Сергеев В. В. Дипломный проект

Оглавление.

Разрабатываемая плата двухкоординатного планшета предназначена для подачи на возбуждающую катушку питающего напряжения, преобразования сигналов с индуктосина в цифровой код и передачи полученных значений в ЦВМ. 17

Т.к. преобразование сигналов для каждой координаты происходит абсолютно одинаково, рассмотрим работу только одного канала. 17

Принятые сокращения: 17

НО1, НО2  нуль орган (компаратор). 17

По техническому заданию питание индуктосина осуществляется проектируемым изделием. Для выработки гармонического сигнала питания, для получения команд синхронизации работы всего устройства в схеме установлен кварцевый генератор, вырабатывающий импульсы с частотой F=8 МГц. На делителе частоты частота делится до частоты /2. Полученные на выходе делителя частоты /2  /2, взвешенные по степени 2, поступают на схемы обработки сигналов с индуктосина (в регистр ТО и др.). Дополнительно, частота F/24кГц поступает на фильтр низких частот, где преобразовывается в синусоидальный сигнал, усиливается и подается на катушку возбуждения индуктосина. 17

Датчик работает в амплитудном режиме с возбуждением от одной катушки возбуждения. На выходных обмотках индуцируется э.д.с. модулированная по синусоидальному закону функциями модуляции сдвинутыми по фазе для четырехфазного  0, 45, 90, 135; для трехфазного  0, 60, 120. Преобразование сигнала модулированного по амплитуде осуществляется на схеме интерполятора построенного по схеме фазовращателя гониометрического типа. Для чего необходимо входной системе векторов модуляции индукционной связи поставить в соответствие полную систему векторов электрических сигналов (см. раздел 1.6.). 18

На выходе четырехфазного индуктосина имеем: 18

; 18

; 18

Для трехфазного, соответственно: 18

; 18

Эти сигналы поступают на ФЧВ1 и ФЧВ2 соответственно, также на них подается с делителя частоты сигнал , где =2кГц. После соответствующих преобразований на выходах демодуляторов появляются сигналы вида: 18

; (1.3) 18

i = 1..4 - для 4-х - фазной обмотки, n = 4, 18

i = 1..3 - для 3-х - фазной обмотки, n =3 соответственно. 18

С n- фазных модуляторов сигналы поступают на суммирующий операционный усилитель 18

, (1.5) 18

а затем на фильтр. Фильтр выбран самосинфазируемым, для его автоматической подстройкой за входным сигналом, фильтр обладает повышенной температурной стабильностью и влагоустойчивостью. 19

Любая из координат представляется в виде 2-х индуктосинов. Причем один индуктосин делается длинной 4 дюйма - 101мм, 2-ой индуктосин имеет период повторения функции модуляции на 10% - больше 110мм. В качестве измерительного индуктосина ( точного индуктосина) берется 4-х дюймовый индуктосин с периодом L1=101,6мм, 2-ой индуктосин с периодом L2=111мм, будет использоваться для организации грубого отсчета. Разность набега фаз при перемещении головки возбуждения составляет 10%, т.е. при премещении головки возбуждения по 10-ти периодам точного индуктосина, разность фаз между 1-м и 2-м индуктосинами пройдет за 10 перемещений точного отсчета, т.е. электрическая редукция составляет 1/10. Следовательно т.к. поле индуктосина 12 дюймов 300мм, то точный отсчет пройдет 3 полных своих периода, а набег фазы между ТО и ГО составит 1/10 – 36 0. Этот набег фаз будет использоваться для организации грубого отсчета. Для точного отсчета информация снимается по переднему фронту НО 1-го индуктосина, и по методу стобирующей и бегущей метки производится запись информации в регистр ТО. Для организации кода ГО используется времяимпульсный метод измерения, при котором временной интервал образуется как разность между моментами срабатывания НО 1-го и 2-го индуктосинов и заполнения этого интервала импульсами тактовой частоты. По окончании заполнения этого интервала код переносится в регистр и является кодом ГО. 19

