4.2. Преобразование аналогового напряжения в цифровой код при использовании в мпсу микропроцессора

Один из способов преобразования аналогового напряжения в цифровой код используется в микропроцессорной системе управления и диагностики (МСУД) с микропроцессором на электровозах ЭП1. Ячейки аналого-цифрового (АЦ) преобразователя размещены в блоке аналого-цифрового преобразователя в МСУД. В состав ячейки входит определенный набор микросхем, с помощью которых происходит преобразование напряжения в цифровой код.

Для формирования цифровых сигналов усиления импульсов по току на входе каждой отдельно взятой ячейки аналого-цифрового преобразователя (АЦП) установлены интегральные микросхемы (ИС) типа 564ЛН2, которые представляют собой шесть логических элементов с буферными (усилительными по току) выходами. Микросхемы изготовлены по технологии КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник). Микросхемы не имеют защитных диодов, подключенных анодами к шине питания, что позволяет подавать на вход микросхем напряжение, превышающее напряжение питания.

Условное графическое обозначение микросхемы 564ЛН2 приведено на рис. 4.1. Назначение выводов приведено в табл. 4.1.

Рис. 4.1 Условное графичес-кое обозначение микросхемы 564ЛН2		Таблица 4.1. Назначение выводов микросхемы 564ЛН2
		№ вывода Назначение вывода 1 Вход X1 2 Выход 3 ВходX2 4 Выход 5 Вход X3 6 Выход 7 Общий 0 В 8 Выход 9 Вход X4 10 Выход 11 Вход X5 12 Выход 13 Вход Х6 14 Напряжение питания UСС
Таблица 4.2. Таблица истинности одной ячейки микросхемы 564ЛН2
Вход Выход L H H L	L – состояние низкого логического уровня; H – состояние высокого логического уровня.

Краткие основные характеристики ИС 564ЛН2:

- диапазон напряжений питания: от 4,2 В до 15 В;

- предельное напряжение питания: от – 0,5 В до 18 В;

- номинальный диапазон рабочих температур: от – 60 ^оС до +125 ^оС;

- время задержки распространения сигнала при включении (выключении): не более 110(120) нс при U_cc = 5,0 В, U_IH = 5,0 В, U_IL = 0 В, C_L = 50 пФ, Т = 25 ^оС;

- выходное напряжение низкого уровня: не более 0,01 В при U_cc = 5,0 В, U_IH = 5,0 В, T = 25 ^оС;

- выходное напряжение высокого уровня: не менее 4,99 В при U_сс = 5,0 В, U_IL = 0 В, Т = 25 ^оС;

- предельное значение входного и выходного напряжения от – 0,5 В до (U_cc + 0,5) В.

Микросхема располагается в планарном корпусе и имеет 14 выводов. Для ИС необходимо лишь одно напряжение питания, поэтому она удобна как преобразователь уровней сигналов от КМОП ИС к ТТЛ ИС (транзисторно-транзисторной логики). В используемой ячейке АЦП U_cc = 5 В для ИС 564ЛН2.

Для преобразования аналогового напряжения в частоту импульсов в каждой ячейке АЦП установлена интегральная микросхема типа VFC110 корпорации «Burr-Brown», которая представляет собой высокочастотный преобразователь напряжения в частоту третьего поколения. Микросхема изготовлена по технологии КМОП. Упрощенная функциональная схема микросхемы VFC110 представлена на рис. 4.2.

В состав микросхемы (см. рис. 4.2) входят интегратор А, компаратор Б, одновибратор В, выходной транзистор типа n-p-n с открытым коллектором Г, переключатель Д источника опорного тока Е с управлением переключения от одновибратора В, источник опорного напряжения Ж. Все внутренние компоненты микросхемы настроены на полный диапазон выходной частоты (0 – 4) МГц при изменении напряжения на входе (0 – 10) В. Для работы микросхемы VFC110 в полном диапазоне частот ее необходимо подключить к внешним устройствам согласно рис. 4.2. Для работы VFC110 в полном диапазоне частот питание от аналогового источника напряжения ±15 В подается на выводы 10 и 4 соответственно. Выводы 10 и 4 связаны с общим аналоговым выводом «0 В –Аналоговая земля» через конденсатор помехоподавления C_p. Вывод 13 напрямую связан с выводом «0 В – Аналоговая земля». Входное напряжение подается от источника в пределах 0–10 В на выходы 2, 14 микросхемы, причем вывод 14 через специальную развязку связан с аналоговым выводом ОВ. Выводы 11, 12 соединяются между собой, а выводы 1,3,5 и 6 остаются свободными.

