Основні теоретичні залежності

Процес розробки систем керування розгалужується на два паралельних и взаємно залежних потоків:

– розробка апаратного забезпечення;

– розробка програмного забезпечення.

В даних методичних вказівках розглядається обидва потоки. Сучасний розвиток мікро-контролерів дозволяє програмно реалізувати задачі, які раніше вирішувалися апаратними засобами. Саме по цьому у вказівках розглядуються лише ті вузлі апаратного забезпечення, реалізація яких неможлива чи трудомістка програмними методами.

1.2.1. Розробка, моделювання і дослідження на ЕОМ вузлів схем керуючих пристроїв із застосуванням програми схемотехнічного моделювання електричних та електронних схем Electronic Work Bench.

Система схемотехнічного моделювання Electronic Work Bench являє собою комплекс програмних засобів, що включає в себе власне програму WEWB32.exe – файл, що виконується, набір динамічних бібліотек і бібліотек моделей елементів схем. Система розрахована на роботу у середовищі Windows 9х и подібних. Версії 5.хх системи працюють на ПЕОМ починаючи з 486 із 16 Мбайта оперативної пам’яті, але для моделювання складних схем або дослідження перехідних процесів з великою точністю бажано використовувати ПЕОМ з об’ємом оперативної пам’яті 64Мб и більше. Тип процесора та його тактова частота оказують вплив на величину масштабного коефіцієнту по часу – відношення часу моделювання до реального часу.

Програма Electronic Work Bench має стандартний Windows-інтерфейс. Відміна (у бік розширення) – ряд додаткових кнопок на панелі керування.

У тім же ряді, що і кнопки створення нової, відкриття існуючої, збереження той, що редагується, чи друкування моделі маються кнопки повороту (Rotate) елемента (проти годинникової стрілки), відображення щодо вертикальної (Flip Horizontal) і горизонтальної (Flip Vertical) осей. Правіше цих кнопок розташовані кнопки створення підсхеми (Create Subcircuit) і відображення графіків моделювання (Display Graphs). Далі розташована кнопка властивостей елемента (Component Properties), потім кнопки зміни масштабу зображення («–») і («+») і меню ряду стандартних значень масштабів зображення (50%, 80%, 100%, 150%, 200%). Біля правого краю панелі розташовані кнопки пуск/стіп роботи схеми (у виді клавішного вимикача з написами 0 і 1) і кнопка паузи (Pause).

При підведенні курсору «миші» до якої-небудь кнопки на панелі (без натискання кнопки) і утримання його на місці з’являється текстова назва цієї кнопки, чи елемента або дії, зв’язаної з цією кнопкою.

Групи елементів схем.

Кожна група елементів може містити до декількох сотень різних активних чи пасивних елементів схем. Для переміщення елемента з вікна групи елементів на робоче поле використовується технологія “Drag and Drop” – перетаскуєте елемент на робоче поле і залишаєте його там. Підвівши курсор до елемента на поле і натиснувши праву кнопку «миші» можна одержати вікно меню, що дозволяє повернути елемент (Rotate), відбити його (Flip Horizontal та Flip Vertical), одержати довідку (Help) чи ввійти у вікно настроювання його властивостей (Component Properties). Доступні так само стандартні для додатків Windows дії – вирізання, копіювання і вставка.

Вікно настроювання властивостей елемента може бути простим для пасивних елементів (1 – 5 параметрів) чи складним (5 – 100 параметрів на декількох сторінках) для активних елементів. Усі повідомлення приводяться на англійської мові і параметри називаються відповідно до прийнятих у США правилах (не відповідають ДСТУ).

У версії 5.0с (в інших версіях можуть бути незначні відмінності) мають місто наступні групи елементів.

