electronica si interfete pentru sistemele incorporate · tranzistoare bipolare si cu efecte de...
TRANSCRIPT
Electronica si Interfetepentru sistemele incorporate
Interfeţe de proces
Tematica propusa
Circuite de iesire pentru comanda open collector push-pull (totem pole) high side drive, low side drive
Comutatia dispozitivelor electronice (diode si tranzistoare bipolare si cu efecte de camp)
saturatia si blocarea – stari si metode de optimizare a comutatiei PWM
Elemente de diagnoza.Detectarea scurt circuitelor la Vcc, la masa, a lipsei sarcinii, a contactelor
imperfecte….Abateri de la nivelurile prestabilite si/sau de la formele de unda normale
Interfete de proces
reprezintă conexiunea dintre sistemul de calcul şi dispozitivele de automatizare distribuite în procesul controlat
Functii indeplinite:• adaptarea semnalelor de intrare la specificaţiile tehnologiei digitale
utilizate (în mod uzual TTL sau CMOS); aceasta presupune adaptare de impedanţă, amplificare, filtrare, eşantionare şi diverse tipuri de conversii
• generarea semnalelor de ie şire conform specificaţiilor date de dispozitivele de automatizare către care se îndreaptă; şi această funcţie presupune adaptare de impedanţă şi de putere, amplificare şi conversii
• izolarea galvanic ă a semnalelor de intrare şi de ie şire , cu scopul de a proteja sistemul de calcul (partea inteligentă) de eventuale defecţiuni apărute în partea de proces şi care ar putea să distrugă componentele digitale (ex.: conectarea accidentală a unor tensiuni ridicate pe semnalele de intrare sau de ieşire, scurtcircuite, etc.)
• memorarea temporar ă a datelor• sincronizarea fluxului de date de intrare şi de ieşire cu viteza de lucru
a procesorului
Factori de care depinde structura unei interfete
numărul de semnale recepţionate şi transmise natura semnalelor:
• digitale sau analogice, • de tensiune sau de curent, • cu codificare pe nivel, în frecvenţă sau în lăţime de
impuls, etc.
domeniul de frecvenţă al semnalelor precizia de prelucrare a semnalelor tipul de magistrală la care se conectează
interfaţa
Moduri de transfer utilizate intr-o interfata
prin program – unitatea centrală controlează direct transferul de date, pe baza unei rutine de transfer
prin întreruperi – fiecare nou transfer este iniţiat prin activarea unui semnal de întrerupere; transferul propriu-zis se realizează de unitatea centrală printr-o rutină de întrerupere
prin acces direct la memorie – un circuit specializat, controlorul de acces direct la memorie, dirijează transferul între memorie şi interfaţă
prin procesor de intrare/ie şire – un procesor specializat, conţinut în interfaţă, se ocupă de transferul de efectuarea transferului
Schema de principiu a unei interfete de proces
Componente:• registre (porturi) de ieşire (RE)- pentru memorarea semnalelor de ieşire
• registre (porturi) de intrare (RI) – pentru citirea semnalelor de intrare• circuite de adaptare (CA) – adaptează semnalele de intrare şi de ieşire
• circuit de decodificare (Dec) – pentru selecţia registrelor de intrare şi de ieşire
AdreseDateComenzi
DecSelecţie RE
CA
RISelecţie
Magistrala sistem
CA CA CA CA CA
Tipuri de interfete
Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale• prin releu• prin optocuplor
• prin tiristor• comanda motor pas-cu-pas
• comanda motor de c.c.
