150554 (Перетворювач СКЗ змінної напруги), страница 2

В залежності від вибраної швидкодії (час вимірювання встановлюється 0.1; 1 і 10 с) в приладі передбачено забезпечення чутливості , яка відповідає 4.5 ; 6.5 і 7.5 десятковим розрядам в межах 100 мВ ; 1 В ; 10 В ; 100 В , при цьому вимірювання здійснюється або в два такти , або в три такти , або в три такти з усередненням.

Вхідні наруги через перемикач П поступають на АЦП. В першому такті визначається два старших значущих розрядів. Інформація з виходу АЦП через МП поступає на вхід ЦАП1 . На виході ЦАП1 формується різницевий сигнал , який через перемикач П поступає на вхід АЦП. В другому також відбувається перетворення отриманої різниці в код і визначення двох наступних значущих розрядів . Цей код поступає на ЦАП2. На виході ЦАП2 формується різниця між вихідними напругами ЦАП1 і ЦАП2. Отримана різниця в третьому такті через перемикач П перетворює АЦП в код , який поступає в МП . Мікропроцесор використовується як для управління АЦП і ЦАП, так і для отримання результативного коду. Для підвищення точності в приладі передбачено усереднення від 10 до 100 вимірювань.

Спрощена структурна схема програми вимірювання показана на рис.1.2.2 . Обчислення N_x – N_др відповідає проведенню корекції адитивної похибки. Ця операція проводиться в будь-якому режимі вимірювання. При роботі приладу в три такти вимірювання (n1=1) або при роботі з усередненням (n2 = 10...100) , коли необхідно забезпечити відповідно 6.5 і 7.5 десяткових розрядів , передбачена корекція мультиплікативної похибки – операція (ХК).

ні так

ні так

2. Опис структурної схеми проектованого пристрою.

Структурна схема – це ряд елементів , кожний з яких можна представити як окремий пристрій , що виконує свої визначені функції.

Розроблений пристрій повинен містити наступні структурні блоки :

1 Вхідний блок. Призначений для перетворення вхідної напруги до нормалізованого , яке можна подавати на вхід схеми АЦП. Крім цього даний блок узгоджує вхідний і вихідний опір схеми.

1. Блок АЦП. З допомогою якого відбувається перетворення значень напруги що поступає з вхідного блоку в код. N - розрядний вихідний код АЦП через буферні схеми подається на системну шину даних (ШД)

2. Блок арифметичних операцій. На даному етапі відбувається обчислення діючого значення напруги. Обчислення СКЗ здійснюється послідовністю арифметичних операцій , що реалізуються формулою :

U_скз = (1/M)_I=1^m*U₁² (2.1)

Даний блок реалізується в МП програмно

1. ROM (Read Only Memory) – постійна пам’ять , призначена для зберігання коду програм та деяких даних про систему (системних констант). ROM через шинні формувачі під’єднюється до системної шини даних ШД.

2. RAM (Random Access Memory) – необхідна для зберігання оперативних даних , результатів вимірів та ходу програми RAM підєднюється до ШД.

На рис. 2.1 зображена структурна схема пристрою перетворення СКЗ напруги спроектованого на базі МП комплекту.

МП – мікропроцесор;

СУ – сигнали управління;

СІ - системний інтерфейс;

ШУ – шина управління;

ШД – шина даних ;

ША – шина адреса.

3 Алгоритм роботи проектованого пристрою.

1 На вхід пристрою поступає гармонійний сигнал

U(t) = U_msin(t +),

Де U_m – амплітудне значення вхідної напруги ;

- кругова частота = 2 ;

- деяка початкова фаза сигналу .

1. Оскільки амплітуда вхідного сигналу лежить в межах 0.001-0.1 В її необхідно підсилити до рівня допустимого вхідного сигналу АЦП. Для цього використовується масштабуючий підсилювач напруги. Використання високочастотних елементів дає підставу знехтувати впливом похибки тракту перетворення напруги в напругу на сумарну похибку приладу.

Послідовне включення операційного підсилювача з 100% зворотнім зв’язком збільшує вхідний опір приладу до десятків МОм , що практично виключає спотворення вхідного сигналу самим пристроєм вимірювання.

1. На АЦП за час _з відбувається перетворення аналогового сигналу в N – розрядний код , який через буферні регістри зчитується по ШД мікропроцесором. Час дискретизації ₀ залежить від виду використовуваного АЦП. Кількість розрядів АЦП N – вибирається з умови забезпечення необхідної точності квантування .

2. Обчислення СКЗ напруги буде проводитись на підставі М вибірок (значень) величини U(t) виміряних протягом одного періоду напруги U(t)

М - кількість вибірок за період Т ;

H – крок інтегрування

За період Т в МП з АЦП поступає М вибірок , які записуються послідовно з RAM.

