Интерфейсы RS-422, RS-485, токовая петля

Дифференциальная передача – передача с исп-ем специальных диф-ых передатчика и приемника, связанных парой скрученных проводов, по к-ым одновременно передаются разнополярные сигналы, один из к-ых явл-ся входным сигналом, а другой – его инверсией. Диф-ый приемник устраняет синфазные помехи, наводимые в проводах, что существенно повышает помехоустойчивость диф-ой передачи, устойчивой к шумам. Синфазная помеха – униполярная помеха, сигнал к-ой воздействует одинаковым образом на оба входа D+ и D- диф-го приемника и не проходит на его выход (устраняется).

Симметричная диф-ая передача выполняется по двум разнополярным проводам D+ и D-, хотя общий повод («земля») исп-ся, но он не участвует в передаче сигналов данных. Симметричный диф-ый интерфейс обладает лучшей помехоза­щищенностью, чем несимметричные интерфейсы. Интерфейс RS-485 явл-ся послед-ым диф-ым симметричным интерфейсом с двунаправленной (полудуплексной) передачей данных и обеспечивает подключение до 32 приемников с целью реализации различных шинных конфигураций (рис. 1).

Состояние логической единицы (Mark): напряжение на выходе D- является отриц-ым по отношению к напряжению на выходе D+.

Состояние логического нуля (Space): напряжение на выходе D- является полож-ым по отношению к напряжению на выходе D+.

Между проводами D+ и D- имеется разность потенциалов. Если она полож-ая, то это соответствует логической 1, а для логического 0 разность потенциалов D+ и D- явл-ся отриц-ой (рис. 2).

Если напряжение на линии D+ > на +200 мВ напряжение на линии D-, то приемник (R) опр-ет лог. 1. Если напряжение на линии < -200 мВ, то приемник фиксирует лог. 0.

Дисциплина обслуживания: интерфейс RS-485 исп-ся в системах сбора, управления и распределения информации и выполняет передачу данных типа «точка – много точек».

Способ передачи данных: послед-но‑послед-ый (передача соответственно байтов и битов).

Временное согласование: асинхронное или апериодическое (исп-ся доп. линия для передачи сигнала квитирования «запрос передачи» (RTS)).

Структура данных опр-ся разработчиком системы и в спецификации не указывается.

Вид передачи с учетом направления: полудуплексный, хотя возможно и построение 4-проводной многоточечной сети.

Представление битов данных: диф-ми сигналами.

Технические хар-ки: максимальная скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние 1200 м.

RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.

D (driver) - передатчик; R (receiver) - приемник;

DI (driver input) - цифровой вход передатчика;

RO (receiver output) - цифровой выход приемника;

DE (driver enable) - разрешение работы передатчика;

RE (receiver enable) - разрешение работы приемника;

A - прямой дифференциальный вход/выход; B - инверсный;

Y - прямой дифференциальный выход (RS-422);Z - инверсный Токовая петля — способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока. Стандарт цифровой токовой петли использует отсутствие тока как значение SPACE (низкий уровень, лог. ноль) и наличие сигнала — как значение MARK (высокий уровень, лог. единица). Отсутствие сигнала в течение длительного времени интерпретируется как состояние BREAK (обрыв линии). Данные передаются старт-стопным методом, формат посылки совпадает c RS-232, например 8-N-1: 8 бит, без паритета, 1 стоп-бит.

Токовая петля может использоваться на значительных расстояниях (до нескольких километров). Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например оптронах. Источник тока может располагаться в приемном или передающем конце токовой петли. Узел с источником тока называют активным. Аналоговая токовая петля используется для передачи аналогового сигнала по паре проводов в лабораторном оборудовании, системах управления производством и т. д.

Применяется смещенный диапазон 4-20 мА то есть наименьшее значение сигнала (например 0) соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом весь диапазон допустимых значений занимает 16 мА. Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию. Преимущество токовой петли — точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку источник тока будет автоматически поддерживать необходимое напряжение для получения требуемого тока. Такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи. Несколько приемников можно соединять последовательно, источник тока будет поддерживать требуемый ток во всех одновременно.

?бред23. Преобразователь временного интервала в цифровой код.

Преобразуемый временной интервал t (от Старт-импульса до Стоп-импульса) раскладывается на три составляющие: t = Nτ0 – Δt1 + Δt2, где N = t / τ0. Суммарная ошибка преобразования равна Δt = Nτ0 – t = Δt1 – Δt2.

К этой ошибке может добавляться ошибка, вызванная нестабильностью периода τ0 следования тактовых импульсов. Поэтому в качестве генератора G необходимо использовать кварцевый генератор, который имеет большую стабильность.

Каждая из ошибок Δt1, Δt2распределяется по равномерному закону в интервале от 0 до τ0. Суммарная ошибка Δt распределяется по треугольному закону – закону Симпсона.

Для уменьшения ошибки преобразования необходимо увеличивать частоту тактового генератора. Но быстродействие элементов АЦП всегда ограничено применяемой элементной базой.

В некоторых применениях удается привязать стартовый импульс к одному из тактовых импульсов генератора G и тем самым устранить ошибку Δt1. Ошибка Δt2 принципиально неустранима, т. к. преобразуемый интервал может быть любой длины.

Существуют также схемные методы повышения точности преобразования. В частности используются уточняющие преобразования, связанные с организацией второй шкалы преобразования. Двушкальные, в общем случае многошкальные методы, используются в технике, например часы, содержащие часовую и минутную стрелки.

Известные способы организации точной шкалы:

1) нониусный метод;

2) метод задержки тактовых импульсов.

В первом случае используются два генератора близких частот. Один работает в непрерывном режиме по схеме, образуя грубую шкалу. Второй запускается, когда приходит Стоп-импульс. Счет этих импульсов (точная шкала) ведется до момента совпадения фронтов импульсов генераторов.

Во втором случае применяются элементы задержки тактовых импульсов.

??24. Преобразователь параллельного двоичного кода в напряжение.

Этот преобразователь – ЦАП.

широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, фильтруется аналоговым фильтром низких частот.;

ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизацияпозволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным.

взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом.

Цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;

сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535.

гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.

Характеристики:

Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах.

Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат.

Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.

Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах.

Статические характеристики:

Дифференциальная нелинейность характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;

Интегральная нелинейность характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной.

усиление;

смещение.

Частотные характеристики:

Отношение сигнал/шум+искажения характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;

Коэффициент i-й гармоники характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;

Коэффициент гармонических искажений — отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.

??25. Преобразователь напряжение-код поразрядного кодирования.

Наверное, АЦП…

АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала.

Последовательно-параллельные АЦП сохраняя высокое быстродействие позволяет значительно уменьшить количество компараторов, требующееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Содержат в своем составе два — три параллельных АЦП. Второй АЦП служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки..

АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов (N — разрядность АЦП). На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, младшие биты установлены в 0. Это значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, иначе 0.

АЦП дифференциального кодирования (англ. delta-encoded ADC) содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала.

АЦП сравнения с пилообразным сигналом содержат генератор пилообразного напряжения, компаратор и счётчик времени.

АЦП с уравновешиванием заряда содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа. На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток, который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. По прошествии времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока, что уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Конвейерные АЦП используют два или более шага-поддиапазона. На первом шаге производится грубое преобразование. Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования. На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения.

АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов. Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов.

Сигма-дельта-АЦП производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путём фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.

Характеристики:

Разрешение — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано.

Нелинейность – нелинейная зависимость между входным сигналом и выходным кодом.

Частота дискретизации – количество выборок в единицу времени.