Вывод 8 частоты на выходе через нагрузочный резистор подключен к источнику логического напряжения +5 В. Вывод 7 VFC110 подключен к выводулогического источника «0 В – Логическая земля».

25

Рис. 4.2. Функциональная схема микросхемы VEC110 с подключением высших элементов для работы в полном диапазоне частот 4 МГц

Принцип работы преобразователя частоты VFC110 поясняется осциллограммами на выходах интегратора и одновибратора (рис. 4.3). Падение напряжения до 0 В на выходе интегратора приводит к срабатыванию компаратора и включению одновибратора (перепад из 1 в 0).

Рис. 4.3. Осциллограммы работы интегратора и одновибратора

При этом сигнал компаратора закрывает выходной транзистор и переключает источник опорного тока (–I_REF, см. рис. 4.2) на отрицательный вход интегратора. На выходе интегратора напряжение интенсивно нарастает до тех пор, пока одновибратор не отключается. С отключением одновибратора переключатель отключает источник опорного тока, а емкость интегратора начинает разряжаться током от входного источника через сопротивление 25 кОм. Как только емкость интегратора разряжается до 0 В, срабатывает компаратор, включается одновибратор, далее цикл работы элементов схемы повторяется.

При открытом состоянии одновибратора на коллекторе транзистора формируется выходной импульс. Частота импульсов определяется изменением входного напряжения источника. Так, для схемы рис. 4.2 при изменении входного напряжения от 0 до 10 В выходная частота изменяется от 0 до 4 МГц.

Остановить работу одновибратора можно путем подачи сигнала логического «0» на вывод 5. Логическая «1» на этом выводе разрешает работу преобразователя. Для уменьшения предельной частоты на выходе необходимо уменьшить входное напряжение и установить дополнительные элементы, рекомендованные фирмой-изготовителем VFC110.

Условное графическое обозначение микросхемы VFC110 приведено на рис. 4.4. Назначение выводов приведено в табл. 4.2.

Рис. 4.4 Условное графическое изображение микросхемы VFC110

Абсолютный максимум параметра напряжение питания: от +20 В до –20 В. Ток потребления выходной частоты: 50 мА. Компаратор напряжения: от
–5 В до +20 В. Вход разрешение: от +20 В до –20 В. Синфазное напряжение интегратора:
от –1,5 В до +1,5 В. Дифференциальное входное напряжение интегратора: от +0,5 В до
–0,5 В. Рабочая температура VFC110 в пластиковом корпусе: от –40 °С до +85 °С.

Таблица 4.2 – Назначение выводов микросхемы VFC110

№ вывода	Обозначение выводов	Назначение выводов
1	Вход IIN	Входной ток
2	Вход UIN	Входное напряжение
3	Вход +5VREFOUT	Выход опорного напряжения
4	Выход –VC	Uпит до 20 В
5	Выход Enable	Разрешение: 1 – «да»,0 – «нет»
6	Выход COC	Выход на конденсатор одновибратора
7	Выход DigitalGround	0 В логической схемы
8	Выход fOUT	Выход частоты
9	Выход NC	Свободный
10	Выход +VC	+Uпит
11	Вход ComparatorIn	Вход компаратора
12	Выход VOUT	Выход напряжения интегратора
13	Выход AnalogCommon	0 В аналоговый
14	Вход InputCommon	Вход аналоговый

Микросхема располагается в пластиковом корпусе ДИП (корпус с двухразрядным расположением выводов, по семь с каждой стороны),крепится к плате через отверстия, либо устанавливается в специальную розетку – цоколь.После преобразования аналогового напряжения в частоту выполняется вычисление количества импульсов. Для подсчета импульсов используются универсальные счетчики типа 564ИЕ10.

Рис.4.5 Условное графическое обозначение микросхемы 564ИЕ10

В одном планарном корпусе размещается два четырехразрядных счетчика. Микросхемы изготавливаются по технологии КМОП.

