Программируемое многофункциональное аналого-цифровое устройство сопряжения

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 19) И 1) 635 А 1 15/7 51)4 С 06 Г 3 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Куйбьппевский политехнический институт им, В.В.Куйбьппева (72) С.М.Крылов(56) Авторское свидетельство СССР У 1088111, кл. Н 03 К 13/02, 1982,Крылов С.М. Программируемый аналоговый интерфейс для МикроЗВМ Научи.-техн. сб. Злектронная промьппленносгь, 1981, У 7 - 8 с. 126-130. (54) ПРОГРАММИРУЕМОЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к вычислительной технике иможет быть использовано в качестве программируемого интерфейса для сопряжения ЗВМ с различными аналог и датчиками. Цель шение точности пр менных интервалов выми устройствамиизобретения - повыобразования врев цифровой кодто в преобразовапервого по третийторы 1 - 4, аналодостигается тем, тель, содержаший аналоговые коммут говое операционно роаналоговый блок режимныи регистр рой 12 аналоговые и второй 11 источ пряжений, блок пр устроиство 2, цифумножения 5, многопервый 6 и втоключи, первый 10 ики эталонных награммного упр 7, дополнител аналоговый ко 24 импульсов, ьгй 19 - 22 мул о по третий 18 й 25 и второй И 23, 2 ил. в ния и компаратор 1 введены четвертый тор 14, генератор первого по четверт плексоры, с первог 28 триггеры, первы счетчики и элемент та ьтиОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯИзобретение относится к вычислительной технике и может бьггь использовано в качестве программируемогоинтерфейса для сопряжения ЗВМ с различными аналоговыми устройствами и5датчиками.Цель иэобретения - повышение точности преобразования временных интервалов в цифровои код.ОНа фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя; нафиг. 2 - функциональная схема блокапрограммного управления преобразователя,15Преобразователь содержит первыйаналоговый коммутатор 1 (АК 1), аналоговое операционное устройство 2(АОУ), второй 3 и третий 4 аналоговыекоммутаторы (АК 2 и АКЗ), цифроаналоговый блок 5 умножения (ЦАБ), первыйаналоговый ключ 6 многорежимный регистр 7 (МРР), блок 8 программногоправления (ЕПУ), первую группу цифровых выходов преобразователя 9 25(ЦВ), первый 10 и второй 11 источникиэталонного напряжения (ИЭН) 9 второйаналоговый ключ 12, группу аналоговых запоминающих устройств 3 (АЗУ),четвертый аналоговый коммутатор 4(АК 4), группу аналогоных выходов преобразователя 15 (АВ), шину 16 нулевово потенциала (1 ШП)9 компаратор 17(КОМП), первый триггер 18 (11), первый мультиплексор 19 (М 1), второймультиплексор 20 (М 2), третий мультиплексор 21 (МЗ), четвертый мультиплексор 22 (М 4), элемент И 23, генератор 24 импульсов (ГИ), первый счетчик 25 (СЧ 1), второй триггер 26 (Т 2),9 9второй счетчик 27 (СЧ 2), третий триггер 28 (ТЗ), вторую 29 и третью 30группы цифровых выходов преобразователя,Блок программного управления содержит запоминающее устройство 31(ДШОЛ), дешифратор операций 35 (ДШБА),группу регистров 36 (Р), формирователь 37 импульсон (ф), тактовый ге.нератор 38 (ТГ)9 триггер 39 (ТП),входы йуска 40 и останова 41 блокапрограммного управления,Работа преобразователя представляет собой последовательность ныдачи на 55соответствующие импульсные, строби"руюшие и информационные выходы БПУнеобходимых сигналов и кодов, управляющих работой аналоговых коммутаторов АОУ, аналоговых ключей, счетчиков СЧ и СЧ 2, мультиплексоров М, М 2, МЗ, М 4, многорежимного регистра МРР, АЗУ, триггеров Т 1, Т 2, ТЗ, а также анализа в соответствующих участках программы определенных входов БПУ, подключенных к мультиплексору 