Favorites – група, яку наповнює елементами сам користувач з метою спрощення їх пошуку та прискорення побудови схеми;

Sources – група джерел, у тому чолі і джерел живлення;

Basic – група базових елементів;

Diodes – група діодів;

Transistors – група транзисторів;

Analog IСs – група аналогових інтегральних схем;

Mixed IСs – група змішаних аналого-цифрових схем;

Digital IСs – група цифрових інтегральних схем;

Logic Gates – група логічних вентилів (елементів);

Digital – група цифрових схем;

Indicators – група індикаторів;

Controls – група елементів систем управління;

Miscellaneous – змішана група;

Instruments – група інструментів (вимірювальних приладів і генераторів).

Розглянемо докладніше елементі груп.

Favorites. У цю групу можна перетаскувати елементи з робочого листа моделі. Це дозволяє прискорити створення схеми моделі. Натискання правої кнопки “миші” при перебуванні її курсору над елементом у цій групі приводить до появи меню з двома пунктами – одержання інформації про властивості компонента (Component Properties) і видалення компонента з групи (Remove from favorites).

Sources. У цій групі зібрані джерела сигналів. Серед них:

– «Ground» – знак, що відповідає загальному проводу на схемі;

– «Battery» – знак, що відповідає хімічному джерелу струму з можливістю задавати величину напруги між клемами в діапазоні від мкВ до кВ;

– «DC Current Source» – знак, що відповідає джерелу постійного струму з можливістю задавати його значення в діапазоні від мкА до кА;

– «AC Voltage Source» – знак, що відповідає джерелу змінної напруги з можливістю задавати її діюче значення в діапазоні від мкВ до кВ, крім того можна задавати значення частоти і фази (для побудови погоджених багатофазних джерел);

– «AC Current Source» – знак, що відповідає джерелу змінного струму з можливістю задавати його діюче значення в діапазоні від мкА до кА, крім того можна задавати значення частоти і фази (для побудови погоджених багатофазних джерел);

– «Voltage-Controlled Voltage Source» – знак, що відповідає джерелу напруги, керованої напругою, діапазон значень відносини вихідної напруги вхідної – від мкВ/В до кВ/В;

– «Voltage-Controlled Current Source» – знак, що відповідає джерелу струму, керованому напругою, діапазон значень відносини вихідного струму до вхідної напруги – від мА/В до кА/В;

– «Current Controlled Voltage Source» – знак, що відповідає джерелу напруги, керованому струмом, діапазон значень відносини вихідної напруги до вхідного струму – від мОм до кОм;

– «Current Controlled Current Source» – знак, що відповідає джерелу струму, керованому струмом, діапазон значень відносини вихідного струму до вхідного – від мА/А до кА/А;

– «Vcc Source» – джерело постійної напруги величиною 5 В для живлення цифрових схем с рівнями сигналів ТТЛ;

– «Vdd Source» – постійної напруги величиною 15 В для для живлення цифрових схем с рівнями сигналів КМОП;

– «Clock» – знак, що відповідає джерелу сигналу прямокутної форми з можливістю задавати амплітудне значення сигналу від мВ до кВ, його частоту (Гц – кГц) и шпаруватість (0-100%);

– «AM Source» – знак, що відповідає джерелу одночастотного сигналу з амплітудною модуляцією (використовується для аналізу ланцюгів зв’язку), мається можливість задавати частоту основного сигналу і сигналу, що модулює, (Гц - МГц), модуляційний індекс і амплітуду сигналу (мВ - кВ);

– «FM Source» – знак, що відповідає джерелу одночастотного сигналу з частотною модуляцією (використовується для аналізу ланцюгів зв’язку), мається можливість задавати частоту основного сигналу і сигналу, що модулює, (Гц - МГц), модуляційний індекс, амплітуду сигналу (мВ - кВ) і зсув (мВ - кВ);

– «Voltage-Controlled Sine Wave Oscillator», «Voltage-Controlled Triangle Wave Oscillator», «Voltage-Controlled Square Wave Oscillator», «Controlled One-Shot» – знаки, що відповідають генераторам синусоїдального, трикутного і прямокутного сигналів, керованих напругою і генератора сигналів прямокутної форми, керованого частотою;

– «Piecewise Linear Source» – знак, що відповідає генератору сигналів, що задаються в табличної формі – користувач може створити таблицю в виді звичайного текстового файлу.

