Стробоскопический аналого-цифровой преобразователь

МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ
УКРАИНЫ

НТУУ
«КПИ»

КАФЕДРА
АВТОМАТИЗАЦИИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ

Утверждаю

Зав. Кафедрой
ИИТ

________ Ю. М. Туз

Курсовая
работа

по курсу
«Микропроцессорные
приборы

и системы»

на тему
:

Стробоскопический
аналого – цифровой
преобразователь.

Согласовано:
Разработчик
курсовой работы
Руководитель
студент группы
ВА-42 курсовой
работы ______
Токовенко А.С.
(4214)

_____ Богомазов
С. А.

«____»_________199 г. «____»__________199
г.

1998

ВВЕДЕНИЕ.

Настоящее
техническое
описание и
инструкция
по эксплуатации
( в дальнейшем
ТО ) предназначено
для изучения
модуля стробоскопического
аналого – цифрового
преобразователя
(в дальнейшем
- модуль), являющегося
компоновочным
изделием,
используемого
при автоматизации
производственных
процессов, и
содержит сведения,
необходимые
для обеспечения
полного использования
технических
возможностей
модуля и правильной
его эксплуатации.

Модуль предназначен
для исследования
повторяющихся
процессов
наносекундной
и субнаносекундной
длительности
с дальнейшим
улучшением
точностных
характеристик
за счет использования
цифровых методов
обработки
сигналов в
программно
– управляемых
стробоскопических
устройствах,
работающих
в составе
информационно
– вычислительных
систем.

Модуль
предназначен
для эксплуатации
в помещениях
с искусственно
регулируемыми
климатическими
условиями в
районах с умеренным
и холодным
климатом. Рабочая
температура
воздуха при
эксплуатации
в составе ПК
от 5 до 50С.
Верхнее значение
относительной
влажности 80%
при 35С
и более низких
температурах
без конденсации
влаги. Атмосферное
давление от
84.0 до 106ю7 кПа ( 630 –
800 mmHg ).

Модуль предназначен
для эксплуатации
в условиях
воздействия
вибраций частотой
от 5 до 35 Hz с амплитудой
не более 0.35mm.

Электрическое
питание модуля
осуществляется
постоянным
током от
стабилизированного
питания напряжением
(5+0.25-0.1) В;

Мощность,
потребляемая
модулем, не
превышает 6
;

Неинтерфейсными
входными сигналами
модуля являются
непрерывные
сигналынапряжением
постоянного
тока : от минус
2.5 до 2.5В;

Интерфейсными
сигналами
межмодульного
обмена (в дальнейшем
- ИМО) являются
сигналы: данных
Д0 – Д11; адреса
А0 – А15; чтения
ЧТ; записи ЗП;
запросы на
прерывание
IRQ5, IRQ10, IRQ11; возможность
адресации
AEN; выбор чипа
16 битного ввода
– вывода I/O CS 16.

Количество
каналов модуля
– 1.

Номинальные
статические
характеристики
преобразования
модуля в зависимости
от значения
напряжения
или тока входных
неинтерфейсных
сигналов
определяется:для
диапазона
напряжения
и тока неинтерфейсных
входных сигналов:-
от минус 2.5 до
2.5В;

от 0 до 20мА по
формуле:

, (1.1)где
- десятичный
выходной код
модуля;

- значение
входного сигнала
постоянного
ток (mA) или напряжения
постоянного
тока (V);

-
наибольшее
значение диапазона
измерения
входного сигнала
постоянного
тока (mA) или напряжения
постоянного
тока (V).

Значения номинальной
цены единица
наименьшего
разряда кода
для напряжения
неинтерфейсных
входных сигналов
:

Таблица 2.1

Дискретность
преобразования
входных непрерывных
сигналов в
двоичный код
– 6 бит ( пять –
значащих и
шестой - знаковый).

Пределы
допускаемой
основной
погрешности
преобразования
модуля, выраженной
в процентах
от нормирующего
значения, равного
4000, равны 
0.2%

Пределі
допускаемой
дополнительной
погрешности
преобразования
модуля, вызванной
отклонением
напряжения
питания на
0.25 или минус 0.1В
от номинального
значения, равны
половине пределов
допускаемой
основной
погрешности.

Пределы
допускаемой
дополнительной
погрешности
преобразования
модуля, вызванной
изменением
температуры
окружающего
воздуха от
нормального
значения для
любой температуры
в пределах
рабочей области
на каждые 10С,
равны половине
пределов
допускаемой
основной
погрешности.

3. УСТРОЙСТВО
И РАБОТА
МОДУЛЯ
ПО СТРУКТУРНОЙ
СХЕМЕ.
УСТРОЙСТВО
И РАБОТА
МОДУЛЯ
ПО ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
СХЕМЕ.

Структурная
схема стробоскопического
аналого – цифрового
преобразователя,
предназначенного
для использования
в системах с
межмодульным
параллельным
интерфейсом
МПИ представлена
на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Структурная
схема стробоскопического
АЦП.

G – генератор;
См – смеситель;
ЦАП – цифроаналоговый
преобразователь;АЦП
– аналого –
цифровой
преобразователь;
ВБ – выходной
буфер; БУ – блок
управления.

Модуль содержит
следующие узлы:

Генератор;

Смеситель;

Линию задержки;

Аналого – цифровой
преобразователь;

Цифроаналоговый
преобразователь;

Выходное буферное
устройство;

Блок управления.

Преобразователь,
содержащий
один канал,
обеспечивает
считывание
мгновенных
значений входных
сигналов и
преобразование
их в цифровой
код. С приходом
на вход устройства
сигнала запуска
от блока управления
генератор
стробирующих
импульсов
формирует
короткие импульсы,
под действием
которых кратковременно
открываются
быстродействующие
ключевые схемы
стробоскопических
смесителей
и на входных
емкостях усилителей
происходит
запоминание
мгновенных
значений напряжений
исследуемых
сигналов. Усиленный
сигнал с выхода
стробоскопического
смесителя
непосредственно
преобразуется
в цифровой код
с помощью
быстродействующего
параллельного
аналого – цифрового
преобразователя
АЦП и
через схему
выходного
буферного
устройства
ВБ поступает
на ЭВМ. Элемент
задержки сигнала
запуска АЦП
включен с целью
устранения
влияния переходных
процессов
установления
выходных сигналов
в стробоскопичесом
смесителе.

В рассматриваемом
стробоскопическом
АЦП используется
структура с
обратной связью,
реализующая
компенсационный
принцип измерения.
Компенсирующее
напряжение
подается на
схему стробоскопического
смесителя СМ
с цифроаналоговым
преобразователем
ЦАП. Сигнал на
выходе стробоскопического
смесителя
пропорционален
разности входного
и компенсирующего
напряжения.
Обратная связь
позволяет
существенно
повысить линейность
преобразования,
снизить требования
к числу разрядов
АЦП. Достигается
также высокая
верность
воспроизведения
сигналов, поскольку
компенсирующее
напряжение
в момент стробирования
практически
равно входному
и схема смесителя
не нагружает
источник входного
сигнала.

Обратная связь
в системе,
осуществляемая
через ЭВМ, позволяет
использовать
различные
алгоритмы
статистической
обработки,
проводить
подстройку
петлевого
коэффициента
передачи для
получения
оптимальной
переходной
характеристики.

Взаимодействие
стробоскопического
преобразователя
с ЭВМ осуществляется
с помощью блока
управления,
обеспечивающего
формирование
сигналов для
организации
программного
обмена и прерывания
программы. При
построении
блока управления
использованы
стандартные
для магистрали
МПИ структуры
логических
узлов. Логическое
устройство
обеспечивает
дешифрацию
адресов регистров:
запуска, чтения,
записи и маскирования
прерывания.
В качестве
сигнала запроса
на прерывание
ГОТОВО,
поступающего
на логическое
устройство
организации
режима прерывания
из преобразователя,
используется
сигнал запуска
АЦП. Этот же
сигнал устанавливает
в состояние
готовности
седьмой разряд
регистра состояния.

В приложении
приведена
принципиальная
схема канала
стробоскопического
АЦП с интерфейсной
частью. Наиболее
ответственным
узлом преобразователя,
определяющим
его метрологические
характеристики,
является
стробоскопический
смеситель. С
выхода усилителя
DA1 выборка
входного сигнала
поступает на
вход дополнительного
быстродействующего
усилителя
К1420УД1. Применение
повторителя
на мощном полевом
транзисторе
VT1 необходимо
для увеличения
нагрузочной
способности
схемы. Преобразование
амплитуды
сигнала выборки
в цифровой код
осуществляется
DD13 –
схемой параллельного
АЦП К1107ПВ3, позволяющего
непосредственно
измерять сигналы
амплитудой
до 2.5 В. Запуск
АЦП осуществляется
от формирователя
импульсов на
микросхеме
DD14 .
По фронту импульса
происходит
считывание
и преобразование
в код входного
сигнала, по
срезу – запоминание
полученного
результата
на выходе схемы.
Задержка импульса
запуска параллельного
АЦП на 150200
нс по отношению
к моменту запуска
генератора
строб импульсов
DA2,
необходимая
для установления
сигналов на
выходе усилителя
выборки DA1,
обеспечивается
схемой DD6,
DD7,
построенной
на базе дифференциальных
приемников
К500ЛП114. Использование
пяти последовательно
включенных
каскадов задержки,
два из которых
охвачены цепью
положительной
обратной связи
для обострения
фронтов импульса
запуска АЦП,
позволяет
получить достаточно
высокую стабильность
времени задержки
и соответственно
малую апертурную
неопределенность.
Код с выхода
АЦП DD13
через схемы
преобразователей
уровня DD20,
DD21
поступает на
схему выходного
буферного
устройства
DD22,
DD23.
Информация
из буферного
устройства
в ЭВМ вводится
по сигналу
Считывание,
поступающему
от блока управления
при обращении
по соответствующему
адресу. При
этом содержимое
разрядов 0 
4 с выхода АЦП
поступает
соответственно
на разряды к
DA0 
DA4 канала МПИ,
содержимое
пятого разряда
с выхода АЦП
поступает на
седьмой (знаковый)
разряд шины
данных МПИ, а
из разряда
переполнения
АЦП поступает
к D5 МПИ. Такая
организация
выхода АЦП
позволяет
упростить
обработку
информации
в ЭВМ.

Для повышения
нагрузочной
способности
внешней шины
МПИ используемые
сигналы интерфейсной
части подаются
через буферные
регистры DD1
– DD3,
DD24,
DD25.
Для адресации
необходимых
портов собрана
схема на компараторах
DD5,
DD8,
DD11,
элементе логическое
«И» DD9
и дешифраторе
2 на 4 – DD10.
Стробирование
сигналов из
дешифратора
сигналами IOR и
IOW для создания
соответствующих
стробов (чтение,
запись, запуск,
маскирование
запроса на
прерывание)
реализовано
на микросхеме
DD12.
При поступлении
сигнала готовность
модуль
генерирует
запрос на прерывание
с помощью триггера
DD18.
Запрос на прерывание
можно маскировать
программно.
Триггер маски
служит для
того, чтобы
триггер прерывания
можно было
отключить от
линий запроса
на прерывание
(для использования
этих линий
другими устройствами).
Маскирование
происходит
по разряду D0
соответствующего
порта. Строб
готовность
устанавливает
в «1» триггер
прерывания.

При обработке
прерывания
процессор
читает информацию
из регистра
по соответствующему
адресу. При
чтении сбрасывается
в «0» триггер
прерывания.
Состояние лини
прерывания
можно прочитать
программно
по линии D7.

4.РУКОВОДСТВО
К ПРОГРАММИРОВАНИЮ.