Interfeţe de intrare pentru semnale digitale• prin releu• prin optocuplor
Interfeţe de ieşire pentru semnale analogice• circuite de conversie
Interfeţe de intrare pentru semnale analogice• circuite de conversie
Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale
circuit de ie şire digital ă prin releu• functionare• caracteristici:
• asigur ă o izolare galvanic ă foarte bun ă• pot fi comutate tensiuni şi curen ţi mari• componentele mecanice ale releului limiteaz ă frecven ţa semnalului de
ieşire (max. 1Hz)• comut ările frecvente provoac ă uzura prematur ă a releului
K
Circuit de for ţă
Consumator
Circuit TTLR1
R2
D1
T1
V
Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale
circuit de ie şire digital ă prin optocuplor• functionare• caracteristici:
• asigur ă o izolare galvanic ă bună • frecven ţa maxim ă a semnalului este mult mai mare (10KHz- 1MHz)• comut ările repetate nu afecteaz ă circuitul (num ăr nelimitat de cicluri)• puterea transmis ă este mic ă
Ieşire TTL Optocuplor
V1 V2
R2R1 R3Comandă
T
Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale
circuit de ieşire digitală prin tiristor• caracteristici:
• nu asigură izolarea galvanică a circuitului de comandă de circuitul de forţă
• există pericolul străpungerii tiristorului, ceea ce permite trecerea tensiunii din circuitul de forţă în partea de control
• consumatorul (elementul de acţionare) poate fi comandat în impulsuri
Circuit TTLR1
R2
T1
V V
t
t
Ur
Ur
R
Uc
Uc
T2
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitale
circuit de ieşire pentru comanda motoarelorpas-cu-pas• unipolare – curentul circula intr-un sens• bipolare – curentul circula in 2 sensuri
L1
L2
L3
L4
L1 L2 L3 L4
R1
R2
R3
R4
V
C1
C2
C3
C4
IeşiriTTL
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitale
comanda circuitului pentru motoarelor pas-cu-pas - unipolareC1
C2
C3
C4
varianta a. varianta b.
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitale
Comanda unui motor pas-cu-pas bipolar
L1
L2
V
C1
C2
T1
T2
T3
T4
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitale
circuit de ie şire pentru comanda motoarelor de curent continuu
V
C1
C2
T1
T2
T3
T4M
tura ţia
t
C1
C2
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitale
circuit de intrare digitală prin releu• functionare• caracteristici:
• izolare galvanică foarte bună• frecvenţa de comutare este limitată superior (aprox. 1 Hz)
• număr limitat de cicluri de comutare, datorită uzurii componentelor mecanice
R2 Intrare TTL
Circuit de for ţă
R1
DC
K
VV
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitale
circuit de intrare digitală prin optocuplor• functionare• caracteristici:
• izolare galvanică bună• dimensiuni reduse• frecvenţe de comutare relativ mari (1kHz- 100KHz)• număr nelimitat de cicluri de comutare
Intrare TTL
Optocuplor
V
R2R1
Vi
C
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogice
Canal analogic de iesire• registrul – memorează valoarea digitală a semnalului analogic• CD/A – convertor digital-analog – converteşte un semnal digital
într-o valoare analogică• FTJ – filtru trece jos – realizează filtrarea semnalului de ieşire,
atenuând trecerile bruşte între valorile de ieşire discrete• amplificator – adaptează semnalul analogic de ieşire conform unui
anumit standard de transmisie (tensiune, curent, impedanţă), sau conform cu specificaţiile dispozitivului de acţionare
• dispozitiv de acţionare – element de automatizare menit să influenţeze evoluţia unui proces
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogice
Canal analogic de iesire
• adaptor – transformă semnalul analogic într-o comandă către elementul de execuţie
• element de execuţie – dispozitiv care acţionează asupra unui parametru de intrare în proces (ex.: robinete, valve, motor electric, etc.)
Magistralasistem
Registru
CD/A FTJAmplif. Elem.
exec.
Adaptor
Disp. de execuţie
Interfa ţă de ieşire analogică
Circuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digital----analogiceanalogiceanalogiceanalogice
varianta 1• Caracteristicile circuitului de conversie:
• precizia de conversie este puternic influenţată de precizia sursei de referinţă şi de precizia rezistenţelor din reţea; o abatere de 1% a rezistenţei R7 are un efect echivalent cu aportul ramurii corespunzătoare bitului D0