Крім того, мається ряд джерел сигналів, що не розглядаються бо є специфічними у використанні.

Basic. Група базових елементів, що використовуються практично у кожної схемі:

– «Connector» – знак, що відповідає з’єднанню двох і більш провідників;

– «Resistor» – резистор, можна задавати значення його опору у діапазоні від Ом до МОм, мається можливість задати температурну залежність опору у виді функції, що враховує перегрів резистора;

– «Capacitor» – конденсатор, мається можливість задати його ємність у діапазоні від пФ до мкФ;

– «Inductor» – індуктивність, діапазон значень – від мкГн до Гн;

– «Transformer» – трансформатор, мається кілька бібліотек, що описують різни види трансформаторів, можна використовувати як ідеальні елементи, так реальні, що мають реальні (втрати, активні опори обмоток) параметри;

– «Relay» – реле, задаються струми спрацьовування й утримання, активний опір обмотки і її індуктивність;

– «Switch» – перемикач, керований користувачем у процесі моделювання роботи схеми за допомогою клавіатури (клавіша задається для кожного перемикача на схемі індивідуально), має одну пару контактів на перемикання;

– «Time-Delay Switch» – перемикач з затримкою, задається час затримки вмикання и вимикання у діапазоні пс – с;

– «Voltage-Controlled Switch» и «Current-Controlled Switch» – ключі, керовані напругою і струмом відповідно, задається напруга (струм) вмикання і вимикання, опір в замкненому і розімкненому станах;

– «Pull-Up Resistor» – резистор «підтяжки» – включається між сигнальним проводом и джерелом живлення при використовуванні схем з відкритим колектором чи для підвищення стійкості до перешкод (особливо при наявності довгих ліній зв’язку), задається величина опору і напруга джерела;

– «Potentiometer» – резистор змінного опору, задається величина опору, шаг переміщення рухомого контакту (у відсотках), положення рухомого контакту за замовчуванням і кнопка на клавіатурі за допомогою якої можна змінювати положення рухомого контакту (разом з клавішею «Shift» – в іншу сторону);

– «Resistor Pack» – набір з восьми однотипних резисторів, задається величина опору;

– «Voltage-Controlled Analog Switch» – аналоговий ключ, керований напругою, задаються напруги включення і вимикання й опори контактів у замкнутому і розімкнутому станах;

– «Polarized Capacitor» – електролітичний (полярний) конденсатор, задається ємність у діапазоні від пФ до мкФ;

– «Variable Capacitor» – конденсатор змінної ємності, параметри задаються аналогічно резистору змінного опору.

Крім того, маються й інші елементи специфічного використання.

Diodes. Група діодів, для кожної групи мається кілька бібліотек з описом, у тому числі моделей елементів, що реально випускаються промисловістю:

– «Diode» – звичайний одиночний діод;

– «Zener Diode» – стабілітрон;

– «LED» – світлодіод;

– «Full Wave Bridge Rectifier» – діодний міст однофазний (чотири діода в одному корпусі);

– «Shockley Diode» – тунельний діод;

– «Silicon Controlled Rectifier» – тріодний тиристор, що не замикається, з керуванням по катоду;

– «Diac» – тріодний некерований симетричний тиристор;

– «Triac» – симетричний тиристор (семистор).

Transistors – група транзисторів, для кожної групи мається кілька бібліотек з описом, у тому числі моделей елементів, що реально випускаються промисловістю:

– «NPN BJT (Bipolar junction transistor)» и «PNP BJT (Bipolar junction transistor)» – біполярні транзистори зворотної і прямої провідності відповідно; параметри, що описують модель елементів займають до п’яти сторінок;

– «N-Channel JFET» и «P-Channel JFET» – польові транзистори с p-n переходом и каналом n- и р-типа відповідно; параметри, що описують модель елементів займають до двох сторінок;

– «3-Terminal Depletion N-MOSFET» и «3-Terminal Depletion P-MOSFET» – трьохвиводні польові транзистори з ізольованим затвором збідненого типу с n- и p-каналом відповідно; параметри, що описують модель елементів займають до трьох сторінок;