32,При измерении временных интервалон между какими-либо входными импульсными сигналами с повышенной точностью преобразователя функционирует следующим образом. Пусть, необходимо измерить интервал времени между двумя соседними импульсами нходного сигнала (сигнала на одном из входов аналогового коммутатора 1 АК), причем измерение проводится на уровне +1,5 В с целью отстройки от помех с амплитудой, меньшей 1,5 ВДля выполнения указанной функции преобразователь выполняет следуюшую программу (последовательность операций): наоинформационные входы МРР 7 с шиныданных БПУ 8 выдается код, соответствующий уровню +1,5 В, осуществляется его прием в МРР 7 и дальнейшеепреобразование в ЦАБ в аналоговыйсигнал, который через открытый ключ6 подается на второй вход АОУ 2,настроенное управляюшими сигналамис соответстнуюших информационных выходов БПУ 8 на усиление по мощностии/или по амплитуде с выхода АОУ аналоговый сигнал (уровень напряжения+195 В) записывается в одно из АЗУ 13по соЬтветствуюшему сигналу БПУ 8,Затем на адресные входы ЛК 1 подаетсякод адреса канала, по которому произсводится измерение, и тем самым обеспечивается прохождение входного сигнала на выход АК 1, С выхода АК 1 сигнал может быть передан через АОУ 2(с целью усиления по мощности илипо амплитуде) либо непосредственнона вход коммутаторов АК 2 и АК 4, одиниэ которых подключает его к первомувходу компаратора 17, На другой входкомпаратора 17 с выхода АЗУ через настроенный соответствующим образомкоммутатор 14 (АК 4) подается уровень+1,5 В. Указанная коммутация цепейобеспечивает появление на выходекомпаратора 17 уровня логической "1",когда входной сигнал превышает по величине +1,5 В, и противоположного логического уровня - когда входной сигнал по величине меньше +1,5 В, 1425635Далее на адресные входы мультиплексора 20 (М 2) подается код адреса, обеспечивавший подключение ГИ 24 к счетному входу счетчика 25 (СЧ 2), на адресный вход мультиплексора 22 (М) подается код адреса, подключаюший третий М 4 к его выходу, т,е, соотнетствуюший выход БПУ подключается к входу управления счетом СЧ 2, причем на указанном выходе БПУ программно устанавливается логический уровень, запрещающий работу СЧ 2, а на сам счетчик СЧ 2 предварительно заносится (с шины данных БПУ) нулевой код, Затем н программе выполняется анализ сигнала, поступаюшего в БПУ с выхода компаратора 17.В случае равенства выходного сигкала компаратора уровню логической единицы программа вновь переходит на участок, обеспечивающий повторный анализ сигнала с выхода компаратора. Если же сигнал на выходе компаратора стал равен логическому нулю (закончился очередной импульс входного сигнала), БПУ выполняет следующую последовательность команд: устанавливает на втором входе двухвходовой схемы 23 совпадений уровень логической единицы, .затем останавливает себя выдачей в цепь останова "Ост" сигнала через соответствуюший дополнительный выход БПУ. Работа БПУ прекращается и очередная команда из ЗУ 31 не считывается. Работа тактового генератора 38 (и всего БПУ) возобновится лишь после появления сигнала в цепи "Пуск", что произойдет при превышениивходным сигналом уровня +1,5 В, т.