3. 2 Разработка модуля ввода/вывода на базе плис

Структурная схема разрабатываемого модуля представлена на рисунке 9.

Рис. 9 Структурная схема модуля

В структурной схеме модуля можно выделить следующие компоненты:

• ПЛИС (DD1) - ЕРМ3128АТС144-10

• ЦАП (DD18) - AD7538

• АЦП (DD19) - MAX1263

• ОГР (DD2-DD9, DD11-DD17) - K293ЛП6Р, К293ЛП1

Разработанная принципиальная схема представлена на чертеже КП-2068998-А1-09-00.00.000.Э3 ISA модуль ввода / вывода информации на базе ПЛИС.

Программирование ПЛИС осуществляется через JTAG интерфейс с помощью программатора Byte Blaster (X3). Микросхема питается от напряжения 3,3 В. Для преобразования напряжения используется преобразователь напряжения NCP1117.

Данные на входы i[15..1] ПЛИС поступают с разъема ХР2.1через ОГР (DD2-DD9), с разъема ХР2.3 на входы Cr+ и Cr- и с разъема ISA на входа D[8..1], A[16..1], IOR, IOW, RESET. С выходов o[14..1] ПЛИС данные через ОГР подаются на разъем ХР2.2. С выходов Ddac[14.1] данные подаются на входы ЦАП.

MultiVolt интерфейс позволяет ядру микросхемы работать при 3.3 В, а контактам Ввода/Вывода быть совместимыми с 5.0В, 3.3В и 2.5В. Если контакты VCCIO подключены к 3,3 В источнику питания, то высокий выходной уровень будет 3,3 В и будет совместим с 3,3 и 5,0 В системами [10]. Напряжение высокого уровня подаваемое на входа DAC (DD18) - 2.4 В, напряжение низкого уровня - 0,8 В.

Управление элементами осуществляется аналогично управлению представленному на принципиальной схеме КП-2068998-А1-09-00.00.000.Э3.

4. Расчет элементов

Нагрузочные резисторы R1-R14 предназначены для ограничения тока, протекающего через светодиоды оптопар D25-D31 от источника V_CC=+5B. В соответствии с документацией на оптопару К293ЛП6Р [2] ток протекающий через светодиод оптопары I_VD= 10 мА, при этом падение напряжения на нем, определяемое по вольтамперной характеристике [4], составляет U_VD=1,4 B. Для микросхемы КР1533ИР23 U₀=0,4 В [1]. Индикация включенного состояния оптопар выполняется светодиодами VD1-VD14 АЛ307А. При токе I_VD= 10 мА напряжение U_VD1=2 B

Значение нагрузочного резистора определяется по формуле [5]:

Ом (1)

Определим мощность, рассеиваемую на резисторе:

Вт (2)

По результатам расчетов выбираем резисторы R1-R14 из ряда E24 [6]:

МЛТ 0,063 – 120 Ом ± 5 %

Нагрузочные резисторы R15-R28 предназначены для ограничения тока, протекающего через светодиоды оптопар D32-D38 от источника V_DD=+24B. В соответствии с документацией на оптопару К293ЛП6Р [2] ток протекающий через светодиод оптопары I_VD= 10 мА, при этом падение напряжения на нем, определяемое по вольтамперной характеристике [4], составляет U_VD=1,4 B. Значение нагрузочного резистора определяется по формуле [5]:

Ом (3)

Определим мощность, рассеиваемую на резисторе:

Вт (4)

По результатам расчетов выбираем резисторы R15-R28 из ряда E24 [6]:

МЛТ – 0,25Вт – 2,4 кОм ± 5 %

Нагрузочный резистор R29 предназначен для ограничения тока, протекающего через светодиод оптопары D39 от источника V_DD=+24B. В соответствии с документацией на оптопару К293ЛП1 [2] ток протекающий через светодиод оптопары I_VD= 10 мА, при этом падение напряжения на нем, определяемое по вольтамперной характеристике [4], составляет U_VD=1,4 B.

