Характеристики OP747AR:

-низкое напряжение смещения - 100 В максимально;

-низкий входной ток смещения - 10 нА максимально;

-одинарная задача, напряжение - 2,7В до 30В;

-двойная задача, напряжение - 1,35В до 15В;

-низкий ток - 300мА/А максимально;

-большая стабильность.

5 Описание и принцип работы USB-приставки

5.1 Технические характеристики

Разрядность АЦП - 12 двоичных разрядов

Минимальный период повторения отсчетов - 300мкс.

Интервал входных сигналов (без делителя) - от (-1,25 до +1,25) В.

Входное сопротивление - 1 МОм.

Входная емкость - 30пФ.

5.2 Описание работы устройства ввода аналоговой информации

В большинстве случаев информация о протекании того или иного физического процесса фиксируется датчиками в виде непрерывного изменяющихся величин. Чтобы ввести информацию в ЭВМ, необходимо произвести ее преобразование в цифровой код. Такое преобразование осуществляется с помощью преобразователей типа «аналог - код». Процесс преобразования непрерывной информации в цифровой код можно разбить на два этапа: квантование, кодирование [4].

Квантование - разбиение непрерывно изменяющейся величины на определенное конечное число дискретных элементов или состояний (квантовых уровней), уровней потенциала, последовательности импульсов и др. Количество уровней квантования определяется, с одной стороны, требуемой точностью представления измеряемого параметра, с другой - разрешающей способностью чувствительного элемента, т.е. датчика. На точность представления непрерывной величины дискретными значениями влияет частота квантования.

Кодирование - преобразование соответствующих квантовых уровней параметра Х в форму, удобную для ввода в машину.

В зависимости от принципа кодирования аналого-цифровые преобразователи разделяются на три группы:

а) преобразователи последовательного счета - преобразователи с кодированием по принципу счета квантовых уровней, каждому из которых соответствует электрически импульс, эквивалентный единице младшего разряда цифрового кода;

б) преобразователи считывания - преобразователи с кодированием по принципу прямого счета, при котором каждый квантовый уровень кодируется независимо от других в полнее определенной комбинацией двоичных знаков, эквивалентной аналоговой величине;

в) преобразователи сравнения и вычитания - преобразователи с кодированием по принципу сравнения величины с набором эталонных значений (сравнение начинается с максимальной эталонной величины); после каждого сравнения и вычитания формируется значение данного разряда, а полученная разность используется для сравнения со следующим меньшим эталоном.

В качестве преобразователей аналоговых величин в дискретные используются преобразователи типа «вал - число» и «напряжение - число».

USB приставка, преобразующая аналоговые входные сигналы в цифровые данные для виртуальных измерительных приборов: цифрового вольтметра, осциллографа, регистратора медленно текущих процессов с записью информации в дисковый файл. Приставка не требует отдельного источника питания, получая его от USB.

Указанные значения входного сопротивления и емкости дают возможность подавать входной сигнал с помощью стандартного щупа-делителя напряжения для обычного осциллографа. Подходят, например, щупы PROBE60S, НР-9060. Разработанная для работы с приставкой программа обеспечивает наблюдение осциллограмм сигналов на экране монитора при скорости временной развертки 0,3... 100 мс/дел. В режиме регистратора программа ведет запись отсчетов сигнала с максимальным периодом повторения 100 с в текстовый файл (кодировка ASCII), пригодный для анализа с помощью других программ.

Исследуемый сигнал поступает на разъем XW1. На ОУ DA1.2 выполнен повторитель, а на DA1.1 -- узел сдвига уровня, необходимый для превращения биполярных (-1,25...+1,25 В) сигналов в однополярные (0...+2.5), которые способен обрабатывать АЦП DA2. Образцовое напряжение +2,5 В подано на узел сдвига с соответствующего выхода АЦП через повторитель на ОУ DA1.3. Использован 12-разрядный АЦП AD7495 с последовательным интерфейсом. Сигналом начала цикла преобразования служат смена высокого уровня на входе CS АЦП низким при вы-соком уровне на входе SCLK. Затем на вход SCLK подают 16 импульсов низкого уровня. На выходе SDAT в ответ на четыре первых импульса будет установлен низкий уровень, а на каждый из 12 последующих -- уровень, соответствующий значению очередного разряда результата преобразования, начиная со старшего. Завершают цикл установкой высокого уровня на входе CS.