1. При поступленні М-ої (останньої за період) вибірки МП відключає АЦП від системної ШД і починає обробку прийнятих даних з метою обчислення СКЗ напруги. При цьому МП буде виконувати наступну послідовність дій :

• підсилення значення всіх вибірок до квадрату ;

• сумування квадратів вибірок ;

• ділення суми на кількість вибірок М;

• добування кореня квадратного з діленого.

1. Обчислений результат (діюче значення напруги) зберігається в спеціальній області оперативної памяті.

2. Для здійснення наступного виміру алгоритм починається з пункту 1.

Для обчислення інтеграла можуть використовуватись різні чисельні методи :

а) Метод прямокутників.

б) Метод трапецій :

с) Метод Сімпсона:

4 Розробка апаратної частини.

На даному етапі проектування особливу увагу слід приділити вибору таких основних компонентів пристрою як : АЦП, МП комплект , постійна память , оперативна память.

При виборі АЦП основним критерієм буде забезпечення необхідної точності перетворення аналогової величини в код.

Мінімальну кількість розрядів АЦП обчислюють за наступною формулою :

N = I*log₂(100/_кб)

Де _кб – середньоквадратична похибка квантування .

В наступному випадку маємо :

N = ]log₂(100/0.05)[= 11 ;

Крім необхідної кількості розрядів АЦП повинен мати статичну і динамічну похибки перетворення .

Цим вимогам задовольняє високоточний дванадцятирозрядний АЦП послідовного наближення К 1108 ПВ2

Коротка характеристика мікросхеми К 1108 ПВ2 :

• нелінійність _і = 2МР (молодших розрядів) ;

• диференційна нелінійність _ді = 1 (МР)

• час дискретизації 2,6 мкс ;

• напруга внутрішнього джерела опорної напруги 2,6 В;

• струми споживання І_сс1 =60 мА ; І_сс2=150 мА.

Центральний МП буде виконувати наступні функції :

1. Управління роботою пристрою;

2. Обробка даних, знятих з АЦП, з метою обчислення СКЗ напруги;

3. Запам’ятовування 2500 попередніх вимірів .

Враховуючи низьку частоту вхідного аналогового сигналу особливих вимог до швидкодії МП не ставиться. Пристрій в цілому повинен характеризуватися по таким параметрам :

а) простотою реалізації ;

б) простотою програмування;

в) дешевизною виконання;

г) малогабаритністю конструкції;

д) можливістю перепрограмування на виконання іншої задачі.

Взявши до уваги вище перелічені вимоги , а також з інших поглядів доцільним бачиться використання МП комплекту КР 580. Центральний процесор на базі МП КР580ИК80А , має 8-розрядну шину даних , 16 – розрядну шину адрес та 5- розрядну шину управління.

Спряження 12-розрядного АЦП та 8 розрядної системної ШД здійснюється за допомогою двох 8-розрядних регістрів памяті КР580ИР82. Таким чином 12- розрядний код АЦП розбивається на 2 слова по 8 біт.

Орієнтований розрахунок об”єму необхідної пам”яті.

В системі необхідно має бути постійна (ROM) та оперативна (RAM) пам”яті.

В ROM зберігається код програми , тому і об”єм постійної памяті і буде визначатись довжиною основної програми та всіх інших підпрограм.

Команди мови Асемблер мають довжину 1-3 байти. Знаючи сумарну кількість команд основної програми MAIN та памяті підпрограм (див розділ 6)

Можна обчислити об”єм необхідної ROM.

ROM=MAIN_LONG*3+SQRT_LONG*3+SUM_LONG*3+POWER_LONG*3+DIVISION_LONG*3+MAKE_SURE_LONG*3

При чому :

MAIN_LONG – кількість команд в основній програмі;

SQRT_LONG – кількість в програмі SQRT;

SUM_LONG – кількість в підпрограмі SUM;

POWER_LONG – кількість в підпрограмі POWER;

DIVISION_LONG – кількість в підпрограмі DIVISION;

MAKE_SURE_LONG – кількість в підпрограмі MAKE_SURE.

Підставивши чисельні значення дістанемо :

ROM=39*3+300*3+20*3+70*3+70*3+30*3=1587 байт

При виборі ВІС памяті ROM необхідно також врахувати те, щоб вона мала 8-розрядну шину даних (для спряження з МП комплектом , КР 580)

Враховуючи вище вказані вимоги до об”єму та способу спряження ROM доцільним є використання постійної памяті на базі ВІС К573РФ8

Коротка характеристика ВІС К573РФ8

- ємність 2048 (2 кБ);

- час вибірки адреси 350 мс;