Полученный код грубого отсчета (5 двоичных разрядов) и код точного отсчета снимаются с разных кодовых шкал и имеют свои допуски на изменения. Так как ТО и ГО выполняются на различных измерительных шкалах, то возникает необходимость организации схем согласования между ГО и ТО. Для согласования отсчетов требуется код трех старших разрядов точного отсчета и трех согласующих разрядов грубого отсчета (младшие разряды кода ГО). Согласование происходит в схеме ППЗУ согласования ТО и ГО (см. раздел 1.9.), для чего на схему подается код грубого отсчета и три старших разряда точного отсчета. На выходе схемы имеем два двоичных разряда скорректированного кода грубого отсчета, согласованного с кодом ТО. Одновременно на выходе имеем сигнал рассогласования ГО и ТО. 19

Полученный 13-ти разрядный код текущей координаты через интерфейс RS-232С поступает в ЦВМ, где реализовывается в зависимости от выполняемой задачи. 19

Для обеспечения необходимой точности преобразования напряжений, напряжение смещения используемых ОУ не должно превышать 5 мВ. Рассматривая такие ОУ как выбираем 1401УД2А, имеющий следующие основные параметры: 21

U  5 мВ; 21

K  50000; 21

I  150 нА; 21

I  30 нА; 21

f = 1 МГц; 21

V=0,5 В/мкс; 21

Данный ОУ годен для использования в изделии. Следует учесть, также не маловажный фактор, что в 1401УД2А выполнено четыре ОУ в одном корпусе, что значительно снижает занимаемую площадь. 21

На плате используется аналоговый компаратор 521СА3, поскольку он имеет малое напряжение смещения 3 мВ. Кроме того, напряжение питания 521СА3 15 В, как и всех остальных аналоговых элементов платы, что не вызывает потребности в дополнительных источниках напряжения. 21

Для коммутации аналоговых напряжений рассматриваем такие аналоговые ключи как: 590КН4, 590КН6, 590КН7, выбираем аналоговый ключ 590КН4. Этот ключ обладает малым сопротивлением в открытом состоянии (75 Ом), малым временем переключения (150 нс). Более того в этой схеме данный ключ является более удобным. 21

В качестве микроконтроллера интерфейса используется микросхема PIC16C84 производства Microchip Technology Inc., простой в подключении и обладающий необходимыми параметрами по питанию, температуре и другим характеристикам. 21

U=5 В 10%; 21

35 однословных команд; 21

выполнение команд за один цикл (400 нс), кроме команд перехода (2 цикла); 21

рабочая частота до 10 МГц (в нашем случае 8 МГц генератора); 21

1024  14 командных слов электрически перепрограммируемой программной памяти; 21

13 линий ввода/вывода (5 линий порт А, 8  порт В) ТТЛ-типа; 21

наличие экономичного режима SLEEP. 21

Для согласования логических уровней интерфейса RS-232C и ТТЛ используется микросхема ADM222 производства Analog Devices, обладающая простотой подключения и необходимыми характеристиками: 21

U=5 В 10%; 21

логическому нулю в ТТЛ соответствуют -12 В (логический «0» для RS-232C); 21

логической единице в ТТЛ соответствуют +12 В (логическая «1» для RS-232C). 21

Для реализации логических схем использовались логические микросхемы серии 1533 (ТТЛШ), также в схеме используем регистры, мультиплексоры, триггеры той же серии, что дало возможность не согласовывать уровни напряжений логических «0» и «1» разных типов логики (например, ТТЛ и КМОП). 22

Для всех микросхем 1533 серии: 22

1.5 Работа 2-х координатного планшета по принципиальной схеме. 22

Рассмотрим последовательно работу платы двухкоординатного планшета  от генератора до интерфейса. 22

Генератор, построенный на кварцевом резонаторе BQ1 и микросхемах D39 и 22

D44, выдает на делитель частоты составленный из микросхем D45  D48 тактовые импульсы частотой 8 Мгц. С делителя частота 3,9 кГц поступает на фильтр низких частот с многопетлевой обратной связью с автоподстройкой частоты (D40  аналоговый ключ, D42  умножитель, D43  операционный усилитель 4 шт./корп.). Затем, выходной сигнал фильтра попадает на схему токовой запитки (D43.4, VT2, VT3) откуда подается через разъем Х3 непосредственно на катушку возбуждения. 22

Далее рассматриваем работу схемы обработки сигналов первой координаты (в скобках указаны компоненты, выполняющие описываемые функции для второй координаты). 23