Значение нагрузочного резистора определяется по формуле [5]:

Ом (5)

Определим мощность, рассеиваемую на резисторе:

Вт (6)

По результатам расчетов выбираем резистор R29 из ряда E24 [6]:

МЛТ – 0,25Вт – 2,4 кОм ± 5 %

Резисторы R31 – R34, входящие в состав схемы подключения ЦАП D22, заданы производителем в документации на ЦАП [7]:

R31=20 Ом, R32=20 Ом, R33=1000 Ом, R34=47000 Ом;

Определим мощность, рассеиваемую на резисторах:

Вт (9)

Вт (10)

Вт (11)

Вт (12)

По результатам расчетов выбираем резисторы R31- R34 из ряда E24 [6]:

МЛТ – 0,25Вт – 20 Ом ± 5 %

МЛТ – 0,25Вт – 20 Ом ± 5 %

МЛТ – 0,25Вт – 1000 Ом ± 5 %

МЛТ – 0,063Вт – 47000 Ом ± 5 %

Резистор R37 ограничивают входной ток от источника питания V_CC=5B, подключенного к входу управления микросхем DD40.

Значение нагрузочного резистора определяется по формуле [1]:

1625000 Ом = 1.1 кОм

Определим мощность, рассеиваемую на резисторе:

Вт

По результатам расчетов выбираем резистор R37 из ряда E24 [6]:

МЛТ – 0,063Вт – 1.1 кОм ± 5 %

Резисторы R40-R43 ограничивают входной ток от источника питания V_CC=5B, подключенного к входу управления микросхем DD15-DD18.

Значение нагрузочного резистора определяется по формуле [1]:

1625000 Ом = 227 Ом

Определим мощность, рассеиваемую на резисторе:

Вт

По результатам расчетов выбираем резисторы R40-R43 из ряда E24 [6]:

МЛТ – 0,125Вт – 240 Ом ± 5 %

Емкость керамических конденсаторов C2, C8, C9, входящих в состав схемы подключения ЦАП D22, задана производителем в документации на ЦАП [7]:

С2=33 пФ; С8, С9=0,1 мкФ,

Выбираем керамический конденсатор С2 из ряда Е24 [6]:

К10 – 17Б – 5B – 33 пФ ± 5 %

Выбираем керамические конденсаторы С8, С9 из ряда Е24 [6]:

К10 – 17Б – 5B – 0,1 мкФ ± 5 %

Емкость электролитического конденсатора C1, входящего в состав схемы подключения ЦАП D22, задана производителем в документации на ЦАП [7]:

С1=4,7 мкФ

Выбираем электролитический конденсатор С1 из ряда Е24 [6]:

К53 – 4 – 6.3В – 4,7 мкФ ± 5 %

Резисторы R35, R36, входящие в состав схемы подключения АЦП D21, заданы производителем в документации на АЦП [8]:

R35=3000 Ом, R36=5.1 Ом;

Определим мощность, рассеиваемую на резисторах:

Вт (13)

Вт (14)

По результатам расчетов выбираем резисторы R35- R36 из ряда E24 [6]:

МЛТ – 0,063Вт – 3000 Ом ± 5 %

МЛТ – 0,063Вт – 5.1 Ом ± 5 %

Емкость конденсаторов С3 , С5– С7 входящих в состав схемы подключения АЦП D21 задана производителем в документации на АЦП [8]:

С3, С5, С7 =0.1 мкФ , С6=4.7 мкФ

Выбираем керамические конденсаторы С3, С5, C7 из ряда Е24 [6]

К10 – 17Б – 5B – 0.1 мкФ ± 5 %

Выбираем керамический конденсатор С6 из ряда Е24 [6]

К10 – 17Б – 5B – 4,7 мкФ ± 5 %

Емкость электролитического конденсатора C4, входящего в состав схемы подключения АЦП D22, задана производителем в документации на АЦП [8]:

С4=4,7 мкФ

Выбираем электролитический конденсатор С2 из ряда Е24[6]:

К53 – 4 – 6,3В – 4,7 мкФ ± 5 %

Расчет фильтров питающего напряжения

В данном модуле используются 2 фильтра питающего напряжения: для цифрового источника питания V_CC=5В и V_CC 1=+5В. Каждый из них выполняет два типа фильтрации: подавление высокочастотных (ВЧ) помех, возникающих в результате переключения микросхем, и низкочастотных (НЧ) пульсаций в цепи питания. Фильтр высоких частот будем рассчитывать на частоту 20 кГц, низкочастотный фильтр рассчитывается на промышленную частоту 50 Гц.

