1 Назначение и обоснование функциональной схемы

Ввиду того, что ЛКА собирает информацию с потенциометрических датчиков и далее оцифровывает и передает ее в магистраль моноблока, мною была разработана функциональная схема ЛКА. Функциональная схема ЛКА представленная на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 Схема функциональная ЛКА.

1.1 Описание узлов функциональной схемы.

В состав функциональной схемы ЛКА входят:

• коммутатор аналоговых сигналов (КОМ);

• аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

• вторичный источник питания (ВИП);

• масштабный усилитель (МУ);

• устройство согласования с магистралью (УСМ).

1. Коммутатор аналоговых сигналов.

Коммутатор служит для поочередного опроса источников аналоговой информации с динамическим диапазоном выходного сигнала от 0 до 6,25 В методом временного разделения каналов. Для обеспечения малых входных токов по каналам КОМ содержит операционный усилитель с Кус = 1. Сигнал АИМ1 с выхода КОМ поступает на вход масштабного усилителя, а с выхода МУ сигнал АИМ2 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя.

2. Аналого-цифровой преобразователь.

Аналого-цифровой преобразователь осуществляет преобразование информационного (аналогового) сигнала в сигнал в виде параллельного 8-ми разрядного двоичного кода.

3. Масштабный усилитель.

Масштабный усилитель необходим для приведения шкалы кодирования АЦП (Uш ацп = 9,95 В) к шкале динамических измерений прибора (Uш пр = 6,25 В), а также масштабный усилитель обеспечивает сдвиг нуля шкалы измерений на пять двоичных единиц вверх, что позволяет фиксировать отрицательные перегрузки на канальных входах коммутатора.

4. Вторичный источник питания.

Вторичный источник питания ВИП (термокомпенсированный линейный стабилизатор) служит для питания потенциометрических датчиков.

5. Устройство согласования с магистралью.

Согласующее устройство (УСМ) служит для приема адресной информации с магистрали, обеспечивает управление коммутатором, его фазировку, определяет начало запуска аналого-цифрового преобразователя и обеспечивает выдачу телеметрической информации в магистраль.

Магистраль содержит четыре сигнальных линии:

• Fт – тактовая частота (меандр 128кГц).

• КОД – последовательность 10-и разрядных слов, определяющая номер прибора, от которого ожидается получение информации, и сигнал фазировки этого прибора, определяющий начало отсчета нумерации каналов запрашиваемого прибора (коммутатора).

• НС – сигнал начала слова, служит для разбивки последовательности КОД на слова при дешифровке номера прибора.

• ИНФ – сигнал, по которому выдается информация запрашиваемого прибора.

1.2. Обоснование принципиальной схемы

1.2.1 Коммутатор представляет собой набор канальных элементов (микросхемы D17 - D24, D27 - серия 590).

На управляющие входы канальных элементов первой ступени коммутации подаются сигналы управления АС1, АС2, АС3 (D46:35,34,33).

На управляющие входы второй ступени коммутации (D27) подаются сигналы управления АС4, АС5, АС6 (D46:32,31,30).

Резисторы R1- R64 подключены к канальным входам для фиксации обрыва цепи датчика.

Каждый канальный вход коммутатора имеет схему защиты от электрической перегрузки (канальный диодный ограничитель – D1- D8, D9 - D16, D29, R66, R67, V4, V6). Резисторы R66, R67, диодная матрица D29, стабилитроны V3,V5 образуют резервированный источник опорного напряжения канальных диодных ограничителей.

Диодные матрицы D25, D26 служат для защиты шин питания микросхем первой ступени коммутации при случайной подаче напряжений датчиков на выключенный прибор.

Коммутатор двухступенчатый. Длительность опроса одного канального интервала не менее 78 мкс. На выходе коммутатора формируется сигнал амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). Элементы С1 и R71 образуют фильтр защиты от импульсных помех.

В состав коммутатора входит операционный усилитель ОУ ( микросхема - D30) с коэффициентом усиления по напряжению Кус = 1, необходимый для снижения величины паразитной емкости в общей точке на выходе коммутатора при автономной проверке прибора ТА261 (выводится сигнал АИМ через резистор R75) на автоматизированном рабочем месте. Наличие усилителя позволяет при этом не изменять быстродействие коммутатора и не вносить дополнительные помехи и емкость от кабельной сети рабочего места, подключаемой к выходу усилителя.

1.2.2 С выхода второй ступени коммутатора сигнал АИМ через ОУ и ограничитель R76, V9, V8 поступает на масштабный усилитель (МУ) ( D36, R78 - R81). Коэффициент усиления МУ выбран таким, что при напряжении на входе канального элемента Uвх.= 6,25 В на выходе АЦП формируется цифровое кодовое слово равное 250 дв.ед..

При Uвх. более 6,375В на выходе АЦП формируется кодовое слово равное 255дв.ед. , это необходимо для фиксации перегрузки канального входа или обрыва цепи датчика этого канала.

Сдвиг нуля шкалы измерений на 5 дв.ед. АЦП «вверх», т,е. 0 В входного сигнала кодируется 5-ю дв.ед., осуществляется подачей отрицательного напряжения на инвертирующий вход ОУ (D31:2), что позволяет фиксировать отрицательные перегрузки канальных входов.

С выхода МУ сигнал приведенный к шкале Uацп = 9,95 В поступает на вход АЦП. Динамический диапазон изменения выходных сигналов датчиков от 0 до 6,25 В передается выходным кодом от 5 до 250 дв.ед.

1.2.3 В качестве АЦП применяется десятиразрядная большая интегральная схема 1113ПВ1А, содержащая:

• источник эталонного напряжения;

• задающий генератор;

- цифроаналоговый преобразователь;

- нульиндикатор;

- выходной регистр (выходной сигнал - параллельный 10-ти разрядный код).

АЦП работает в ждущем режиме. В качестве сигнала разрешения работы АЦП используется сигнал «GP» (сигнал разрешения преобразования) с выхода микросхемы D46:26. По сигналу «GP» сбрасывается информация предыдущего кодирования, меняется полярность выходного сигнала «ГД» (сброс сигнала «ГД») и начинается процесс кодирования опрашиваемого канала, по окончанию кодирования сигнал «ГД» готовности разрешает считывание информации. АЦП работает по принципу взвешивания и тактируется от внутреннего задающего генератора микросхемы. Восемь старших разрядов выходного регистра и сигнал об окончании кодирования («ГД» – готовность данных) поступают на вход каскада УСМ (D46:41,1,2,3,4,5,6,7 и D46:25).

Время преобразования от переднего фронта сигнала «GP» до изменения полярности (Лог 0) сигнала «ГД» зависит от стабильности частоты задающего генератора микросхемы и может меняться от 30 мкс до 40 мкс.

В интервале времени между импульсами «GP» и «ГД» выходы буферного регистра (D42:9,8,7,6,5,4,3,2) находятся в «третьем» (отключенном) состоянии. На выходе АЦП формируется параллельный 10-ти разрядный код, в приборе используется восемь старших разрядов.

1.2.4 Устройство согласования с магистралью (УСМ) осуществляет выдачу сигнала запуска АЦП (GP) , прием закодированных 8-ми разрядных сигналов АЦП (Х1- Х8), прием сигнала завершения преобразования (ГД), выдачу информационного сигнала в магистраль моноблока. Одновременно УСМ формирует сигналы «Запрет» и «Подзаряд» для коммутатора, а также обеспечивает дешифрацию адреса прибора .

В состав УСМ входят следующие узлы:

- микросхема (D46) приема адресной и выдачи телеметрической информации (АТИ);

- схема формирования сигналов «Запрет» и «Подзаряд» (D28, D32, D34, D39, R83,R84,R85,R89,R90,V14);

- схема кроссировки номера прибора (D45) ;

- схема выходного каскада (D47.1; D47.2; R95 - R99; V18 - V20).

1.2.4.1 Подробное описание работы микросхемы АТИ приведено в документе «Инструкция по проверке и применению» ИВЯФ.431291.007И.

Структура сигналов, принимаемых от магистрали микросхемой АТИ (D46), представлена на рисунке 2.

Содержание разрядов адресной последовательности от магистрали (КОД):

- с 1-го по 4-ый разряды обозначают номер опрашиваемого прибора ;

- 5-ый разряд служебный и всегда имеет состояние Лог”0”;

- 6-ой разряд фазировки счетчика адреса коммутатора, при состоянии Лог «1» счетчик адресов коммутатора сбрасывается в ноль, а при состоянии Лог «0» счетчик адресов коммутатора переключается;

- с 7-го по 9-й разряды – “код служебной команды”, которая в приборе не используется;

- 10-ый разряд служебный и всегда имеет состояние Лог”0”.

При совпадении номера опрашиваемого прибора в адресной последовательности КОД с номером прибора закроссированным на соединителе Х4”1” микросхема АТИ в следующем словном интервале с вывода D46:26 выдает сигнал “Гашение и преобразование” (GP), равный по длительности одному символьному интервалу и занимающий положение 4-го разряда адресной последовательности КОД .