Сигналы с индуктосинов (разъем Х1) поступают на ОУ, для 4-х фазного: D20, D23, D49, D50,(D82, D89, D90) для 3-х фазного: D2, D7(D68, D81) индуктосинов, далее сигнал идет на фазовращатель гониометрического типа построенном на демодуляторах и модуляторах, реализованных на тех же ОУ и ключах D51..D64.(D83..D88, D93..D99) Далее сигналы сдвинутые на заданный угол и модулированные по низкой частоте подаются на самосинфазируемые фильтры реализованные на ОУ D50, D67, D68(D92, D102), ключах D68, D69(D101, D104) и перемножителях D65, D66. Отфильтрованные и усиленные сигналы поступают на компараторы D13, D14 (D29, D30). 23

Далее сигналы с компараторов поступают на старт-стопную схему (D1, D3) счетчика грубого отсчета реализованного на микросхемах D8, D9, D12.1 (D24, D25, D28.1).Дополнительно, сигнал К11ТО (К21ТО) через схему защиты от «дребезга» (см. раздел 1.7.) на микросхемах D17, D4.4 (D33, D19.4) и D18, являясь тактовым сигналом записи кода ТО, подается на синхронизирующие входы микросхем D5 и D6 (D21, D22) составляющих регистр точного отсчета. 23

Затем, код грубого отсчета и три старших разряда точного отсчета поступают на схему согласования, реализованную на ППЗУ D11 (D27), ОУ D2.4 (D20.4) и логической микросхеме D12.2 (D28.2). После этого, по стробирующим сигналам с линии задержки на микросхемах D10 и D4 (D26, D19), происходит запись текущего 16-ти разрядного кода (14 разрядов ТО и 2 разряда ГО) в выходной регистр схемы обработки сигналов на микросхемах D15 и D16 (D31, D32). 23

Далее следует описать работу интерфейса, по которому происходит передача текущих координат в ЦВМ. Микроконтроллером интерфейса является микросхема производства Microchip Technology Inc. PIC16C84 (D38), обладающая всего тринадцатью линиями ввода/вывода. Нам же необходимо передать через микроконтроллер 32 двоичных разрядов (16 разрядов первой координаты и 16 разрядов второй координаты). Запись кодов происходит поблочно с помощью мультиплексоров D34D37. Эти микросхемы представляют собой сдвоенные мультиплексоры 4 в 1. Соответственно, запись кодов в микроконтроллер происходит следующим образом. В зависимости от сигналов SED1 и SED2, поступающих на управляющие входы мультиплексоров с микроконтроллера, в микроконтроллер считывается один из четырех блоков: 9 младших разрядов кода первой координаты, 7 старших разрядов кода первой координаты, 9 младших разрядов второй координаты, 7 старших разрядов кода второй координаты. Таким образом появляется возможность передавать код до 16-ти двоичных разрядов. 23

Т.к. уровни напряжений ТТЛ и логики RS-232C не совпадают, то появилась необходимость согласования уровней. Это реализовано на микросхеме производства Analog Devices ADM222 (D41). Далее, через разъем Х2, координат поступают на ЦВМ. 23

Не маловажным моментом является переключатель J1. Он позволяет, в зависимости от своего положения, передавать координаты двумя различными протоколами: оригинальным планшетным протоколом или единым «мышиным» протоколом. Это сделало проектируемое изделие достаточно универсальным. 23

24

со сдвигом фазы на 60и 120 - для 3-х фазного индуктосина соответственно, и сигналы вида : 24

, где =2кГц. 24

i = 1..4 - для 4-х - фазной обмотки, n = 4, 24

i = 1..3 - для 3-х - фазной обмотки, n =3 соответственно. 24

Эту проблему мы решаем схемотехнически. 24

Сдвиг фаз сигналов для модуляторов на 4-х фазной обмотке. 25

Сдвиг на 90 осуществляется по средствам операции сложения по модулю 2 1-го и 2-го разрядов (12). 25

Сдвиг на 45 осуществляется при помощи D – триггера, подавая на его вход Clk 3-ий разряд и сигнал сдвинутый на 90 вход Data. 25

Сдвиг на 135 осуществляется при помощи D – триггера, подавая на вход Data 1-ый и на вход Clk 3-ий разряды. 25

