Система автоматической подстройки частоты (стр. 2 из 3)
2.4 Аналого-цифровой преобразователь
Для аналого-цифрового преобразования использована микросхема К1113ПВ1А. Она представляет собой десятиразрядный АЦП последовательного приближения. Используются 7 старших разрядов. Микросхема характеризуется функциональной полнотой. Необходимы лишь два источника питания Uп1=5 В., Uп2=-15 В. Преобразование начинается при подаче низкого уровня напряжения на вывод 11. После окончания преобразования на выводе 17 появляется напряжение высокого уровня. Этот сигнал поступает в микроконтроллер и используется для проверки готовности данных. Выходные буферные устройства имеют три состояния, что позволяет их использовать для связи с шиной данных микроконтроллера. Уровни входных и выходных сигналов соответствуют уровням ТТЛ. Время преобразования не более 30 мкс.
2.5 Цифро-аналоговый преобразователь
Для цифро-аналогового преобразования использовалась микросхема К1108ПА2, которая является функционально законченным устройством и сопрягается с микропроцессорами. Используется однополярный режим преобразования входных данных без хранения. В этом режиме выводы 6, 1, 18 заземляются. Напряжение питания Uп1=5 В., Uп2=-6 В. Время преобразования 1.5 мкс.
2.6 Дешифратор
В схеме использован дешифратор КР1533ИД4. Это сдвоенный дешифратор 2-4 с отдельными разрешающими входами. Используется один из двух дешифраторов. Разрешающий вход является инверсным. Выходы дешифратора также инверсные. Так как управляющие сигналы для УВХ должны быть взаимодополняющими, к выходам дешифратора подключены инверторы. Для них выбрана микросхема КР1533ЛН1, имеющая в своём составе 6 инверторов. Время задержки распространения сигнала 15 нс.
2.7 Микроконтроллер
В системе микроконтроллер КР1816ВЕ51 (зарубежный аналог 8051АН серии MCS-51 фирмы Intel).
Он имеет ПЗУ емкостью 4Кб, ОЗУ емкостью 128 байт, 4 универсальных порта ввода-вывода, 8-разрядное АЛУ с аппаратной реализацией операций типа умножение, последовательный порт, два 16-разрядных программируемых счётчика таймера.
Каждая линия порта 0 при работе в качестве выходов обеспечивает нагрузочную способность, равную 8 входам маломощной серии LS TTL, каждая линия портов 1-3 – 4 входам.
Синхронизация микроконтроллера осуществляется с использованием внутреннего инвертирующего усилителя, который может быть превращен в синхрогенератор посредством подключения в выводам X1 и X2 внешнего кварцевого резонатора. Схема подключения резонатора и схема сброса при включении электропитания показана на рис.2.3.
Рис.2.3.Схема подключения резонатора и сброса.
Резистор R1 имеет сопротивление 8,2 кОм, конденсатор С3 имеет ёмкость 10 мкФ.
Кварцевый генератор имеет частоту 4 МГц.
2.8 Блок светоиндикаторов
2.9
Для индикации можно использовать четыре светодиода типа АЛ310Д.
3. НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ СИГНАЛОВ СХЕМЫ.
В схеме используются следующие сигналы:
входные сигналы:
· D1 – D4 – напряжение с датчиков частоты;
· PU1 – PU4 – напряжение установки с пульта оператора;
выходные сигналы :
· Uout1 – Uout1 – управляющие сигналы, выработанные САПЧ.
4. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ.
При включении питания схемы на вход RST МК через дифференцирующую цепочку подаётся сигнал высокого уровня и запускается процесс инициализации микроконтроллера.
После этого начинается опрос датчиков и сигналов с пультов оператора. Масштабный усилитель приводит диапазон напряжений к значению 0 – 5 В. В биты 0-2 порта Р0 выводится номер входа мультиплексора. Бит 3 порта Р0 управляет УВХ, стоящим перед АЦП, бит 4 управляет АЦП, бит 5 управляет дешифратором. В биты 4,5 сначала заносится 1, в бит 3 – 0. После переключения мультиплексора в бит 3 заносится единица и начинает работать УВХ в режиме выборки. По окончании выборки в биты 3,4 заносится 0. Начинается аналого-цифровое преобразование сигнала. Далее двоичный код заносится в семь младших разрядов порта Р1 МК. В старший разряд порта заносится сигнал готовности с АЦП. В бит 4 порта Р0 заносится единица, которая переводит выходные буферные устройства АЦП в высокоимпендансное состояние и отключает его от шины данных.
После ввода необходимых значений и их обработки происходит вывод управляющего сигнала. При этом в порт Р1 выводится двоичный код сигнала, который преобразуется в ЦАП в аналоговое напряжение. После преобразования в порт Р0 выводится номер канала, для которого предназначен управляющий сигнал. Этот номер поступает на дешифратор, который выберет УВХ соответствующего канала. УВХ запомнит значение и будет хранить его до следующей выдачи управляющего сигнала в данный канал. В бит 5 порта Р0 записывается единица, которая отключает дешифратор.