У

Таблица 4.4 – Состояние входов и выходов – таблица истинности

Входы			Операции
C	V	R
	1	0	Счет импульсов
0		0	Счет импульсов
	х	0	Счета нет
х		0	Счета нет
	0	0	Счета нет
1		0	Счета нет
х	х	1	На всех выходах 0

словное графическое изображение микросхемы 564ИЕ10 приведено на рис. 4.6. Назначение выводов приведено в табл. 4.3. Состояние входов и выходов приведено в табл. 4.4. Структурная схема одного счетчика приведена на рис. 4.7. При подаче сигнала «1» логически происходит сброс всех выходов в «0». При подаче сигнала перепада из «1» в «0» на вход перепада сигнала из «0» в «1» начинается счет импульсов до полного заполнения. При построении многоразрядных счетчиков с числом разрядов более четырех соединение микросхем 564ИЕ10 между собой проводится с последовательным формированием переноса логической «1». На вход С (выводы 1 или 9) следующего каскада счетчика подается высокий уровень с выхода Q4 (выводы 6 или 14) предыдущего каскада.

Таблица 4.3 – Назначение выводов

микросхемы 564ИЕ10

№ вывода	Назначение выводов
1	В ходС – счет
2	В ходV – разрешение
3	В ыход Q1
4	В ыход Q2
5	В ыход Q4
6	Выход Q8
7	В Краткие основные характеристики счетчика ИС 564ИЕ10: напряжение питания: 3 – 15 В; максимальный ток на один выход: до 40 мА; максимальная потребляемая мощность: 150 мВт; номинальный диапазон температур: от – 60 °С до +125 °С. ход R – сброс в «0»
8	Общий ОВ
9	ВходС – счет
10	Вход V - разрешение
11	Выход Q1
12	Выход Q2
13	Выход Q4
14	Выход Q8
15	Вход Rсброс в «0»
16	Питание Ucc

Рис. 4.6 Структурная схема одного счетчика 564ИЕ10

Для счетчика ИС 564ИЕ10 необходимо иметь лишь одно напряжение питания, в используемой ячейке АЦП U_cc=5В.

Результаты счета количества импульсов в параллельном коде записываются в регистры – временные хранители цифровых кодов. В рассматриваемой схеме АЦП МСУД используется регистр типа 588ИР1.

Рис. 4.7. Условное графичес-кое обозначение микросхемы 588ИР1

Микросхема 588ИР1 – это многофункциональный буферный регистр, предназначенный для применения в аппарате с жестко ограниченным энергопотреблением и массогабаритными характеристиками.

Микросхема выполняет следующие функции: запись байта, считывание байта с инверсией или без инверсии, формирование бита четности, контроль информации на четность.

Условное графическое обозначение микросхемы приведено на рис.4.7, назначение выводов – в табл.4.5, структурная схема показана на рис.4.8. Микросхема состоит из следующих основных блоков: восьмиразрядного регистра; блока формирование бита четности и контроля информации на четность; блока управления записью-считыванием информации; блока формирователей .

Таблица 4.5 – Назначение выводов микросхемы 588ИР1

Выход	Обозначение	Тип вывода	Функциональное назначение выводов
1	/ F	Вход	Контроль/формирование бита четности
2		Вход	Выборка кристалла
3		Вход	Сигнал «запись»
4		Вход	Сигнал «Чтение»
5		Вход	Сигнал «Сброс»
13-6	D1(0) – D1(7)	Входы	Разряды 0 – 7 канала D1
14	OV	-	Общий
15		Вход	Сигнал «Инверсия»
16-23	D2(7) – D2(0)	Выходы	Разряды 0 – 7 канала D2
24	PB	Вход/выход	Дополнение числа единиц в девяти разрядах до нечетного числа
25		Выход	Сигнал «Чтение выполнено»
26		Выход	Сигнал «Запись выполнена»
27		Выход	Сигнал «Ошибка»
28	Ucc	-	Напряжение питания

Микросхема работает в двух режимах: формирования сигналов и контроля четности данных.

Функционирование схемы разрешается наличием сигнала низкого уровня на вход . Считывание информации производится независимо от сигнала . При сигнале высокого уровня выход находится в состоянии «отключено».Запись информации происходит по отрицательному фронту сигнала WR. Если в режиме контроля обнаруживается ошибка по четности принимаемой информации, то запись не производится, и сигнал не формируется, формируется сигнал низкого уровня на выходе .Чтение информации происходит независимо от сигналов и . В случае, когда на выходе сигнал высокого уровня, выходы D0(0)-D0(7) устанавливается в состояние «выключено».

Сигнал сохраняется равным низкому уровню в случае возникновения ошибки в режиме контроля до тех пор, пока на входах К1(0) – К1(7) и BITсохраняется информация, вызывающая указанную ошибку.