• conversia este continuă în timp şi discretă ca valori de ieşire
10kΩ
1mA
D7
128*10kΩ1/128mA
D0
-
+
REref
10V
I=Σ Di*I i
Ue
2*10kΩ
1/2mA
D6
Circuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digital----analogiceanalogiceanalogiceanalogice
varianta 2• Caracteristici:
• schema este mai puţin sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor; este mult mai uşor să se realizeze rezistenţe de aceeaşi valoare
• datorită nivelelor multiple de comutare apar căderi de tensiune care modifică valoarea tensiunii selectate (fiecare comutator induce o cădere de tensiune)
D0 D1D2 D3
Uref
15/16Uref
14/16Uref
1/16Uref
Ue
Ue= n * (Uref/16) == (D0+D1*2+D2*4+D3*8)*
(Uref/16)
-
+
Circuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digital----analogiceanalogiceanalogiceanalogice
Varianta 3Ue = - R* Σ Ii =
= -R * ( Uref/ 2R+ Uref/4R+ ..+ Uref/2n+1R) =
= -Uref *( D0/2 + D1/4 + .. +Dn/2n+1)
Caracteristici:• precizia conversiei este mai puţin
sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor
• sursa de referinţă este permanent încărcată cu aceeaşi sarcină, indiferent de poziţia comutatoarelor, ceea ce reduce variaţia tensiunii de referinţă şi implicit creşte precizia conversiei
• tehnologic este mult mai uşor de realizat o reţea de rezistenţe care au doar 2 valori
Uref
R
R
2R
2R
2R
2R
1
0
I 0
I 1
I n
D0
D1
Dn
R
Ue
Convertoare cu modulaConvertoare cu modulaConvertoare cu modulaConvertoare cu modulaţie ie ie ie îîîîn lăn lăn lăn lăţime de impulsime de impulsime de impulsime de impuls
dezavantaje ale convertoarelor analogice:• tehnologia de realizare este complexă (combinaţie de tehnologie analogică şi digitală), schema este mai greu de integrat pe scară largă şi implicit preţul circuitului este mai ridicat
• precizia de conversie este influenţată de precizia referinţei de tensiune şi de precizia componentelor
• pentru controlul convertorului sunt necesare mai multe linii digitale de date
Conversia prin modulaţie în lăţime de impuls (eng. PWM – Pulse Width Modulation)• tehnologie pur digitala pentru a obtine un efect similar cu cel
produs de un semnal analogic• o singura iesire digitala este echivalenta cu un semnal
analogic• solutia: modularea in latime de impuls in functie de valoarea
iesirii
PWM
implementare: numarator reprogramabilsi cu autoinitializare
t
T
55%
T
80%
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogice
traductorul – dispozitiv conectat în proces şi care transformă variaţia unei mărimi fizice în variaţia unui semnal electric; traductorul se compune dintr-o parte de senzor şi un adaptor de semnal
amplificatorul – are rolul de a adapta semnalul de intrare la domeniul admis al convertorului analog-digital; în anumite cazuri este necesară izolarea galvanică a semnalului de intrare de restul circuitului
multiplexorul analogic (MUX) – permite comutarea mai multor intrări analogice la un singur convertor analog-digital
filtrul trece jos (FTJ) – are rolul de a limita frecvenţa semnalului de intrare; se consideră că acele componente de semnal care depăşesc o anumită limită de frecvenţă sunt generate de zgomote şi în consecinţă trebuie eliminate
circuitul de eşantionare/reţinere (eng. S/H – Sample and hold) – are rolul de a preleva eşantioane din semnalul de intrare şi de a menţine constantă valoarea eşantionată pe toată durata ciclului de conversie
InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogice
convertorul analog-digital (CAD) – converteşte un semnal analogic într-o valoare digitală
registrul de intrare (RI) – memorează valoarea convertită pentru a fi citită de procesor
Traductor
MUX
FTJ S/H CAD
Interfa ţa de intrare analogicăMagistrala
sistem
RI
Amp.
S
SelecţieMUX
Circuite de amplificare
• Pentru amplificatorul inversor:(Ue – Uref)/R2 = (Uref – Ui)/R1Ue= - R2/R1*( Ui – (1+R1/R2)*Uref)Ui= Ui_off +∆Ui ;
- Uref se regleaza astfel incat sa se elimine tensiunea de offset de la intrare (Ui_off = (1+R1/R2)*Uref)
Ue= -R1/R2* ∆Ui => R1/R2 = factorul de amplificare
-
+
UiUe
R1
V-
Uref
+
-
Ui
Ue
R1
R2
a. circuit inversor b. circuit neinversor
+
-Ue
Ui
c. circuit repetor
R2
V+
Amplificatoare de intrare
pentru amplificatorul neinversor:Ui = Ue* R1/(R1+R2)Ue = (1 + R2/R1)* Ui
comparatie intre cele 3 variante:Circuitul inversor:
amplificare controlabila prin R1 si R2, eliminarea offesetului prin Urefimpedanta de intrare este dependenta de rezistente
Circuit neinversor:iesirea este de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrareamplificarea este supraunitaraimpedanta de intrare este foarte mare
Circuitul repetor:amplificare unitara (egala cu 1)impedanta foarte marenu elimina offsetul
Circuit de intrare pentru semnale analogice
Izolarea galvanica a semnalului de intrare:• greu de realizat (cu optocuploare, cu transformatoare de
semnal sau cu amplificatoare cu optocuploare incorporate)• precizia masurarii scade
Modulul de filtrare:• pentru eliminarea zgomotelor – filtru trece jos• pentru taierea frecventelor mai mari de jumatate din
frecventa semnalului de esantionare – filtru anti-aliasingTeşantioanre
t
Tsinus
Tsinus fals
Circuite de intrare pentru
semnale analogice
Modulul de esantionare-retinere(eng. sample-and-hold)
Semnal eşantionat
Semnalul iniţial
Ui
Ue
CLK
AO1AO2
C
Convertoare analogConvertoare analogConvertoare analogConvertoare analog----digitaledigitaledigitaledigitale
Convertor cu aproxim ări succesive
Caracteristici:• conversia nu este continuă; ea se
realizează în cicluri, care au un număr de paşi dependent de numărul de biţi pe care se face conversia
• viteză medie de conversie (1-100 µs),
• precizie şi rezoluţie moderată (10-12 biţi)
• preţ relativ mic• sunt cele mai utilizate convertoare
analog-digitale
Bloc de control
Registru de aproximări succesive
Convertor D/A
RI
Start conversie Sfârşit conversie
Date
Ui -+
Comparator
Uconv
0 1 0 1 0 1 0 0 = 5416
255
128966432
Ui
Uconv
Convertor A/D cu Convertor A/D cu Convertor A/D cu Convertor A/D cu comparatoarecomparatoarecomparatoarecomparatoare ––––
convertoareconvertoareconvertoareconvertoare ““““flashflashflashflash””””
Caracteristici:• viteză de conversie foarte
mare• conversie continuă în timp• este mai dificil de integrat,
datorită comparatoarelor analogice
• numărul comparatoarelor creşte exponenţial cu numărul de biţi pe care se face conversia (ex.: pentru 8 biţi sunt necesare 256 de comparatoare)
• precizia şi rezoluţia de conversie este limitată (uzual conversia se face doar pe 8 biţi)
UrefUi
R25
5
R254
R254
R0
255/256*Uref
254/256*Uref
-+
D7D6D5
D0
Codificatorprioritar
-+
-+
-+ 1
253
254
255
1/256*Uref
Convertor cu Convertor cu Convertor cu Convertor cu dublădublădublădublă pantăpantăpantăpantă
Caracteristici:• rezoluţie foarte mare (12-
16 biţi); rezoluţia este dată de numărul de biţi ai numărătorului, nefiind limitată superior
• precizie mare, deoarece procesul de conversie nu este influenţat de precizia componentelor analogice sau de variaţia tensiunii de alimentare
• timp de conversie relativ mare
Ui
Stop
Start
CLK
C
Comandă
P1 P2
G
Comp. Numărător
Data
t1 t2 t3
UcondensatorU3
U2
U1
Comandă
Convertor sigmaConvertor sigmaConvertor sigmaConvertor sigma----deltadeltadeltadelta Caracteristici:
• integrabilitate foarte bună (număr mic de componente analogice)
• se pot aplica filtre digitale pe semnalul binar generat
• frecvenţă mare de eşantionare• rezoluţie bună • imunitate la zgomote• se recomandă pentru tehnicile
digitale de prelucrare a semnalelor
Σ
∫
Convertor pe un bit y(kT)x(t)
xd(t)
conversie A/D (modulaţie)
conversie D/A (demodulaţie)
∫ FTJy(kT) x(t)
Principiul conversiei sigma-delta
x(t)
y(kT)
xd(t)
Diagrama de conversie sigma-delta
t
t
x(t)
y(kT)
Probleme privind conversia analogProbleme privind conversia analogProbleme privind conversia analogProbleme privind conversia analog----digitalădigitalădigitalădigitală
frecvenţa de eşantionare
cuantizarea valorii parametrului de intrare
eroarea de conversie:• eroarea de digitizare – datorită cuantizării valorilor
• eroarea de neliniaritate – proporţionalitatea nu este menţinută pe toată plaja de valori
• eroarea de offset – dreapta de conversie nu trece prin punctul de origine, adică la o tensiune de intrare 0 valoarea convertită este diferită de 0 sau invers
• eroarea de comutare – apare la comutarea de la o valoare cu mulţi biţi de 1 la o valoare cu un număr mai mic de biţi de 1 (ex.: 00001111 00010000); pentru o valoare mai mare de intrare valoarea digitală este mai mică
Eroarea de conversie
Ui
Eroare de offset
Vd
Eroare de digitizare
Eroare de neliniaritate 10000111
Eroare de comutare
Ui
Vd