4.1. Принцип работы:

4.1.1. Функции,
выполняемые
модулем, состоят
в приеме данных,
снятых со
стробоскопического
АЦП. После
принятия данных
из АЦП генерируется
сигнал готовность
и интерфейсная
часть должна
сгенерировать
сигнал прерывания,
говорящего
о том, что данные
готовы к пересылке
из модуля в
ЭВМ. Номер прерывания
задается распайкой
перемычек в
наборном поле
блок элементов.
В наборном поле
осуществляется
выбор из 5,10 или
11 прерывания.
Существует
возможность
маскирования
выданного
прерывания
путем выдачи
в порт маски.
В таком случае
чтение готовности
осуществляется
программно.
После соответствующего
анализа введенных
данных для
создания обратной
связи должно
выдаваться
слово в порт
для цифроаналогового
преобразователя.
После включения
питания модуля
для избежания
попадания
ложных данных
рекомендуется
произвести
чтение из порта
по адресу
14301h.

4.1.2. Модуль
содержит
4 порта ввода
– вывода :

Порт по
адресу 14300h,
управляющий
запуском
стробоскопического
АЦП. Запуск
АЦП производится
выдачей в
порт любых
данных. С помощью
данной команды
формируется
строб запуска.

Порт 14301h,
управляющий
чтением данных
из модуля..
При этом из
порта считывается
байт данных.
Формат байта
приведен в
таблице 4.1.

Таблица 4.1

Порт 14302h,
управляющий
записью данных
в ЦАП. Ответное
слово, формируемое
для ЦАП,
состоит из 11
разрядов данных.
Передача его
из ЭВМ в модуль
осуществляется
выдачей слова
в порт. При
этом в модуле
формируется
строб I/O CS 16, говорящий
о том, что обмен
производится
словом, а не
байтом.

Порт 14303h,
управляющий
маскированием
прерывания
и считыванием
состояния АЦП
при обмене с
неготовностью.
Перед использованием
необходимо
разрешить или
запретить
обмен по прерыванию
в модуле. Если
прерывание
разрешено, то
обмен будет
совершаться
по прерыванию.
В противном
случае будет
осуществляться
обмен с неготовностью
Тип обмена
задается выдачей
по линии D0 числа
в порт.
Формат слова
представлен
в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Если обмен
производится
с неготовностью,
то состояние
АЦП считывается
по линии
D7. Описание
различных
состояний бита
приведено в
таблице 4.3

Таблица 4.3

Процессор
может записать
информацию
в порт вывода
при выполнении
команд:

MOV DX, XXX

MOV AL, YYY

OUT DX, ALлибо
считать информацию
из порта ввода
при выполнении
команд:

MOV DX, XXX

IN DX, AL где
ХХХ – адрес
порта ввода/вывода,
YYY – выводимые
данные.

5. ПРОГРАММНОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

При работе
модуля обмен
может быть
реализован
по желанию
пользователя
по прерыванию
либо с неготовностью.
Блок – схема
работы программного
обеспечения
представлена
на рисунке 5.1.
(обмен по прерыванию)
и на рисунке
5.3. (обмен с неготовностью).
На рисунке 5.2.
представлена
блок – схема
обработчика
прерывания.

Рис. 5.1. Обмен по
прерыванию.

После включения
питания модуля
для избежания
попадания
ложных данных
следует произвести
чтение из порта
301h. После этого
идет установка
начальных
параметров
системы :

Задается
вектора обработки
прерывания;

производится
начальный
запуск АЦП.

Программа
обработки
включает в себя
;

чтение данных
из модуля;

запись полученных
данных в буфер
для дальнейшей
обработки;

Обработка
полученных
данных;

Чтение из
буфера данных
для дальнейшего
отправления
в ЦАП;

Вывод
данных в модуль
для ЦАП.

Рис 5.2. Блок
– схема
обработчика
прерывания.

5.1. Запуск
АЦП производится
выдачей по
адресу 14300h любых
данных. С помощью
данной команды
формируется
строб запуска
АЦП. Чтение
данных из модуля
производится
по адресу 14301h. При
этом из порта
считывается
байт данных.
Формат байта
приведен в
таблице 5.1.

Таблица 5.1

5.2. После
считывания
байта он отправляется
в буфер входных
данных для
последующей
обработки.

