Стробоскопический аналого-цифровой преобразователь

Настоящее техническое описание и инструкция по эксплуатации ( в дальнейшем ТО ) предназначено для изучения модуля стробоскопического аналого – цифрового преобразователя (в дальнейшем - модуль), являющегося компоновочным изделием, используемого при автоматизации производственных процессов, и содержит сведения, необходимые для обеспечения полного использования технических возможностей модуля и правильной его эксплуатации.

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.

1. Модуль предназначен для исследования повторяющихся процессов наносекундной и субнаносекундной длительности с дальнейшим улучшением точностных характеристик за счет использования цифровых методов обработки сигналов в программно – управляемых стробоскопических устройствах, работающих в составе информационно – вычислительных систем.

2. Модуль предназначен для эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями в районах с умеренным и холодным климатом. Рабочая температура воздуха при эксплуатации в составе ПК от 5 до 50С. Верхнее значение относительной влажности 80% при 35С и более низких температурах без конденсации влаги. Атмосферное давление от 84.0 до 106ю7 кПа
   ( 630 – 800 mmHg ).

3. Модуль предназначен для эксплуатации в условиях воздействия вибраций частотой от 5 до 35 Hz с амплитудой не более 0.35mm.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ.

1. Электрическое питание модуля осуществляется постоянным током от стабилизированного питания напряжением (5+0.25-0.1) В;

2. Мощность, потребляемая модулем, не превышает 6 ;

3. Неинтерфейсными входными сигналами модуля являются непрерывные сигналы
   напряжением постоянного тока : от минус 2.5 до 2.5В;

4. Интерфейсными сигналами межмодульного обмена (в дальнейшем - ИМО) являются сигналы: данных Д0 – Д11; адреса А0 – А15; чтения ЧТ; записи ЗП; запросы на прерывание IRQ5, IRQ10, IRQ11; возможность адресации AEN; выбор чипа 16 битного ввода – вывода I/O CS 16.

5. Количество каналов модуля – 1.

6. Номинальные статические характеристики преобразования модуля в зависимости от значения напряжения или тока входных неинтерфейсных сигналов определяется:
   для диапазона напряжения и тока неинтерфейсных входных сигналов:
   - от минус 2.5 до 2.5В;

• от 0 до 20мА по формуле:

, (1.1)
где - десятичный выходной код модуля;

- значение входного сигнала постоянного ток (mA) или напряжения постоянного тока (V);

- наибольшее значение диапазона измерения входного сигнала постоянного тока (mA) или напряжения постоянного тока (V).

Значения номинальной цены единица наименьшего разряда кода для напряжения неинтерфейсных входных сигналов :

Таблица 2.1

7. Дискретность преобразования входных непрерывных сигналов в двоичный код – 6 бит ( пять – значащих и шестой - знаковый).

8. Пределы допускаемой основной погрешности преобразования модуля, выраженной в процентах от нормирующего значения, равного 4000, равны  0.2%

9. Пределі допускаемой дополнительной погрешности преобразования модуля, вызванной отклонением напряжения питания на 0.25 или минус 0.1В от номинального значения, равны половине пределов допускаемой основной погрешности.

10. Пределы допускаемой дополнительной погрешности преобразования модуля, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормального значения для любой температуры в пределах рабочей области на каждые 10С, равны половине пределов допускаемой основной погрешности.

3. УСТРОЙСТВО И РАБОТА МОДУЛЯ ПО СТРУКТУРНОЙ СХЕМЕ. УСТРОЙСТВО И РАБОТА МОДУЛЯ ПО ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЕ.

Структурная схема стробоскопического аналого – цифрового преобразователя, предназначенного для использования в системах с межмодульным параллельным интерфейсом МПИ представлена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема стробоскопического АЦП.

G – генератор; См – смеситель; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь;
АЦП – аналого – цифровой преобразователь; ВБ – выходной буфер; БУ – блок управления.

Модуль содержит следующие узлы:

• Генератор;

• Смеситель;

• Линию задержки;

• Аналого – цифровой преобразователь;

• Цифроаналоговый преобразователь;

• Выходное буферное устройство;

• Блок управления.

Преобразователь, содержащий один канал, обеспечивает считывание мгновенных значений входных сигналов и преобразование их в цифровой код. С приходом на вход устройства сигнала запуска от блока управления генератор стробирующих импульсов формирует короткие импульсы, под действием которых кратковременно открываются быстродействующие ключевые схемы стробоскопических смесителей и на входных емкостях усилителей происходит запоминание мгновенных значений напряжений исследуемых сигналов. Усиленный сигнал с выхода стробоскопического смесителя непосредственно преобразуется в цифровой код с помощью быстродействующего параллельного аналого – цифрового преобразователя АЦПи через схему выходного буферного устройства ВБ поступает на ЭВМ. Элемент задержки сигнала запуска АЦП включен с целью устранения влияния переходных процессов установления выходных сигналов в стробоскопичесом смесителе.

