Мезонинный модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

Полезная модель относится к области испытательного оборудования техники и предназначена для приема одиночных и дифференциальных биполярных аналоговых сигналов и преобразования их в последовательный цифровой код.
При разработке и испытаниях самолетного оборудования на комплексах полунатурного моделирования возникает необходимость интеграции данных с широкой номенклатурой авиационных интерфейсов, состав и количество авиационных интерфейсов может меняться, соответственно, требуется многоуровневая система, в которой физические интерфейсы выполнены в виде мезонинов с внешними выводами, а вычислительный модуль имеет унифицированный способ их подключения.
Предлагаемая полезная модель позволяет принимать аналоговые сигналы, преобразовывать их в цифровой код и выдавать данный код через последовательный интерфейс на одноплатный компьютер типа Raspberry Pi или аналогичный ему вычислительный модуль по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов. Предлагаемая полезная модель может осуществлять параллельный прием четырех аналоговых биполярных сигналов и двух пар аналоговых дифференциальных биполярных сигналов с диапазоном входных напряжений ±10 В.
Из уровня техники известен аналог - многофункциональный адаптер PCI-1602FU/S для работы с аналоговыми сигналами от фирмы ICP DAS (URL: https://icp-das.ru/catalog/pci-1602fu_s), широко применяющийся на целевых стендах моделирования. Данный адаптер выполнен в виде печатной платы, которая содержит интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов, разъем PCI, каскады защиты, источник питания опорных напряжений, микросхемы приема одиночных или дифференциальных сигналов с диапазоном входных сигналов по напряжению ±10 В, способных осуществлять аналогово-цифровые преобразования 16 одиночных или 8 дифференциальных сигналов с разрядностью до 16 бит.
Основными недостатками данной платы являются:
- отсутствие возможности установки на одноплатный компьютер типа Raspberry Pi или аналогичный ему вычислительный модуль по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов, ввиду несовместимости соединителей и интерфейсных шин, поскольку в аналоге используется интерфейсная шина PCI, а в модуле Raspberry Pi -штыревые соединители серии PLD.
- отсутствие возможности независимого приема дифференциальных и одиночных сигналов: переключение режимов «одиночный/дифференциальный» осуществляется вручную с помощью перемычек на плате, при этом оба типа сигналов поступают по одним и тем же физическим линиям, хотя критерии оптимизации физических линий для одиночных и дифференциальных сигналов противоположны.
Также известно устройство - мезонин аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADC Pi (URL: https://www.abelectronics.co.uk/p/69/adc-pi-raspberry-pi-analogue-to-digital-converter) для одноплатного компьютера Raspberry PI от фирмы Abelectronics. Данный аналог выполнен в виде печатной платы, которая содержит интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов, разъем серии PBD, источник питания опорных напряжений, каскады защиты микросхемы приема одиночных сигналов с диапазоном входного сигнала по напряжению от 0 до 5 В. Мезонин осуществляет аналогово-цифровые преобразования 8 одиночных входов с разрядностью до 24 бит.
Основные недостатки данной платы: отсутствие возможности приема дифференциальных биполярных сигналов.
Задача, на которую направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании мезонинного модуля, способного принимать биполярные аналоговые сигналы с диапазоном входного напряжения не менее ±10 В, как одиночные, так и дифференциальные, и передавать их в цифровом виде через последовательный интерфейс на одноплатный компьютер типа Raspberry Pi или аналогичный ему вычислительный модуль по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов для решения задач, возникающих при разработке и проведении испытаний самолетных систем на комплексах полунатурного моделирования.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей в части параллельного приема одиночных и дифференциальных биполярных аналоговых сигналов с диапазоном напряжения ±10 В с их независимой обработкой при возможности подключения к одноплатному компьютеру типа Raspberry Pi или к аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов для решения задач, возникающих при разработке и проведении испытаний самолетных систем на комплексах полунатурного моделирования.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемый мезонинный модуль АЦП, выполненный в виде печатной платы, которая содержит интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов, разъем серии PBD для подключения к одноплатному компьютеру Raspberry Pi или аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов, источник питания опорных напряжений, каскады защиты и отличается тем, что содержит две независимые группы микросхем АЦП, осуществляющие параллельный прием одиночных и дифференциальных биполярных сигналов с диапазоном напряжения ±10 В, при этом упомянутые микросхемы АЦП соединены линиями цифровой связи с разъемом серии PBD, линиями аналоговой связи с каскадами защиты и высокоамперными линиями связи с автономным источником питания, а каскады защиты связаны аналоговыми линиями связи с интерфейсным разъемом для приема аналоговых сигналов.
Полезная модель поясняется следующим чертежами:
Фиг.- Структурная схема мезонинного модуля АЦП. На фигуре представлены:
1 - интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов;
2.1, 2.2 - каскады защиты;
3.1, 3.2 - микросхемы АЦП, позволяющие осуществлять параллельный прием одиночных и дифференциальных сигналов с диапазоном напряжения ±10 В с независимым управлением по сигналам Chip Select интерфейса SPI;
4 - автономный источник питания;
5 - разъем серии PBD для подключения к одноплатному компьютеру Raspberry Pi или аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов.
Полезная модель выполнена в виде печатной платы, которая включает: интерфейсный разъем 1 для приема аналоговых сигналов, каскады защиты 2.1, 2.2, две независимые группы микросхем АЦП 3.1, 3.2, источник питания опорных напряжений 4, разъем серии PBD 5. Микросхемы АЦП 3.1, 3.2 соединены линиями цифровой связи с разъемом серии PBD 5, линиями аналоговой связи с каскадами защиты 2.1, 2.2 и высокоамперными линиями связи с автономным источником питания 4. Каскады защиты 2.1, 2.2 связаны аналоговыми линиями связи с интерфейсным разъемом 1 для приема аналоговых сигналов.
Полезная модель осуществляется следующим образом.
Мезонинный модуль АЦП подключается к цифровому электропитанию (+3.3 В) одноплатного компьютера Raspberry Pi или аналогичного ему вычислительного модуля по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов (на фиг. не показан). Напряжение +12 В подается на мезонинный модуль через интерфейсный разъем 1 для приема аналоговых сигналов.
После подключения цифрового питания включается автономный источник питания 4 и генерирует опорные биполярные сигналы, приводящие микросхемы АЦП 3.1, 3.2 в рабочий режим.
От самолетного оборудования на интерфейсный разъем 1 подаются аналоговые сигналы, при этом используется до 8 линий связи. Далее аналоговые сигналы поступают на каскады защиты 2.1, 2.2, включающие в себя токоограничительные резисторы и диоды для ограничения напряжения как верхнего (+10 В), так с нижнего (-10 В) порога, причем в каскадах защиты одиночных каналов ограничивается напряжение относительно общего провода, в каскадах дифференциальных каналов ограничивается разность напряжений. Каждый каскад защиты соединен линиями аналоговой связи с соответствующей ему микросхемой АЦП 3.1, 3.2.
Микросхемы АЦП 3.1, 3.2 принимают параллельно одиночные и дифференциальные сигналы с диапазоном напряжения ±10 В с независимым управлением по сигналам Chip Select интерфейса SPI и осуществляют процесс конвертации аналоговых сигналов в цифровой код. В предпочтительном варианте осуществления полезной модели используются микросхемы АЦП AD7323. Данные микросхемы АЦП 3.1, 3.2 сконфигурированы отдельно для одиночных и дифференциальных сигналов и реализуют логику интерфейса SPI в режиме Slave. Полученный цифровой код подается на разъем серии PBD 5, который подключается к одноплатному компьютеру Raspberry Pi или аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов.