Лекція 10. Програмно-апаратні засоби спряження з ПК

Розробка блоку автоматичної аттенюації

Динамічний діапазон вихідного сигналу хроматографічної системи з детектором ПИД складає 10^-6/10^-13=10⁷, а діапазон вихідного сигналу для блоку АЦП для забезпечення точності перетворення аналогового сигналу не менш 30,458дБ з урахуванням похибок МС АЦП складає 103: 10-13-10-10А, 10-11-10-8А, 10-9-10-6А. Тобто одержали три перекриваючихся піддіапазона.

Відповідно до структурної схеми сигнал хроматографа через підсилювач і аттенюатор надходить на блок АЦП. Задача переключення піддіапазонів складається у відповідному зміні коефіцієнта підсилення підсилювача, оскільки вихідна напруга останнього, будучи вхідним для блоку АЦП, пропорційно вхідному струму (струму ДИП). Коефіцієнт підсилення визначається за формулою. Тому регулювати коефіцієнт підсилення підсилювача будемо шляхом зміни величини опору зворотного зв'язку.

Максимальна вихідна напруга блоку "Підсилювач" складає 15В, тому можна одержати величини опорів для кожного з піддіапазонів (таблиця 10.1). Як відомо, при рівнобіжному підключенні одного резистора до іншого еквівалентний опір ланки зменшується. Тому зменшення коефіцієнта зворотного зв'язку підсилювача будемо здійснювати шляхом комутації паралельно включених опорів.

Таблиця 10.1. – Значення опорів ланки зворотного зв'язку підсилювача для кожного піддіапазону сигналу

Значення опорів знайдемо з рівнянь:

для піддіапазона 1: R1=R11;

для піддіапазона 2: R2=R11×R22/(R11+R22)ÞR22=R11×R2/(R11-R2) = =1011×10⁹/(1011-109)=1,01×10⁹ Ом;

для піддіапазона 3: R3=R2×R33/(R2+R33)ÞR33=R2×R3/(R2-R3)= =109×10⁷/(10⁹-10⁷)=1,01×10⁷ Ом.

Ключі SA22 і SA33 повинні переключатися автоматично при досягненні вихідної напруги підсилювача деяких значень Uусmin і Uусmax, тобто необхідно розробити схему керування ключами.

Синтез схеми керування зробимо, використовуючи елементи теорії про цифрові автомати, оскільки ця схема керування являє собою пристрій для прийому, передачі і перетворення дискретної інформації з визначеного алгоритму, тобто є цифровим автоматом.

Вхідний алфавіт розроблювального автомата складається з трьох можливих вхідних сигналів:

х1 - вхідний сигнал підсилювача Uусmin£Uус<Uусmax;

х2 - вихідний сигнал підсилювача Uус£Uусmin;

х3 - вихідний сигнал підсилювача Uус³Uусmax.

Вихідний алфавіт цифрового автомата також визначається трьома сигналами:

у1 - ключі SA22 і SA33 розімкнуті;

у2 - ключ SA22 замкнуть, а SA33 розімкнуть;

у3 - обидва ключі замкнуті.

Алфавіт станів автомата:

S1 - піддіапазон 1 (ключі розімкнуті);

S2 - піддіапазон 2 (SA22 замкнуть, SA33 розімкнуть);

S3 - піддіапазон 3 (усі ключі замкнуті).

Сполучена таблиця (таблиця переходів і виходів) цілком визначеного розроблюваного автомата Мура представлена нижче.

Таблиця 10.2. - Сполучена таблиця для цілком визначеного автомата Мура

Для наступного рішення задачі необхідно провести кодування вхідних і вихідних станів автомата і його станів. Результати приведені в таблиці 10.3.

Таблиця 10.3. – Кодування вхідних, вихідних сигналів і станів цифрового автомата

Заміна таблиці переходів автомата на структурну приводить до того, що функція переходів Sp=Sp{Si,xj} стає векторної і структурний автомат повинний запам'ятати двійковий вектор кожного чергового стану автомата. З цією метою в стуктурном автоматі застосовуються елементи пам'яті. Найпростішими елементами пам'яті є автомати Мура, до яких можна віднести D-, T-, RS- і JK-тригера. Синтезований автомат буде упрвлять ключами SA22 і SA33; як комутатори як цифрових, так і аналогових сигналів часто застосовуються мікросхеми КМОП. Серед триггерних МС КМОП найбільш популярні D-тригери, що тактируются як за рівнем, так і по перепаду тактового сигналу на З-вході. Таблиця переходів для D-тригера представлена в таблиці 10.4.

Таблиця 10.4. – Таблиця переходів для D-тригера

Для переключення елементів пам'яті з одного стану в інше необхідно на їхні інформаційні входи подати вхідні сигнали. Вхідні інформаційні сигнали u елементів пам'яті формуються за допомогою комбінаційних схем порушення автомата. При переході елементів пам'яті з одного стану в інше на їхніх виходах з'являються відповідні сигнали, що є вихідними сигналами тільки цих елементів, а вихідні сигнали w автомата формуються за допомогою комбінаційних схем виходу автомата.

Сполучена таблиця для проектованого автомата з використанням двійкових кодів приведена нижче.

Таблиця 10.5. – Таблиця переходів і виходів автомата з використанням двійкових кодів.

Розглядаючи спільно таблиці переходів цифрового автомата і D-тригера, одержуємо таблицю порушень автомата:

Таблиця 10.6. – Таблиця порушень цифрового автомата

Отже, на елементи пам'яті потрібно подати такі сигнали:

;

З таблиці виходів автомата (таблиця 10.7) вихідні сигнали останнього

Таблиця 10.7. – Таблиця виходів автомата

Визначаються наступними вираженнями:

;

У якості максимальної і мінімальної вихідної напруги підсилювача Uусmax і Uусmin, при яких повинно відбуватися зміна коефіцієнта підсилення, вибираємо 5 і 0,02В відповідно. Такий підхід забезпечує гистерезис характеристики переключення системи "Підсилювач-Аттенюатор".