Переключение шести разрядов счетчика адреса (внутри микросхемы АТИ) на следующий адрес происходит по сигналу «ГД» (D46:25). В микросхеме D46 переключение счетчика адресов происходит только в случае совпадения номера прибора (выставляется кроссировкой) с номером опрашиваемого прибора, указанным в адресной последовательности КОД.

Параллельное списывание информации АЦП в регистр памяти микросхемы АТИ производится в интервале времени, равном второй половине 10-го разряда.

Выдача записанной с АЦП телеметрической информации по линии “ИНФ” через магистральный усилитель с вывода D46:40 производится последовательно с частотой Fт (Fт = 128 кГц). Если прибор не опрашивается, то выход D46:40 (Q) имеет «третье» состояние.

Сигнал «СТРОБ» с вывода D46:38 равен по длительности времени выдачи телеметрической информации в магистраль и служит для повышения надежности выходного каскада.

1.2.4.2 На время переключения канальных входов коммутатора формируется сигнал « Запрет» (D39:9).

Сигнал «Запрет» подается на первую ступень коммутатора (D17:2 - D24:2), это снижает вероятность взаимовлияния каналов за счет перезаряда паразитных емкостей в общих точках коммутатора.

На время действия сигнала «Запрет» на выход второй ступени коммутатора подается сигнал «Подзаряд» (D39:16), который заряжает внутреннюю емкость коммутатора до напряжения порядка 10В, что облегчает фиксацию обрыва цепи датчика.

На выходе микросхемы D35:11 формируется импульс длительностью 3,9 мкс, привязанный по времени к моменту переключения каналов коммутатора.

Этот импульс подается на управление двойным ключом (D39:10,15). На время действия управляющего импульса, напряжение с выхода ключа D39:16

(U=15В), поступает на делитель R83,R85, в средней точке этого делителя формируется напряжение порядка 10 В. Это напряжение через резистор R84 и диод V14 подается в общую точку коммутатора.

1.2.4.3 Сигнал телеметрической информации (Q) , действующий в течение времени выдачи телеметрической информации (строб SU) с выхода микросхемы АТИ (D46:40 и D46:38 соответственно), подается на шину магистрали через выходной каскад, представляющий собой транзистор с открытым коллектором. Схема магистрали представлена на рисунке 3.

1.2.5 Для питания потенциометрических датчиков, выходы которых подключены к канальным входам прибора, используется вторичный термокомпенсированный линейный стабилизатор ВИП1.

Питание узлов ВИП1 (Uвип1-1 = (15 ±1,5) В и Uвип1-2 = (-15 ±1,5) В обеспечивает моноблок.

Выходное напряжение источника ВИП1 равно Uэт = (6,25 ± 0,03) В во всех условиях эксплуатации при токе нагрузки до 100мА. Источник ВИП1 имеет по выходу защиту от короткого замыкания (КЗ). В режиме КЗ выходной ток ограничивается на уровне 150 мА. При снятии короткого замыкания по выходу источника ВИП1 выходное напряжение Uэт восстанавливается при штатном токе нагрузки.

Стабилитрон V1 и резисторный делитель R65,R68,R69,R73,R74 обеспечивает опорное напряжение Uоп = 6,25 В. Напряжение Uоп поступает на вход буферного усилителя D33: 3. С выхода D33: 6 опорное напряжение поступает на вход источника смещения нуля шкалы измерений R70, R72, D31, а так же на диод ограничителя по максимому V9 и на вход регулирующего усилителя источника «6,25В» D37: 2.

С выхода D37:6 выдается токовый сигнал, управляющий балансом токов на резисторе R87, напряжение с которого поступает на базу транзистора V16 схемы Дарлингтона и управляет величиной выходного напряжения, которое снимается с коллектора второго транзистора V15 схемы Дарлингтона через диод V17.

Управляющий усилитель (D37) получает информацию о величине выходного напряжения (Uэт) через резистор R100 на неинвертирующий вход D37:3.

Цепь R86, D41.2, D41.3 служит для ограничения тока нагрузки в случае короткого замыкания.

1.2.6 Питание цифровых микросхем прибора осуществляется от источника («+5В») моноблока.

Питание аналоговых микросхем и операционных усилителей осуществляется от источника («+/-21В») моноблока через линейный стабилизатор D44 (ВИП2) c выходными напряжениями:

Uпит1 = (15 ±0,3) В;

Uпит2 = (-15 ±0,3) В.