– «4-Terminal Depletion N-MOSFET» и «4-Terminal Depletion P-MOSFET» – четирьохвиводні польові транзистори з ізольованим затвором збідненого типу з n- и p-каналом відповідно; параметрі, що описують модель елементів займають до трьох сторінок;

– «3-Terminal Enhanced N-MOSFET» и «3-Terminal Enhanced P-MOSFET» – трьохвиводні польові транзистори з ізольованим затвором збагаченого типу з n- и p-каналом відповідно; параметрі, що описують модель елементів займають до трьох сторінок;

– «4-Terminal Enhanced N-MOSFET» и «4-Terminal Enhanced P-MOSFET» – четирьохвиводні польові транзистори з ізольованим затвором збагаченого типу з n- и p-каналом відповідно; параметрі, що описують модель елементів займають до трьох сторінок;

– «N-Channel GASFET» и «P-Channel GASFET» – Арсенид-галієві високошвидкісні польові транзистори с p-n переходом и каналом n- и р-типу відповідно; параметрі, що описують модель елементів займають до двох сторінок.

Analog IСs – група аналогових інтегральних схем, містить операційні підсилювачі з відображенням від 3-х (два входи і вихід) до 9-и виводів (виводи живлення, частотної корекції і зсуву нуля) и компаратори. Для кожного виду елементів мається кілька бібліотек з описом, у тому числі моделей елементів, що реально випускаються промисловістю.

Mixed IСs – група змішаних аналого-цифрових схем. Містить АЦП з виходом у рівнобіжному двійковому коді, ЦАП з виходом по струму і по напрузі – усі 8-и розрядні. Параметри задаються тільки щодо цифрової частини цих елементів. Крім того дана група містить одновібратор и схему інтегрального таймера 555 (аналог – КР1006ВИ1).

Digital IСs – група цифрових інтегральних схем. Містить підгрупи мікросхем 74хх, 741хх, 742хх, 743хх, 744хх и 4ххх. Ці підгрупи відповідають реально існуючим цифровим мікросхемам ТТЛ (серія 74) и КМОП (серія 4000).

Logic Gates – група логічних вентилів (елементів). У двох рядках вікна елементів розташовані логічні елементи (у верхньому рядку, не прив’язані до конкретного типу інтегральної мікросхеми) і інтегральні мікросхеми, що мають у своєму складі елементи даного типу (тобто за аналогією з групою Digital IСs, але згруповані не по номерах мікросхем у серіях, а по функціональному призначенню елементів).

Digital – група цифрових схем. Побудована аналогічно попередній групі, але містить у своєму складі більш складні елементи – селектори (мультиплексори), дешифратори (демультиплексори), пріоритетні шифратори, арифметико-логічні пристрої, тригери різних типів і т.п.

Indicators – група індикаторів. Містить вольтметр, амперметр, лампу накалювання, одновивідну сигнальну лампу, семисегментний індикатор (без декодера і з ним), п’єзоелектричне джерело звуку, 10-и позиційні світлодіодні лінійки з дешифратором та без нього. Одночасно на робочому полі можна використовувати необхідну кількість пристроїв індикації (у відмінності, наприклад, від мультиметра, що на схемі може бути тільки один).

Controls – група елементів систем керування. В цю групу входять диференціатор, інтегратор и підсилювач напруги, функціональний блок (передатна функція якого задається у виді дробу з поліномами до третього ступеня в чисельнику і знаменнику), множник, дільник и трьохвходовий суматор напруги и т.д.

Miscellaneous – змішана група. Ця група містить різні елементи, які не можна віднести ні до однієї з раніше розглянутих груп. У цю групу зібрані наступні елементи:

– запобіжник;

– пристрій запису даних на диск (отриманий файл може використовуватися для формування сигналу за допомогою елемента «Piecewise Linear Source» групи джерел сигналів);

– підмодель SPICE (задана у відповідної нотації модель в виді текстового файла на диску);

– довгі лінії зв’язку з втратами і без;

– кварцовий резонатор;

– двигун постійного струму з незалежним збудженням;

– тріод – електронна лампа;

– перетворювач постійної напруги підвищувального, понижуючого і змішаного типу.