Для передачи результата преобразования в компьютер применен интерфейс USB, реализуемый с помощью ми-кросхемы FT232BM -- преобразователя USB--RS-232. Эта микросхема спо-собна работать в режиме Bit Bang , в котором линии ее порта RS-232 образуют восьмиразрядную параллельную шину данных с индивидуальной настройкой разрядов на ввод или вывод. Программную поддержку режима Bit Bang в компьютере обеспечивает драйвер D2XX.

Чтобы сформировать нужную временную диаграмму сигналов управления АЦП, компьютерная программа заполняет выходной буфер USB байтами, несущими в соответствующих разрядах значения этих сигналов в каждом такте. Для одного цикла работы АЦП требуется сформировать и передать 34 байта (по два на каждый тактовый импульс и еще два для управления сигналом CS). Темп выдачи значений из этих байтов на выходы DTR и RTS пре-образователя интерфейса, с которыми соединены входы CS и SCLK АЦП, зависит от настройки внутреннего синтезатора тактовой частоты преобразователя. Наст Настройку изменяют командами от компьютера, регулируя таким образом скорость работы АЦП, а вместе с ней и частоту дискретизации входного сигнала.

Последовательный выход АЦП соединен с входом CTS преобразователя интерфейса, благодаря чему результаты работы АЦП поступают в буфер преобразователя интерфейса, а из него по USB -- в компьютер. В связи с особенностями протокола обмена по USB передача информации в компьютер происходит с довольно большой, а главное, непредсказуемой задержкой. Чтобы решить проблему, на вход DSR преобразователя интерфейса подан тот же сигнал, что и на вход CS АЦП. Получая информацию об уровнях на входе CS и на выходе SDAT АЦП одновременно, компьютерная программа имеет возможность найти в полученной последовательности начало и конец каждого цикла преобразования и правильно декодировать его результат.

В приставке реализовано важное преимущество интерфейса USB -- как уже сказано, ей не требуется отдельный источник питания. Напряжение +5 В поступает на микросхемы с контакта 1 розетки XS1 через развязывающие LC-и RC- фильтры. Напряжение -5 В, необходимое для питания ОУ DA1, получено с помощью преобразователя напряжения DC-101 фирмы YCL. Аналогичный можно найти на плате неисправного компьютерного адаптера сети Ethernet, предназначенного для связи по коаксиальному кабелю. Пригодны и другие модули преобразователей постоянного напряжения 5 В в 5...9 В с гальванической развязкой.

Приставка собирается на макетной плате. На плате распологаются все элементы, за исключением разъема XW1. Монтаж выполнен проводом МГТФ. Выводы малогабаритных микросхем соединены с контактными площадками макетной платы отрезками луженого провода диаметром 0,2 мм.

Коаксиальный разъем XW1 -- СР-50-73ФВ (BNC Jack). XS1 -- розетка USB-B для печатного монтажа, ее стандартным кабелем соединяют с одной из розеток USB-A компьютера.

Подключенную к разъему USB приставку операционная система компьютера автоматически опознает как новое USB-устройство. Прочитав его идентификаторы (микросхеме FT232BM по умолчанию присвоены

VID=0x0403 и РЮ=0х6001), она пытается найти в памяти компьютера и установить подходящий программный драйвер устройства. Если сделать это самостоятельно ей не удалось, система попросит пользователя указать путь к папке, в которой находятся необходимые файлы. Последние версии требующегося для работы приставки драйвера D2XX для различных операционных систем находятся на интернет-странице [8].

Разработанная для работы с приставкой программа USCOPE, основное окно которой показано на рисунке 8, позволяет измерить среднее значение входного напряжения АЦП и наблюдать осциллограмму поданного на его вход сигнала.