При отклонении текущей частоты более чем на 10 % от заданной, в бит порта Р2 с номером канала, в котором произошло отклонение записывается единица и загорается один из четырёх светодиодов, подключенных к этому порту.
5. Устранение помех в цепях питания
Для уменьшения наводок и падений напряжений, связанных с переходными процессами в шинах питания и земли применены индивидуальные сглаживающие конденсаторы. Емкость и количество распределенных по схеме сглаживающих импульсные помехи конденсаторов выбраны следующим образом: по одному керамическому конденсатору емкостью 0.1 мкФ на один корпус. Конденсаторы подключаются между шинами питания и земли и устанавливаются в непосредственной близости от обслуживаемых корпусов.
Кроме того, для компенсации бросков тока в системе питания непосредственно около разъема подачи питания установлены электролитические конденсаторы, по одному на каждую линию питания.
6. Оценка потребляемой мощности
Для проектируемой системы потребляемая мощность рассчитывается по следующей формуле:
Р=8 РК140УД6+РК590КН1+РКР1816ВЕ51+РКР1533ЛН1+5*РКР1100СК3+РК1113ПВ1А+РК1108ПА2+8*РКР1533ИД14,
Где Р – суммарная потребляемая мощность, Ртип микросхемы - мощность, потребляемая определённым типом микросхемы.
Максимальные потребляемые мощности для микросхем, используемых в САПЧ:
РК140УД6=84 мВт;
РК590КН1=70 мВт;
РКР1816ВЕ51=2 Вт;
РКР1533ЛН1=20 мВт;
РКР1100СК3=75 мВт;
РК1113ПВ1А=320 мВт;
РК1108ПА2=500 мВт;
РКР1533ИД14=65 мВт.
Суммарная потребляемая мощность, не более 3,1 Вт
7. Описание алгоритмов управления и индикации
Алгоритмы управления системой и индикации показаны в приложении 1.
Рассмотрим основной алгоритм работы системы (рис.1 приложения 1). При включении устройства начинается инициализация необходимых переменных. Номеру входа мультиплексора, с которого считывается значение, присваивается значение N равное числу каналов (N=4 – пульт оператора 1-го канала). Далее начинается опрос датчиков частоты и пульта оператора. В системе реализован циклический режим опроса. При этом режиме опрос осуществляется по заранее установленной программе, определяющей последовательность коммутации. Для каждого канала опрашивается сначала пульт оператора, затем датчик частоты. Обрабатывается 1-й канал, затем 2-й и т.д. После опроса всех каналов, снова начинает опрашиваться 1-й канал, и т.д.
Работа системы осуществляется следующим образом: устанавливается адрес памяти R0, по которому будет заносится 1-е значение, опрашивается вход I мультиплексора (пульт оператора ) , адрес памяти R0 увеличивается на 1, номер входа I уменьшается на N, опрашивается вход I мультиплексора (датчик частоты), происходит обработка данных, вывод результата, номер входа I увеличивается на N+1, происходит проверка: равно ли I значению 2*N+1, т.е. все ли каналы опрошены, если это условие выполняется, то I=N и всё начинается сначала с первого канала, если не выполняется, то I остаётся неизменным и всё повторяется для следующего канала.
Ввод значений с датчиков осуществляется процедурой INPUT.
Рассмотрим подробнее алгоритм этой процедуры (рис.2 приложения 1).
Сначала необходимо подготовить управляющее слово, которое будет содержать адрес опрашиваемого входа мультиплексора и сигналы, начинающие или запрещающие работу соответствующих микросхем. Для этого в младшие разряды слова помещается номер входа мультиплексора, 4-й бит и 5-й биты устанавливаются в 1, 3-й бит обнуляется. Тем самым запрещается работа УВХ с АЦП и дешифратора. Далее это слово выводится в порт 0. После окончания переходных процессов в мультиплексоре в 3-бит записывается единица, что начинает выборку сигнала на УВХ. После выборки в 3-й и 4-й биты записывается логический ноль, заканчивается выборка и начинается аналого-цифровое преобразование. После этого данные с АЦП считываются МК и проверяется старший бит считанного слова, который является флагом окончания преобразования. Если этот бит равен 0, то данные считываются снова, и так до тех пор, пока этот бит не будет равен 1. После этого необходимо отключить АЦП (обнулить4-й бит управляющего слова), тем самым отключить его от шины данных. В конце считанные данные заносятся в оперативную память.
Вывод управляющих сигналов осуществляется процедурой OUTPUT.
Рассмотрим алгоритм этой процедуры.
Сначала формируется управляющее слово. В младшие биты заносится номер обслуживаемого канала. 3-й бит равен 0 (УВХ перед АЦП отключено), 4-й бит равен 1 (АЦП отключен), 5-й бит равен 0 (разрешена работа дешифратора). Затем выводится двоичный код управляющего сигнала в порт 1 и начинается преобразование его в двоичный вид. После преобразования выводится управляющее слово в порт 0, номер канала дешифрируется и выбирается соответствующее УВХ, которое запоминает значение управляющего сигнала и сохраняет его до следующего цикла обработки этого канала.