Instruments – група інструментів – вимірювальних приладів і генераторів. Елементи цієї групи можуть бути присутні на робочому полі тільки в єдиному екземплярі! У дану групу входять: мультиметр (ампервольтомметр), функціональний генератор (синусоїдальний, трикутний і прямокутний сигнал), двоканальний осцилограф, вимірювач АЧХ, генератор послідовностей цифрових слів (16 двоїчних розрядів), логічний аналізатор і конвертер.

Рекомендації зі створення моделі і її дослідженню.

Для того, щоб зменшити ризик утрати даних, бажано зберігати файли своїх моделей в одній і тій же папці.

Перед початком створення схеми бажано визначитися з переліком типів елементів, що будуть потрібні і перетягнути їх на робоче поле. Знаючи габарити окремих елементів, можна розташувати їх на робочому полі, при необхідності копіюючи і вставляючи однотипні елементи. Варто стежити за тим, щоб між елементами схеми було досить вільного місця для розміщення ліній сполучення. Для великих моделей буває зручно відключити вивід на екран номіналів елементів та їх тип. При наявності взаємозалежних сигналів (наприклад, шина даних) бажано їх розташовувати поруч і паралельно один одному. Розміщати мікросхеми, особливо цифрові, бажано дотримуючи «ряди і колони» – це дозволить упорядкувати розміщення ліній зв’язку і підвищить читаність схеми (і зменшить кількість помилок у ній).

Елементи виміру і індикації бажано скомпонувати таким чином, щоб можна було одночасно, не переміщаючи робоче вікно по полю і не змінюючи масштаб, контролювати більшу частину з них.

Великі моделі зручно створювати і налагоджувати поступово. Якщо маються відносно незалежні модулі, їх, після налагодження, можна перетворити в підцепь (subcircuit), що дозволяє спростити загальну схему і підвищити наочність.

Перша частина лабораторних робіт присвячена дослідженню роботи найпростіших схем у статичному і динамічному режимах.

При всій різноманітності пристроїв, створених на основі цифровий схемотехніки, мається усього кілька базових елементів: «И», «ИЛИ», «НЕ» и «Исключающее ИЛИ».

«НЕ» – інверсія цифрового сигналу – якщо на вході логічна одиниця, то на виході – логічний нуль. Дія виконується з одним сигналом.

«И» – логічне множення двох і більше вхідних сигналів. На виходе елемента буде логічна одиниця тільки в тому випадку якщо на усіх входах присутні логічні одиниці.

«ИЛИ» – логічне додавання. На виході елемента буде логічна одиниця в тому випадку, якщо хоча б на одному з входів присутня логічна одиниця.

«Исключающее ИЛИ» – відсутність рівнозначності. На виході буде логічна одиниця, якщо сигнали на входах нерівні.

Таблиця істинності для цих елементів приведена в таблиці 1. Інверсія виконується над входом Х1, а всі інші дії над входами Х1 і Х2. Y – вихідний сигнал. Варто врахувати, що в деяких джерелах цифрові сигнали позначають не цифрами 0 і 1, а буквами, що відповідають високому и низькому рівням сигналів – В и Н відповідно. В описах мікросхем імпортного виробництва (як правило – файл типу *.pdf, мова документа – англійська) – відповідно H и L (від слів High и Low – високий и низький).

Таблиця 1.

Х1	Х2	Y
«И»	«ИЛИ»	«Искл.ИЛИ»	«НЕ»

Мається три основних способи опису цифрового пристрою:

– таблицею залежності виходів від входів (таблиця істинності);

– системою логічних рівнянь (кількість рівнянь дорівнює кількості виходів і кожне рівняння описує залежність відповідного виходу від входів);

– принциповою схемою.

Найбільш прозорим є спосіб проектування, при якому в якості вихідних задана система рівнянь, розробляється принципова схема, а таблиця істинності використовується для перевірки правильності роботи розробленої схеми.