Рис.4.8. Структурная схема микросхемы 588ИР1

В режиме контроля четности сигнал RD должен иметь высокий уровень.

Наличие на входе сигнала низкого уровня вызывает инверсию считываемой информации.

Все функции микросхема выполняет под управлением внешних сигналов синхронизации.

Микросхема изготовлена по технологии КМОП и располагается в металлокерамическом планарном корпусе. Микросхема имеет 28 выводов по 14 с каждой из двух сборов. Питание микросхемы: Ucc = 5 В ± 5%.

Предельно допустимые значения параметров и режимов эксплуатации:

- максимальное напряжение питания:Ucc = 5,5 В;

- входное напряжение низкого уровня: от 0 В до 0,8 В;

- входное напряжение высокого уровня: от (Ucc– 0,8) В до Ucc В;

- напряжение, прикладываемое к выходу: от 0 до Uп В;

- выходной ток низкого уровня: 0,8 мА;

- выходной ток высокого уровня: 0,4 мА;

- максимальная емкость нагрузки: 100 пФ;

- время фронта нарастания (спада) сигнала: 50 нс.

Ячейка аналого-цифрового преобразователя АЦ предназначена для преобразования аналоговых сигналов датчиков контролируемых параметров электровоза в двоичный цифровой код. Схема включения элементов ячейки для одного АЦП приведена на рис. 4.9. В основу принципа действия АЦ положено интегрирование в течение задаваемого интервала времени последовательности импульсов, частота которых пропорциональна амплитуде входного аналогового напряжения. Каждый канал состоит из преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) на микросхеме D8, двух счетчиков импульсов на микросхемах D9, D10, регистров памяти на микросхемах D11, D12 и инверторов на D7.

Канал АЦ работает следующим образом. Входной аналоговый сигнал от задатчика SM1 по проводу А33 поступает через входные резисторы R5, R6 на вход ПНЧ микросхемы D8. С приходом сигнала «Строб» от ячейки микроконтроллера МК по проводу А31 через инвертор D7.4 на вход Е начинается работа ПНЧ. Коэффициент преобразования ПНЧ составляет 40,96 кГц/В. Последовательность импульсов ПНЧ записывается в два восьмиразрядных счетчика на D9, D10, код которых поступает на входы регистра памяти D11, D12. Перезапись кода производится одновременно во всех каналах АЦ по фронту синхроимпульса границы интервала интегрирования (вход СИ). Сигнал СИ от ячейки формирователя сигнала ФС по проводу А30 подается на вход D7.3 инвертора и далее в виде сигнала подается на входы управления записью регистров D11.3, D12.3.

После записи кода в регистры на их выходах D11.26, D12.26 появляются кратковременные импульсные сигналы (запись закончена), устанавливающие счетчики D9, D10 сигналами RS1, RS2 от инверторов D7.5, D7.6 в исходные состояния, после чего в счетчиках снова записывается последовательность импульсов до появления нового синхроимпульса границы интервала интегрирования. Время интегрирования может корректироваться путем закрытия выходного ключа ПНЧ (по входу D8.5), для чего необходимо подать импульсы нужной длительности на вход «Строб» ячейки. По входу «Строб» производится коррекция одновременно во всех каналах. При превышении входным аналоговым сигналом величины 10 В появляется информация в следующих разрядах регистров, что соответствует режиму перегрузки входных датчиков. Всего в АЦ задействовано 16 разрядов. Нуль АЦ не регулируется и определяется смещением ПНЧ.

33

Р ис. 4.9. Схема аналого-цифрового преобразователя ячейки АЦ МСУД

Таблица 4.6 Подключение питания микросхемы
Поз. обознач.	Тип	Выводы питания
		0 В (А)	+5 В (В)
D7	564ЛН2	7	14
D9:D12	564ИЕ12	8	16
D11;D12	588ИР1	14	28

Подключение выводов питания микросхемы (рис. 4.9) сведено в табл. 4.6.

Коэффициент преобразования канала в пределах ± 5 % регулируется подстроечным резистором R5.

Считывание информации производится побайтно – старший байт, младший байт при подаче сигналов RDH1 и PDL1 соответственно от дешифратора команд (на рис. 4.9 не показан).

В ячейке АЦ смонтировано 8 аналогичных АЦП, с помощью которых в цифровой код преобразуются не только сигналы задатчиков, но и датчиков параметров работы ЭПС с аналоговым выходным напряжением.