Рис
5.3. Бл

5.3. Далее
вызывается
подпрограмма
обработки
входных данных
для получения
ответного слова
для ЦАП. Ответное
слово состоит
из 11 разрядов
данных. Передача
его из ЭВМ в
модуль осуществляется
выдачей слова
по адресу 14302h. При
этом в модуле
формируется
строб I/O CS 16, говорящий
о том, что обмен
производится
словом, а не
байтом. Подпрограмму
обработки
полученных
данных и формирование
ответного слова
пишет пользователь
самостоятельно.

5.4. Перед
использованием
необходимо
разрешить или
запретить обмен
по прерыванию
в модуле. Если
прерывание
разрешено, то
обмен будет
совершаться
по прерыванию.
В противном
случае будет
осуществляться
обмен с неготовностью
Тип обмена
задается выдачей
по линии D0 числа
по адресу 14303h.
Формат слова
представлен
в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Если обмен
производится
с неготовностью,
то состояние
АЦП считывается
по линии
D7 по адресу 14303h.

6. ЛИТЕРАТУРА.

Уинн Л. Рош.
Библия
по техническому
обеспечению
Уинна РОШа.
Минск. 1992.

Томпкинс.
Уэбстер.
Проектирование
и сопряжение
контроллеров
с ЭВМ.

Джордейн.
Описание
IBM PC AT.

Питер Абель.
Язык ассемблера
для IBM PC и
программирования.
Москва. «Высшая
школа». 1992 г.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Пример
подпрограммы
обмена по прерыванию

TITLE CTRNAM (EXE)

STCKSG SEGMENT PARA ‘Stack’ ; Инициализация
сегмента стека

DW 32 DUP (?)

STCKSG ENDS

;----------------------------------------------------

DATASG SEGMENT PARA ‘Data’ ; Инициализация
сегмента данных

VECT5 EQU 5H ; Задание
векторов

VECT10 EQU 10H ; прерываний

VECT11 EQU 11H

ACPSTRT EQU 14300H ; Адрес запуска
АЦП

ACPREAD EQU 14301H ; Адрес чтения
из модуля

ACPWRITЕ EQU 14302H ; Адрес
записи в модуль

ACPFLAG EQU 14303H ; Адрес маски

KBSAVE DWORD ? ; Переменная
вектора прерывания

ENDFLAG DB 0 ; Флаг окончания
обмена

DATASG ENDS

;----------------------------------------------------

INTTAB SEGMENT AT 0H ; Получаем
доступ к таблице
векторов

ORG VECT5*4H

KBADDR LABEL DWORD

INTTAB ENDS

;----------------------------------------------------

CODESG SEGMENT PARA ‘Code’

BEGIN PROC FAR

ASSUME CS:CODESG, DS:INTTAB, SS:STCKSG, ES:DATASC

PUSH DS

SUB AX, AX ; Проводим

PUSH AX ; начальную

MOV AX, DATASC ; инициализацию

MOV ES, AX ; сегментов

MOV AX, INTTAB

MOV DS, AX

CLI ; Запрет прерываний

MOV AX, WORD PTR KBADDR

; Устанавливаем
новый

MOV WORD PTR KBSAVE, AX

; вектор прерывания

MOV AX, WORD PTR KBADDR + 2

; и сохраняем
старый

MOV WORD PTR KBSAVE + 2, AX

MOV WORD PTR KBADDR, OFFSET CALC

MOV WORD PTR KBADDR + 2, CS

MOV DX, ACPFLAG ; Производим
установку

MOV AL, 1 ; маски прерывания

OUT DX, AL

STI ; Разрешаем
прерывание

ASSUME DS: DATASG

MOV DX, ACPREAD ; Производим
чтение

IN DX, AL ; случайных
данных

MOV DX, ACPSTRT ;
Начальный
запуск

OUT DX, AL ;
АЦП

CHK: MOV AL, ENDFLG ;
Проверка окончания
обмена

JZ CHK

MOV ENDFLG, 0 ;
Сброс флага
окончания
обмена

; Задается
условие проверки
окончания
процесса.