Саме такий підхід до розробки і варто реалізувати в лабораторній роботе 2. В таблиці 2 дані деякі варіанти завдань до цієї роботи. Знаки ·, + и Å означають дії «И», «ИЛИ» и «Исключающее ИЛИ» відповідно. Дії у дужках виконуються раніш інших, риска понад сигналом чи вираженням означає інверсію («НЕ»). Для формування тестової послідовності зручно використовувати генератор слів (Word Generator). Для індикації рівнів вихідних сигналів – светлодіоди або одновиводні лампи-індикатори (Red Probe).

Таблиця 2.

У відмінності від ідеальних, реальні логічні елементи (чи вентилі) мають ряд властивостей, які необхідно знати і враховувати при проектуванні. Особливо це стосується схем, що працюють у динамічних режимах.

Швидкість поширення сигналу в будь-якому матеріалі обмежена. Елементи (транзистори) вентилів мають час вмикання і вимикання. Провідники, по яких протікають сигнальні струми, мають паразитні ємності, індуктивності і активні опори. Усе це приводить до того, що сигнал на виході цифрової схеми буде з’являтися з деяким запізнюванням відносно до вхідного сигналу. Величина цього запізнювання залежить, в основному, від кількості транзисторів, послідовно через які проходить сигнал. Якщо кілька сигналів формуються одночасно, але проходять по шляху свого перетворювання різну кількість вентилів, то на виході схеми вони з’являться з затримкою один щодо іншого.

Крім того, у ряді випадків буває необхідно свідомо «затримати» поширення сигналу – реалізувати т.зв. «лінію затримки» чи сформувати імпульс заданої тривалості по зміні вхідного сигналу з 0 в 1 чи навпаки, розширити (збільшити тривалість) чи звузити (зменшити тривалість) імпульсу и т.д.

Усе це приводить до необхідності мати навички аналізу і синтезу подібних схем. У цих схемах поряд з активними компонентами-вентилями будуть використовуватися і пасивні а, при необхідності й окремі діоди, стабілітрони и транзистори.

На рисунку 1 представлена схема, що дозволяє оцінити затримку поширення сигналу. На цьому і наступних рисунках вхідний сигнал позначений як X а вихідний – як Y. Під час дослідження кіл зверніть увагу на амплітуду сигналу і його зсув. Елементи різних типів (а для КМОП – і при різних значеннях напруги живлення) будуть мати істотно відмінні параметри.

Рис. 1.

Для організації затримки імпульсу чи фронту імпульсу може застосовуватися схема, показана на рис. 2. Формування імпульсу заданої тривалості по фронту чи спаду прямокутного сигналу можна організувати за схемою на рис. 3. На вході другого інвертора в деяких випадках використовують захисний ланцюг із двох діодів, як це показано на рис. 4.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

Для всіх трьох схем сигнал задається за допомогою функціонального генератора, а аналіз результатів виконується за допомогою осцилографа.

При дослідженні цих схем рекомендується звернути увагу на параметри цифрових елементів – напруга високого і низького рівнів, вхідні і вихідні.

Послідовні схеми є однією з важливих складових систем керування. Значення вихідних сигналів цих схем залежать не тільки від значений вхідних сигналів, але і від послідовності їх зміни. На основі цих схем можуть будуватися лінійні автомати, схеми керування за допомогою часових інтервалів, схеми керування на твердої логіці, що є стійкими до перешкод.

Основою послідовних схем є тригер – логічний пристрій, здатний зберігати один біт інформації. До тригерних прийнято відносить всі пристрої, що мають два стійких стана. Мається велика кількість різновидів тригерних схем. Усе вони засновані на базовому кільці з двох логічних елементів, що інвертують, і відрізняються ланцюгами запису інформації – переключення стану тригера. Для запису можуть використовуватися:

- статичний запуск рівнями напруги;

- запуск тільки одним (позитивним чи негативним) перепадом імпульсу;

- запуск повним тактовим імпульсом (використовується і фронт і спад імпульсу);

- запуск тільки по змінної складовий тактової послідовності.