Сдвиг фаз сигналов для модуляторов на 3-х фазной обмотке. 26

Проведем следующий расчет: 26

26

На половине периода 1024 необходимо сдешифрировать точки А и В, то есть : 26

А==341,3...3, 26

В==682,7... 26

Раскладываем в двоичный код. 26

А=341,3 В=682,7 26

9р 512 0 1 26

8р 256 1 0 26

7р 128 0 1 26

6р 64 1 0 26

5р 32 0 1 26

4р 16 1 0 26

3р 8 0 1 26

2р 4 1 0 26

1р 2 0 1 26

0р 1 1 0 26

N= 0101010101 26

N= 1010101010 26

Проведем дешифрацию N и N совместно. Делим код на 2 разряда и видим, что нам нужно в 2-х разрядах опознать 01 или 10. 26

11р – 2048 квантов 27

10р - 1024 квантов 27

9р - 512 квантов 27

Соответственно схема будет выглядеть : 27

1.7 Работа схемы защиты от «дребезга». 35

Так как с выхода нульоргана возможно появление сигнала следующего вида: 35

Необходимо выровнять передний и задний фронт выходного меандра (защититься от дребезга), так как «дребезг» на выходе нульоргана не превышает 1-2-х тактовых импульсов (ТИ) можно использовать следующую схему защиты. Которая показана на рис. 35

Рис.1.7 Схема защиты от «дребезга». 36

Так как сигнал НО1 является тактовым сигналом записи кода ТО в регистр ТО, то в случае «дребезга» возможна некорректная работа регистра ТО. В схеме защиты от «дребезга» нам необходимо выделить фронт, по которому будет происходить запись в регистр ТО. 36

Сигнал с НО1 приходит на сдвиговый регистр, на информационные выходы и на вход RES (активный уровень «0»), когда на информационный вход приходит логическая «1» сдвиговый регистр начинает свою работу. В случае возникновения логического «0» на информационных входах, возникает активный уровень на входе RES и регистр приходит в исходное состояние (все информационные входы «0»). Если логическая «1» держится на информационных входах свыше 8-ми тактовых импульсов, то на выходе схемы защиты возникает импульс длительностью полтакта. 36

Временные диаграммы работы схемы защиты представлены на рис. 36

1.8 Самосинфазируемый фильтр. 37

Рис1.8.1 Структурная схема самосинфазируемого фильтра. 37

1.9 Формирование кода грубого отсчета. 38

Четырехфазный индуктосин имеет шаг 101,6 мм, а трехфазный  111 мм, т.е. на 10% больше. 38

Если измерять разницу между фазами четырехфазного и трехфазного индуктосинов, то когда первый проходит полный период (256,4 мкс), второй пройдет на 25,6 мкс меньше, т.е. период грубого отсчета в 10 раз меньше периода точного отсчета. 38

Период ТО 2048 импульсов (11 двоичных разрядов), за это время в грубом отсчете (разностная фаза) пройдет 204 импульса, что составит период грубого отсчета для согласования с точным отсчетом, т.е. импульсы в грубом отсчете должны идти в 25 раз реже (см. рис. 1.7.). 38

Рис. 1.9.1 Согласующие разряды грубого отсчета. 39

Предел измерений по обеим координатам составляет 300 мм, следовательно, в него укладывается 2,5 полных ТО. Значит, нам необходимо получить два двоичных разряда грубого отсчета, которые будут определять, сколько периодов точного отсчета было пройдено. 39

Рис. 1.9.2 Схема счетчика грубого отсчета. 39

Использованы следующие обозначения: 39

ТИ  тактовые импульсы; 39

НО1  выход первого нуль-органа (4-х фазный индуктосин); 40

НО2  выход второго нуль-органа (3-х фазный индуктосин); 40

R25  25-й тактовый импульс, сброс счетчика-определителя 25-х импульсов; 40

RГО  сигнал сброса всех счетчиков; 40

ГО  код грубого отсчета (1-2 разряды основной код, 3-5 разряды согласующие). 40

1.10 Исследование возможности использования ППЗУ для согласования точного и грубого отсчетов и коррекции кода грубого отсчета. 40

Очевидно что с уменьшением числа согласующих разрядов, погрешность возрастает, что предъявляет более тесные требования к точности канала грубого отсчета.43

1.11 Алгоритм согласования и коррекции кода грубого отсчета. 43

Исследование, аналогичное вышеизложенному, проведем для разрядного двухотсчетного преобразователя с коэффициентом преобразования. Максимальная ошибка определения разности R- Xто в этом случае равна : 43

1.13 Алгоритм формирования ПЗУ, реализующего схему согласования и коррекции отсчетов в двухотсчетном преобразователе. 50