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 U до 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

УПТU 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 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 U до 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 N N N N U U 



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 I закону для выхода e

по I закону для выхода e



;e=e-по II закону для выхода



Из решения системы уравнений находим



 или U=



Для активного делителя напряжения на ДУ известно решение



U(0)=(0).




Из равенства исследуемого и желаемого решения для проводимостей получаем







или



=, т.е. 1+=1+,



откуда находим условие равновесия моста



=



для решения



U=U=U



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



R=R===5



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

Для коэффициента усиления К=90 вычисляем резисторы, Ом


R=R===55555



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



K===90



Для рассчитанных значений проверим диапазон

а) Коэффициент усиления УПТ



К=К=90



б) Нижний порог входного напряжения, мВ



U===7 В



в) Верхний порог входного напряжения, мВ



U===55 В



Оцениваем рассчитанный диапазон с заданным, мВ







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


Расчет канала управления



Дано:



=0,14 %;

К=1;

U =8 В;

U=3В.



Определить:N, N,K , a, n, R.



1.Проектирование регистра

а) Определяем минимальный код



N===714



б) Определяем максимальный код



N=N=512=2



в) Вычисляем погрешность по коду



, 



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

2. Проектирование мультиплексора

а) Число разрядов мультиплексора



n===10



б)число адресных входов мультиплексора



а===1



Выбираем мультиплексор 564КП2



Расчет АЦП



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



U=KU=1,2=9,6



б) Рассчитываем  и U



===0,47

U===4,8



в) Вычисляем погрешность



,что удовлетворяет заданию.


Выбираем ЦАП серии К572ПА2



Расчет УПТ



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

Решение методом графов по I и 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







1