Рисунок 7 - Вид основного окна программы UScore

Кнопками на панели TIME/DIV-Scope изменяют скорость "развертки", а на панели INPUT DIVIDER устанавливают соответствие показаний вольтметра измеряемому напряжению при использовании щупа-делителя.

Органами управления, расположенными на панели Syncro, выбирают вид синхронизации развертки и управляют условиями ее запуска. Синхронизация реализована программно и основана на поиске отсчета, удовлетворяющего заданным условиям, в буфере принятых от АЦП данных. Выбрав в меню "File" пункт "Save Image...", можно записать наблюдаемую осциллограмму в графический файл.

В режиме регистратора, в который входят, нажав на панели TIME/DIV-- Recorder одну из кнопок, задающих период повторения отсчетов в секундах, программа записывает принятую от АЦП информацию в текстовый файл практически неограниченного размера. По умолчанию будет создан файл data.txt, но это имя можно изменить, выбрав в меню "File" пункт "Save Data As...".

В окне Options, открывающемся при выборе одноименного пункта главного меню, можно задать Device ID -- имя, по которому программа ищет пристав-ку АЦП в списке подключенных к компьютеру устройств. Оно должно совпасть с заданным при установке драйвера, по умолчанию -- "USB <-> Serial".

В том же окне можно ввести число, корректирующее ноль шкалы напряжения. Обычно его подбирают таким, чтобы при замкнутом входе приставки показания цифрового табло в правой верхней части главного окна стали нулевыми.

Кнопки Power ON/OFF служат для логического включения и выключения АЦП. При отключении приставки от компьютера программа автоматически переходит в режим OFF.

При пользовании приставкой следует помнить, что вход осциллографа не изолирован от компьютера. Измерения в цепях, непосредственно связанных с питающей сетью, необходимо производить с помощью разделительного трансформатора.

6 Конструктивный расчёт печатной платы

При разработке конструкции печатной платы (ПП) решаются задачи размещения элементов на ПП, трассировки печатных проводников, выбора метода изготовления ПП, расчета конструктивных параметров ПП.

Технология изготовления печатной платы зависит от конструктивных особенностей изготовления платы. На данный момент считаем, что отверстия у нас не металлизированные; материал для ПП - стеклотекстолит, монтажные отверстия изготовлены химическим методом; отступ от краев ПП равен 10 мм; расстояние между элементами равно 1,5 мм; диаметр крепежных отверстий равен 4,0 мм (в соответствии с рекомендованными параметрами взятых из [3]).

По условию задания даны следующие ИМС и ЭРЭ:

а) микросхемы - три

- FT232BM, корпус LQFP-32;

- OP747AR, корпус R-14;

- AD7495AR, корпус SO-8;

б) конденсаторы - двенадцать

- К53-14-6,3В-10мкФ-10%, корпус K53-14;

- К10-7В-М47-30пФ, корпус K10-7B;

- К10-7В-М47-0,1мкФ, корпус K10-7B;

- К10-7В-М47-27пФ, корпус K10-7B;

- К10-7В-М47-0,033мкФ, корпус K10-7B;

в) индуктивности - две

- 220К-22мкГн, корпус P2-73;

г) резисторы - девять

- МЛТ-0,125-1МОм-10%, корпус МЛТ-0,125;

- МЛТ-0,125-100кОм-10%, корпус МЛТ-0,125;

- МЛТ-0,125-470Ом-10%, корпус МЛТ-0,125;

- МЛТ-0,125-1,5кОм-10%, корпус МЛТ-0,125;

- МЛТ-0,125-270Ом-10%, корпус МЛТ-0,125;

д) кварцевый резонатор - один

- PR-1100-6МГц, корпус PR-1100;

е) преобразователь напряжения - один

- DC-101, корпус TMA0505D;

ж) штепсельные разъёмы - два

- СР-50-73ФВ (BNS)

- USB-A

Данные о габаритах корпусов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5