; Если
процесс продолжается,
то переход к
метке AGAIN,

; В
противном
случае на ENDPROG

AGAIN: MOV DX, ACPSTRT ;
Запуск АЦП

OUT DX, AL

JMP CHK ;
И переход к
следующему
циклу

ENDPROG: ASSUME DS: INTTAB

;
Восстановление
исходных

MOV AX, WORD PTR KBSAVE

; параметров
в таблице

MOV WORD PTR KBADDR, AX

; векторов
прерываний

MOV AX, WORD PTR KBSAVE + 2

MOV WORD PTR KBADDR + 2, AX

POP DS ; Восстановление
сегмента данных

CSAEG ENDS

END BEGIN ; Окончание
программы

; Подпрограмма
обработки
прерывания

CALC PROC NEAR

PUSH AX ; Сохраняем
регистры

PUSH BX

PUSH CX

PUSH DX

PUSH SI

PUSH DI

PUSH DS

PUSH ES

PUSHF

MOV DX, ACPREAD ; Производим
чтение из АЦП

IN DX, AL

PUSH AX ; Осуществляем
передачу данных

; через стек
для последующей

; обработки

CALL EXECUTE ; Вызов подпрограммы
обработки

POP AX ; Получение
данных из стека

MOV DX, ACPWRITE ; Запись в
модуль

OUT DX, AX

MOV ENDFLG, 0FFH ; Вскидывание
флажка

POPF ; Восстановление
регистров

POP ES

POP DS

POP DI

POP SI

POP DX

POP CX

POP BX

POP AX

IRET ; Выход из
прерывания

CALC ENDP

Пример подпрограммы
обмена с неготовностью.

TITLE CTRNAM (EXE)

STCKSG SEGMENT PARA ‘Stack’ ; Инициализация
сегмента стека

DW 32 DUP (?)

STCKSG ENDS

;----------------------------------------------------

DATASG SEGMENT PARA ‘Data’ ; Инициализация
сегмента данных

ACPSTRT EQU 14300H ; Адрес запуска
АЦП

ACPREAD EQU 14301H ; Адрес чтения
из модуля

ACPWRITЕ EQU 14302H ; Адрес
записи в модуль

ACPFLAG EQU 14303H ; Адрес маски

DATASG ENDS

;----------------------------------------------------

CODESG SEGMENT PARA ‘Code’

BEGIN PROC FAR

ASSUME CS:CODESG, DS:DATASG, SS:STCKSG, ES:DATASC

PUSH DS

SUB AX, AX ; Проводим

PUSH AX ; начальную

MOV AX, DATASC ; инициализацию

MOV DS, AX ; сегментов

MOV ES, AX

MOV DX, ACPFLAG ; Производим
установку

MOV AL, 0 ; маски прерывания

OUT DX, AL

MOV DX, ACPREAD ; Производим
чтение

IN DX, AL ; случайных
данных

STRT: MOV DX, ACPSTRT ;
Запуск

OUT DX, AL ;
АЦП

MOV DX, ACPFLAG ;
Производим
чтение

CHK: IN DX, AL ; готовности

AND AL, 10000000B ; Накладываем
маску

JZ CHK ; Готово к
обмену?

PUSH AX ; Осуществляем
передачу данных

; через стек
для последующей

; обработки

CALL EXECUTE ; Вызов подпрограммы
обработки

POP AX ; Получение
данных из стека

MOV DX, ACPWRITE ; Запись в
модуль

OUT DX, AX

; Задается
условие проверки
окончания
процесса.

; Если
процесс продолжается,
то переход к
метке AGAIN,

; В
противном
случае на ENDPROG

AGAIN: JMP STRT ;
Переход на
следующий цикл

ENDPROG: POP DS

CSEG ENDS

END BEGIN

Лист

Лист

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение 4

Назначение
и область
применения 5

Технические
данные 6

Устройство
и работа модуля
по структурной
схеме. Устройство
и работа модуля
по принципиальной
схеме 8

Руководство
к программированию 12

Программное
обеспечение 14

Литература 18