В рассматриваемом стробоскопическом АЦП используется структура с обратной связью, реализующая компенсационный принцип измерения. Компенсирующее напряжение подается на схему стробоскопического смесителя СМ с цифроаналоговым преобразователем ЦАП. Сигнал на выходе стробоскопического смесителя пропорционален разности входного и компенсирующего напряжения. Обратная связь позволяет существенно повысить линейность преобразования, снизить требования к числу разрядов АЦП. Достигается также высокая верность воспроизведения сигналов, поскольку компенсирующее напряжение в момент стробирования практически равно входному и схема смесителя не нагружает источник входного сигнала.

Обратная связь в системе, осуществляемая через ЭВМ, позволяет использовать различные алгоритмы статистической обработки, проводить подстройку петлевого коэффициента передачи для получения оптимальной переходной характеристики.

Взаимодействие стробоскопического преобразователя с ЭВМ осуществляется с помощью блока управления, обеспечивающего формирование сигналов для организации программного обмена и прерывания программы. При построении блока управления использованы стандартные для магистрали МПИ структуры логических узлов. Логическое устройство обеспечивает дешифрацию адресов регистров: запуска, чтения, записи и маскирования прерывания. В качестве сигнала запроса на прерывание ГОТОВО, поступающего на логическое устройство организации режима прерывания из преобразователя, используется сигнал запуска АЦП. Этот же сигнал устанавливает в состояние готовности седьмой разряд регистра состояния.

В приложении приведена принципиальная схема канала стробоскопического АЦП с интерфейсной частью. Наиболее ответственным узлом преобразователя, определяющим его метрологические характеристики, является стробоскопический смеситель. С выхода усилителя DA₁ выборка входного сигнала поступает на вход дополнительного быстродействующего усилителя К1420УД1. Применение повторителя на мощном полевом транзисторе VT₁ необходимо для увеличения нагрузочной способности схемы. Преобразование амплитуды сигнала выборки в цифровой код осуществляется DD₁₃ – схемой параллельного АЦП К1107ПВ3, позволяющего непосредственно измерять сигналы амплитудой до 2.5 В. Запуск АЦП осуществляется от формирователя импульсов на микросхеме DD₁₄ . По фронту импульса происходит считывание и преобразование в код входного сигнала, по срезу – запоминание полученного результата на выходе схемы. Задержка импульса запуска параллельного АЦП на 150200 нс по отношению к моменту запуска генератора строб импульсов DA₂,необходимая для установления сигналов на выходе усилителя выборки DA₁, обеспечивается схемой DD₆, DD₇, построенной на базе дифференциальных приемников К500ЛП114. Использование пяти последовательно включенных каскадов задержки, два из которых охвачены цепью положительной обратной связи для обострения фронтов импульса запуска АЦП, позволяет получить достаточно высокую стабильность времени задержки и соответственно малую апертурную неопределенность. Код с выхода АЦП DD₁₃ через схемы преобразователей уровня DD₂₀, DD₂₁ поступает на схему выходного буферного устройства DD₂₂, DD₂₃. Информация из буферного устройства в ЭВМ вводится по сигналу Считывание, поступающему от блока управления при обращении по соответствующему адресу. При этом содержимое разрядов 0  4 с выхода АЦП поступает соответственно на разряды к DA0  DA4 канала МПИ, содержимое пятого разряда с выхода АЦП поступает на седьмой (знаковый) разряд шины данных МПИ, а из разряда переполнения АЦП поступает к D5 МПИ. Такая организация выхода АЦП позволяет упростить обработку информации в ЭВМ.

Для повышения нагрузочной способности внешней шины МПИ используемые сигналы интерфейсной части подаются через буферные регистры DD₁ – DD₃, DD₂₄, DD₂₅. Для адресации необходимых портов собрана схема на компараторах DD₅, DD₈, DD₁₁, элементе логическое «И» DD₉ и дешифраторе 2 на 4 – DD₁₀. Стробирование сигналов из дешифратора сигналами IOR и IOW для создания соответствующих стробов (чтение, запись, запуск, маскирование запроса на прерывание) реализовано на микросхеме DD₁₂. При поступлении сигнала готовность модуль генерирует запрос на прерывание с помощью триггера DD₁₈. Запрос на прерывание можно маскировать программно. Триггер маски служит для того, чтобы триггер прерывания можно было отключить от линий запроса на прерывание (для использования этих линий другими устройствами). Маскирование происходит по разряду D0 соответствующего порта. Строб готовность устанавливает в «1» триггер прерывания.

При обработке прерывания процессор читает информацию из регистра по соответствующему адресу. При чтении сбрасывается в «0» триггер прерывания. Состояние лини прерывания можно прочитать программно по линии D7.

4.РУКОВОДСТВО К ПРОГРАММИРОВАНИЮ.