При досягненні вихідної напруги підсилювача величини 5В коефіцієнт підсилення останнього зменшується в 100 разів, тобто вихідна напруга підсилювача стане рівною 5/100=0,05В. Якщо тепер сигнал хроматографа стане зменшуватися, то зміна піддіапазона відбудеться при досягненні вихідного сигналу підсилювача 0,02В. З іншого боку, при досягненні сигналу підсилювача рівня 0,02В переключення коефіцієнта підсилення підсилювача збільшить його до 2В; якщо ж хроматографічний сигнал почне збільшуватися, те переключення на попередній піддіапазон відбудеться вже при вихідній напрузі підсилювача 5В.

Рисунок 10.1. – Зміна вихідної напруги підсилювача при переключенні піддіапазонів його вхідного сигналу (а) і характеристика струм детектора – опір зворотного зв'язку підсилювача (б).

Вихідні сигнали розробленого автомата керують комутаторами аналогових сигналів. Через малі вихідні струми і великий опір детектора ПИД у якості коммутирующих пристроїв будемо використовувати високоомні реле РЭС-42 з такими основними параметрами: опір обмотувальних проводів 820 Ом, максимальний струм, що комутирується, 0,25А, напруга спрацьовування не більш 6,5В, напруга відпускання не менш 1,2В, номінальне робоче - 12В, час спрацьовування і відпускання не перевищує 1 і 0,3мс відповідно, число спрацьовувань не менш 10⁶. Струм в обмотці реле складає 12В/820Ом=0,0147А, тому безпосереднє керування реле за допомогою розробленого автомата неможливо. Тому включення реле будемо здійснювати за допомогою комутатора ДО561КТ3 шляхом подачі на вхід дозволу проходження сигналу останнього одного з виходів автомата. Для ДО561КТ3 опір включеного каналу складає 80±5 Ом, час переключення близько 1мкс, опір входу керування – 1012 Ом.

Виходячи з перерахованих параметрів реле і МС ДО561КТ3 одержуємо таке рівняння для вибору величини опору резистора в обмотувальному ланцюзі реле РЕС-42:

;

Для подачі вхідних сигналів на розроблений цифровий автомат необхідно перейти від безупинного представлення вихідного сигналу підсилювача до дискретного; для входу х1: х1 = 1 при Uвих вус³5В, х1 = 0 при Uвих вус<5В; для входу х2: х2 = 1 при Uвих вус<0,02В и х2 = 0 для Uвих вус³0,02В. Для цієї мети будемо застосовувати компаратори. На один вход компаратора будемо подавати вихідний сигнал підсилювача, а на іншій – опорний потенціал (5В и 0,02В). При виборі МС компаратора варто звертати увагу на його сумісність з цифровими КМОП МС, малі вхідні струми і струм споживання, час установлення, також бажана наявність в одному корпусі декількох компараторів.

Поставленим вимогам відповідає МС ДО1401СА3, що має такі параметри: Uип=+1,5…+16,5У, Uсм=5мВ, Iвх£250мА, Iвих³6мА, tуст=3мкс, Iпот=2,5мА, у корпусі DIP 8 мається два компаратори. Подачу опорних рівнів напруги будемо здійснювати за допомогою дільників напруги. Відомо, що опору, що підключаються до входів компаратора варто вибирати по можливості однаковими, оскільки в противному випадку вхідні струми компаратора створять різні спадання напруги на цих опорах і між входами компаратора з'явиться диференціальний сигнал. Вихідний опір підсилювача внаслідок наявності глибокої рівнобіжний ООС по напрузі і великому коефіцієнті підсилення цього підсилювача без ОС дуже мало. Тому значення опору R2 візьмемо 10 кОм, тоді

Аналогічно при R4=10 кОм:

Частота подаваних на D-тригера фронтів імпульсів визначається часом затримки поширення сигналу в самому тригері (100мкс для ДО176ТМ1), логічних елементах (60-100 нс), часом установлення компаратора (tустСА=3 мкс), часом спрацьовування (відпускання) реле (1мс і 0,3мкс) і коммутирующих їхніх ключів КТ3 (час переключення 1мкс) і часом установлення вихідного сигналу підсилювача після переключення його коефіцієнта підсилення.

Максимальний час затримки поширення сигналу в розробленому аттенюаторе визначається максимальним tзд логічних елементів, розташованих після тригерів і виходи яких керують ключами КТ3, часом спрацьовування реле РЭС-42, tустСА, максимальним tзд логічних елементів, розташованих між виходами компараторів і інформаційних входів тригерів: (100 нс+80 нс)+1мс+3мкс+(55 нс+60 нс+60 нс)=1,0034 мс. Час установлення підсилювача визначимо через постійну часу фільтра підсилювача RфCф=5,3×10^-3мс, час установлення 4×5,3×10^-3=20,1 мс.

Автогенератор буде складатися з двох інверторів ДО561ЛН2. Період симетричного меандру Т=2,2×R1C1, при цьому повинні дотримуватися такої умови: R1=R2, R3=R4, R3>>R1, T>400 нс. При номіналах елементів R1=R2=300 кОм, R3=R4=1 МОм, З1=З2=33 нф період імпульсів буде складати 22,2 мс.

Сигнал заборони перетворення будемо формувати за допомогою D-тригера, на тактовий вхід якого подамо сигнал генератора, а на вхід даних – виходу компараторів, з'єднаних по І.