На базі тригерів будуються регістри-засувки даних (декілька паралельно включених тригерів з об’єднаними сигналами запису), регістри зсуву (тригери послідовно включені по інформаційним сигналам і паралельно по сигналам управління записом), лічильники і лічильники-дільники частоти (на основі дільників на два). Використовуючи регістри і лічильники можна будувати схеми послідовного типу з чіткої прив’язкою до тактів роботи – синхронні автомати и керуючи пристрої на їх основі. Часто ці пристрої називають системами керування на твердої логіці. В роботі 4 досліджуються схеми на основі лічильників-дільників. Особливу увагу слід приділити схемам зі скороченим циклом роботи – у процесі переключення на початок нового циклу можлива поява перехідних процесів, що не контролюються.

В роботі 5 будується і досліджується система керування на твердій логіці. Незважаючи на стрімкий розвиток мікро-контролерів, мається ряд задач, для яких реалізація пристроїв на твердої логіці є кращим. Нагадаємо, що основними перевагами систем керування на твердої логіці в порівнянні із системами на базі мікро-контролерів є швидкодія і стійкість до перешкод. Розвиток схемотехніки призвів до появи логічних матриць, що програмуються користувачем, – систем, структура яких базується на схемах твердої логіці. Використання цих матриць дозволяє виключити основний недолік схем на твердої логіці – великі малогабаритні показники.

Однією з важливих областей застосування схем на твердої логіці можна вважати системи керування автономними транзисторними інверторами для організації частотного і частотно-струмового керування. З погляду надійності роботи силової частини схеми найбільш відповідальним є забезпечення чіткої комутації транзисторів із гарантованою відсутністю наскрізних струмів. Схеми такого роду будуються, як правило, із застосуванням лічильників-дільників.

Розробку схеми слід починати зі складання часової діаграми роботи силових елементів – транзисторів. Для організації скороченого циклу роботи лічильника можуть знадобиться додаткові елементи. Особливу увагу варто приділяти симетричності сигналів по фазам. Результат моделювання зручно контролювати за допомогою логічного аналізатора. На частину його входів слід подати вхідні і проміжні сигнали схеми дільника частоти й організації скороченого циклу роботи лічильника.

При побудові цифрової системи керування часто виникає необхідність передачі сигналів на деяку відстань – від одиниць сантиметрів для зв’язку між платами чи модулями і до сотень метрів при зв’язку між елементами ієрархічних систем керування. Аналіз проходження дискретних сигналів через моделі ліній зв’язку виконується в роботі 6. Лінія зв’язку представляється схемою заміщення з використанням активних опорів, індуктивностей і емностей. Одна з можливих схем представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Крім того, можливе використання моделей лінії зв’язку із групи елементів Miscellaneous.

Часто для формування циклічного сигналу необхідної форми застосовують комбінацію схеми на твердої логіці і ЦАП. Побудова і дослідження такої схеми виконується в роботі 7. При аналізі результату моделювання рекомендується звернути увагу на перехідні процеси, що виникають при переключенні ЦАП, і на вплив параметрів вихідного фільтру на зміну форми вихідного сигналу. Як фільтр можна використовувати простіший RC ланцюг.

Введення безупинних сигналів у дискретну систему керування виконується, як правило, із використанням АЦП. Великий вплив на якість роботи пристрою роблять параметри ланцюгів вводу. В роботе 8 досліджуються схеми вводу даних. Для аналізу впливу часових параметрів АЦП на вірогідність інформації, що вводиться, можна застосовувати одночасно з АЦП схему ЦАП, подаючи на її вхід сигнали з виходу АЦП. Виводячи на два канала осцилографа сигнал із входу АЦП і з виходу ЦАП при зміні форми і частоти вхідного сигналу можна оцінити взаємозв’язок параметрів АЦП і робочого частотного діапазону системи керування, що його використовує.

1.2.2. Основи організації і функціонування мікропроцесорних систем.

Мікропроцесор – це електронний пристрій, виконаний на базі однієї або декількох інтегральних схем і призначене для програмної обробки числової інформації.