4.1. Принцип работы:

4.1.1. Функции, выполняемые модулем, состоят в приеме данных, снятых со стробоскопического АЦП. После принятия данных из АЦП генерируется сигнал готовность и интерфейсная часть должна сгенерировать сигнал прерывания, говорящего о том, что данные готовы к пересылке из модуля в ЭВМ. Номер прерывания задается распайкой перемычек в наборном поле блок элементов. В наборном поле осуществляется выбор из 5,10 или 11 прерывания. Существует возможность маскирования выданного прерывания путем выдачи в порт маски. В таком случае чтение готовности осуществляется программно. После соответствующего анализа введенных данных для создания обратной связи должно выдаваться слово в порт для цифроаналогового преобразователя. После включения питания модуля для избежания попадания ложных данных рекомендуется произвести чтение из порта по адресу 14301h.

4.1.2. Модуль содержит 4 порта ввода – вывода :

• Порт по адресу 14300h, управляющий запуском стробоскопического АЦП. Запуск АЦП производится выдачей в порт любых данных. С помощью данной команды формируется строб запуска.

Порт 14301h, управляющий чтением данных из модуля.. При этом из порта считывается байт данных. Формат байта приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1

• Порт 14302h, управляющий записью данных в ЦАП. Ответное слово, формируемое для ЦАП, состоит из 11 разрядов данных. Передача его из ЭВМ в модуль осуществляется выдачей слова в порт. При этом в модуле формируется строб I/O CS 16, говорящий о том, что обмен производится словом, а не байтом.

• Порт 14303h, управляющий маскированием прерывания и считыванием состояния АЦП при обмене с неготовностью. Перед использованием необходимо разрешить или запретить обмен по прерыванию в модуле. Если прерывание разрешено, то обмен будет совершаться по прерыванию. В противном случае будет осуществляться обмен с неготовностью Тип обмена задается выдачей по линии D0 числа в порт. Формат слова представлен в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Если обмен производится с неготовностью, то состояние АЦП считывается по линии D7. Описание различных состояний бита приведено в таблице 4.3

Таблица 4.3

Процессор может записать информацию в порт вывода при выполнении команд:

MOV DX, XXX

MOV AL, YYY

OUT DX, AL
либо считать информацию из порта ввода при выполнении команд:

MOV DX, XXX

IN DX, AL
где ХХХ – адрес порта ввода/вывода, YYY – выводимые данные.

5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

При работе модуля обмен может быть реализован по желанию пользователя по прерыванию либо с неготовностью. Блок – схема работы программного обеспечения представлена на рисунке 5.1. (обмен по прерыванию) и на рисунке 5.3. (обмен с неготовностью). На рисунке 5.2. представлена блок – схема обработчика прерывания.

Рис. 5.1. Обмен по прерыванию.

После включения питания модуля для избежания попадания ложных данных следует произвести чтение из порта 301h. После этого идет установка начальных параметров системы :

• Задается вектора обработки прерывания;

• производится начальный запуск АЦП.

Программа обработки включает в себя ;

• чтение данных из модуля;

• запись полученных данных в буфер для дальнейшей обработки;

• Обработка полученных данных;

• Чтение из буфера данных для дальнейшего отправления в ЦАП;

• Вывод данных в модуль для ЦАП.

Рис 5.2. Блок – схема обработчика прерывания.

5.1. Запуск АЦП производится выдачей по адресу 14300h любых данных. С помощью данной команды формируется строб запуска АЦП. Чтение данных из модуля производится по адресу 14301h. При этом из порта считывается байт данных. Формат байта приведен в таблице 5.1.

Таблица 5.1

5.2. После считывания байта он отправляется в буфер входных данных для последующей обработки.

Рис 5.3. Блок – схема обмена с неготовностью.

5.3. Далее вызывается подпрограмма обработки входных данных для получения ответного слова для ЦАП. Ответное слово состоит из 11 разрядов данных. Передача его из ЭВМ в модуль осуществляется выдачей слова по адресу 14302h. При этом в модуле формируется строб I/O CS 16, говорящий о том, что обмен производится словом, а не байтом. Подпрограмму обработки полученных данных и формирование ответного слова пишет пользователь самостоятельно.

5.4. Перед использованием необходимо разрешить или запретить обмен по прерыванию в модуле. Если прерывание разрешено, то обмен будет совершаться по прерыванию. В противном случае будет осуществляться обмен с неготовностью Тип обмена задается выдачей по линии D0 числа по адресу 14303h. Формат слова представлен в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Если обмен производится с неготовностью, то состояние АЦП считывается по линии D7 по адресу 14303h.

6. ЛИТЕРАТУРА.

1. Уинн Л. Рош. Библия по техническому обеспечению Уинна РОШа. Минск. 1992.

2. Томпкинс. Уэбстер. Проектирование и сопряжение контроллеров с ЭВМ.

3. Джордейн. Описание IBM PC AT.

4. Питер Абель. Язык ассемблера для IBM PC и программирования. Москва. «Высшая школа». 1992 г.

ПРИЛОЖЕНИЯ