Фильтр питающего напряжения цифрового источника содержит 36 фильтрующих конденсаторов С10 – С46 (по одному на каждую микросхему DD1 – DD20, DD23, DD24, DD32 – DD45 для подавления высокочастотных помех), включаемых между выводами питания микросхем и общим проводом GND в непосредственной близости от самих микросхем, и один общий полярный конденсатор С47, предназначенный для сглаживания низкочастотных пульсаций.

Расчет емкости конденсаторов фильтра питания производится по уравнению резонанса [9]:

(15)

где U – напряжение питания,

R_Н – сопротивление нагрузки, Ом;

Таким образом, емкость конденсатора определяется следующим выражением:

(16)

Произведем расчет емкости конденсаторов С10 – С45 для частоты f = 20 кГц.

Поскольку потребляемый разными микросхемами ток различается почти на порядок (таблица 22), разобьем все микросхемы на две группы: в первую группу войдут микросхемы, потребляющие ток до 10 мА включительно (DD2-DD9, DD13, DD14, DD32-DD43, DD45), во вторую группу – более 10 мА (DD1, DD10-DD12, DD15-DD20, DD23, DD24, DD44).

Ток, потребляемый микросхемами, находим с использованием справочных данных [1] и [2], при этом выбираем максимально возможные значения и заносим их в таблицу 2 и таблицу 3.

Таблица 2

Позиционное обозначение	Серия, тип микросхемы	Iпот, мА	Кол-во	Итого
DD2 - DD4, DD7	КР1533ЛП5	5,9	4	23,6
DD5	КР1533ЛА2	0,9	1	0,9
DD6	КР1533ЛА1	1,5	1	1,5
DD8	КР1533ИД7	10	1	10
DD9, DD43	КР1533ЛЕ1	4	2	8
DD13, DD14	КР1533ЛЛ1	4,9	2	9,8
DD32 - DD38	К293ЛП6Р	10	7	70
DD39	К293ЛП1	10	1	10
DD40	КР1533ТВ6	4,5	1	4,5
DD41	КР1533ЛИ1	4	1	4
DD42	КР1533ЛН2	3,8	1	3,8
DD45	КР1533ЛН1	4,2	1	4,2
Итого			23	149,3

Таблица 3

Позиционное обозначение	Серия, тип микросхемы	Iпот, мА	Кол-во	Итого
DD1, DD44	КР1533ЛП16	10,6	2	21,2
DD10, DD11, DD23, DD24	КР1533ИР23	28	4	112
DD12, DD19, DD20	КР1533АП14	28	3	84
DD15 - DD18	КР1533ИЕ7	22	4	88
Итого			13	305,2

Определим емкость конденсаторов для микросхем первой группы, для этого вычислим средний потребляемый этими микросхемами ток, используя справочные данные (таблица 22):

Затем найдем сопротивление нагрузки первой группы по формуле:

Определив сопротивление нагрузки, можем рассчитать значение емкости для конденсаторов C10 – C33 по формуле (16):

В результате расчетов выбираем керамические конденсаторы C10 – C32 из ряда E24 [6]:

К10 – 17Б – 5В – 2.2 нФ ±5%.

Аналогичным образом определим емкость конденсаторов C34 – C46 для микросхем второй группы:

В результате расчетов выбираем керамические конденсаторы C34 – C46 из ряда E24 [6]:

К10 – 17Б – 5В – 8.2 нФ ±5%.

