8( входной ток I=1A), коэффициент усиления К=1

Решение методом графов по Iи II законам Кирхгофа

После подстановки находим

U; K===1,

Что совпадает с предложенным К=1, когда R=.

Итоговая схема

Принимая R, определяем сопротивление резистора R, Ом

R===9,6

Из 5% ряда сопротивлений выбираем R=10,0. U=KU=1,2


Проектирование автоматического интерфейса ввода-вывода