Сучасний рівень розвитку мікроелектроніки дозволяє створювати системи програмного керування устаткуванням на базі як універсальних мікропроцесорів (стійки ЧПК), так і на базі мікро-контролерів (автоматизація окремих елементів верстатів, локальні системи керування).

Постійне удосконалювання мікроелектроніки привело до значного поліпшення параметрів сучасних мікро-контролерів. В даний час можливе створення системи керування реального часу на базі одного мікро-контролера (вартістю від 3 до 30 у. о.), тоді як у 90-х роках для цього було потрібно задіяти досить продуктивну ЕОМ вартістю більш 800 у. о. (включаючи пристрою зв’язку з об’єктом).

В даний час різними фірмами випускаються як сумісні між собою, так і не сумісні мікро-контролери.

Мається п’ять основних типів архітектурних спеціалізованих мікро-контролерів:

- Рісхх – спеціалізовані одно-кристальні мікро-контролери, побудовані по RISC – архітектурі (спрощена система команд);

- х51 – спеціалізовані одно-кристальні мікро-контролери, побудовані по CISC – архітектурі (набір складних команд);

- AVR8 – спеціалізовані одно-кристальні мікро-контролери, побудовані по RISC – архітектурі;

- SCENIX – спеціалізовані одно-кристальні мікро-контролери, побудовані по CISC – архітектурі з тактовою частотою понад 50 МГц;

- 68Сххх – оптимізовані для промислового і військового застосування побудовані по CISC архітектурі (застосовуються, в основному, у транспортній і військовій областях).

Застосування того або іншого типу мікро-контролера визначається, в основному, складністю і швидкодією системи керування, яку необхідно реалізувати на його базі.

При помірних вимогах до швидкодії і точності можна одержати системи керування, побудовані на мікро-контролерах першого, другого або третього типу практично однакової вартості.

Вибір конкретного мікро-контролера залежить у цьому випадку від розроблювача – його особистих переваг і досвіду практичної роботи – і від наявності інструментальних засобів розробки – кросів-систем програмування.

Як базовий тип мікро-контролера надалі будемо розглядати контролер AVR8 фірми ATMEL.

Сімейство контролерів AVR8 складається (на даний момент) із трьох типів контролерів. Ці типи мають сумісне на рівні машинних кодів і архітектури ядро процесора і базові елементи контролера – ОЗП, пам’ять програм і порти – відрізняючи складом і типами додаткового устаткування – таймери-лічильники, інтерфейси, АЦП і т.п.

Молодша серія контролерів називається ATtiny, випускається в корпусах, що містять від 8 до 32 виводів і від 1 до 2 кілобайт пам’яті програм. Ця серія призначена для побудови малогабаритних пристроїв, що містять, в ідеалі, тільки одну мікросхему – сам контролер.

Стандартна серія – АТ90S – є базовою для великого числа практичних застосувань – від керування побутовими пристроями типу пральної машини-автомата або монітора – до керування приводами крокових, асинхронних двигунів або двигунів постійного струму. Випускається в корпусах з 20÷44 виводами в промисловому (- 40˚С ÷ +85˚С) і комерційному (0˚С ÷ +70˚С) виконаннях і з обсягом пам’яті програм від 1 до 8 кілобайт.

Розширена серія ATmega призначена для застосування в складних пристроях з поліпшеними можливостями в плані інтерфейсів, обсягу пам’яті програм і виконання математичних обчислень. Випускається в корпусах з 28(64 висновками в промисловому (-40˚С ÷ +85˚С) і комерційному (0˚С ÷ 70˚С) виконаннях і з об’ємом пам’яті програм від 8 до 128 кілобайт.

На початку 2005 року фірма об’явила, що контролери серії АТ90S знімаються з виробництва. Замість них у серію ATmega введені додаткові моделі – аналоги серії АТ90S з розширеними функціями.

Базове програмне забезпечення і саму свіжу, обновлену інформацію можна безкоштовно одержати із сервера фірми за адресою в Інтернету: http://www.atmel.com.