Определим значение емкости конденсатора C46, приняв частоту f = 50 Гц. Суммарный потребляемый микросхемами ток определяется выражением:

Подставив это значение в формулу (15), определим общее сопротивление схемы:

Емкость конденсатора С47:

В результате расчетов выбираем электролитический конденсатор C47 из ряда E24 [6]: К53 – 4 – 6,3В – 62 мкФ ± 5 %.

Рассчитаем емкость конденсаторов C48 – С54, фильтрующих ВЧ помехи, для источника Vcc1=+5В. Из технических характеристик возьмем значение тока, потребляемого микросхемами D25-D31: I_ПОТ=10 мА;

Далее найдем сопротивление нагрузки микросхем по формуле (15):

Рассчитаем значение емкости для конденсаторов C48 – C54 по формуле (16):

В результате расчетов выбираем керамические конденсаторы C48 – C54 из ряда Е24 [6]:

К10 – 17A – 5В – 3.3 нФ ±5%.

Рассчитаем емкость общего конденсатора C55, взяв суммарное значение тока, потребляемого микросхемами от источника Vcc1=+5В:

В результате расчетов выбираем электролитический конденсатор C55 из ряда E24 [6]:

К53 – 4 – 6.3B – 9.1 мкФ ±5%.

Рассчитаем емкость конденсатора C56 фильтрующего НЧ помехи, для источника 1,8 В. Далее найдем сопротивление нагрузки: R35=3000 Ом

Рассчитаем значение емкости для конденсаторов C56 по формуле (16):

В результате расчетов выбираем электролитический конденсатор C56:

К53 – 4 – 6.3B – 22 мкФ ±5%.

Рассчитаем емкость конденсатора C57 фильтрующего НЧ помехи, для источника 12 В. I=4 мА. Далее найдем сопротивление нагрузки: R=12/0,004=3000 Ом

Рассчитаем значение емкости для конденсаторов C57 по формуле (16):

В результате расчетов выбираем электролитический конденсатор C57:

К53 – 4 – 6.3B – 22 мкФ ±5%.

Определим емкость конденсаторов C15-C23 для микросхем DD2-DD10, DD18, для этого вычислим средний потребляемый этими микросхемами ток, используя справочные данные (таблица 22):

Затем найдем сопротивление нагрузки первой группы по формуле:

Определив сопротивление нагрузки, можем рассчитать значение емкости для конденсаторов C15 – C23 по формуле (16):

В результате расчетов выбираем керамические конденсаторы C15 – C23 из ряда E24 [6]:

К10 – 17Б – 5В – 3.3 нФ ±5%.

Определим значение емкости конденсатора C14, приняв частоту f = 50 Гц. Суммарный потребляемый микросхемами ток определяется выражением:

Подставив это значение в формулу (15), определим общее сопротивление схемы:

Емкость конденсатора С14:

В результате расчетов выбираем электролитический конденсатор C14 из ряда E24 [6]: К53 – 4 – 6,3В – 12 мкФ ± 5 %.

Определим емкость конденсаторов C25-C31 С33-С43 для микросхем DD11-DD17 DD1 , для этого вычислим средний потребляемый этими микросхемами ток, используя справочные данные (таблица 22):

Затем найдем сопротивление нагрузки первой группы по формуле:

Определив сопротивление нагрузки, можем рассчитать значение емкости для конденсаторов C25 – C31, С33-С43 по формуле (16):

В результате расчетов выбираем керамические конденсаторы C25 – C31 С33-С43 из ряда E24 [6]:

К10 – 17Б – 3.3В – 4.8 нФ ±5%.

Определим значение емкости конденсатора C24 C32, приняв частоту f = 50 Гц. Суммарный потребляемый микросхемами ток определяется выражением:

Подставив это значение в формулу (15), определим общее сопротивление схемы:

Емкость конденсатора С24:

В результате расчетов выбираем электролитический конденсатор C24 C32 из ряда E24 [6]: К53 – 4 – 6,3В – 14 мкФ ± 5 %.