е. с началом следуюшего импульса входного сигнала, который вызовет . появление на выходе компаратора 17 уровня логической единицы. Начиная с этого момента вновь начнет работать ТГ 38, произойдет считывание из ЗУ 31 очередной команды и ее выполнение. Для рассматриваемого варианта программы такой командой должна быть команда выдачи на третий вход мультиплексора 22 (МА) логического уровня, разрешаюшего работу счетчика 25. Задержка этого разрешающего ,сигнала относительно момента превышения входным сигналом уровня +1,5 В фиксиронана и может быть вычислена на основе анализа задержек компаратора 17, двухвходовой схемы 23 совпадений, цепи "Пуск" 40, триггера 39,схем ТГ 38, временной диаграммы формирователя 37 фаз, задержки счнтын- ния ЗУ 31, задержки распространениясигнала через ДШОА 34, соотнетствуюший регистр 36 и мультиплексор 22(М 4). Таким образом, начало работыСЧ 1 оказывается жестко привязанным кмоменту превышения входным импульсомуровня +1,5 В.Для определения момента окончанияработы СЧ 1, т.е. момента оконч.аниясчета интервала времени между соседними импульсами входного сигнала поуровню +1,5 В выполняется аналогичнаяпоследовательность действий: сначалаБПУ анализирует сигнал на выходекомпаратора 17. Если он соответствует логической единице (т.е. первыйвходной импульс еше не закончился),БПУ переходит на повторный анализсигнала с выхода компаратора, еслиже сигнал на выходе компаратора сталравен логическому нулю (т,е. первыйимпульс входного сигнала закончился), БПУ выполняет команду своегоостанова, Поскольку на второй входсхемы 23 совпадений по-прежнемуподается логическая единица, БПУ запустится вновь, как только на выходекомпаратора 17 появится уровень логической единицы (свидетельствуюший,что амплитуда следующего - второгоимпульса превысила уровень +1,5 В).Первой выполняемой после останонакомандой должна быть команда выдачина третий вход мультиплексора 22(М 4) логического уровня, останавлинаюшего работу счетчика 25( СЧ 1).Момент останова СЧ 1 также строго фиксирован относительно момента превышения вторым импульсом входного сигнала уровня +1,5 В и определяется задержками в тех же элементах, что имомент запуска СЧ 1. После остановаСЧ 1 с его информационного выхода через ЦВ 29 может быть считан код, пропорциональный интервалу времени между двумя последовательными импульсами входного сигнала по уровню +1,5 В,Таким образом, устраняется погрешность, связанная с неопределенностьюмомента переключения комаратора 17в течение времени выполнения командн БПУ, поскольку работа БПУ строгосинхронизируется с таким переключением. Кроме того, частота ГИ 24 можетбыть намного больше частоты ТГ 38 ибыть близкой к максимально возможной356ночному входу, Сигнал с выхода Т 2после этой установки должен разрешать работу СЧ 2 по входу управления счетом СЧ 1 в случае соответствующей настройки МЗ. Счетчики СЧ 1 и СЧ 2 обнуляются, М 2, М и МЗ настраиваются соответственно на передачу импульсовиз ГИ на счетный вход СЧ 2, с выходакомпаратора на вход СЧ 2, с выхода Т 2на вход управления СЧ 2, Счетчик СЧ 1начинает отсчитывать Фиксированныйинтервал времени, СЧ 2 - импульсывходного сигнала, прошедшие черезкомпаратор эа этот интервал, При переполнении СЧ 2 триггер Т 2 переключится в противоположное состояние изапретит счет входных импульсов вСЧ 2. Результат может быть считан че"реэ соответствующие ЦВ, Процесс счета может быть синхрониэирован с одним иэ входных импульсов по сигналамкомпаратора в соответствии с рассмотренным ранее алгоритмом,измерять и саму длину (длительность)входного импульса по заданному уровню (например, по тому же уровню+1,5 В). Для этого на адресный входмультиплексора М 4 подается код адреса, обеспечивающий подключение первого входа М 4 к входу управления счетом счетчика СЧ 1, Компаратор 17 подключается с помощью АК 2 и АК 4 к источнику входного анализируемого сигнала и выходу АЗУ с хранящимся в немопорным уровнем напряжения (+1,5 В) так,чтобывыходной сигнал компаратора, проходя через М 4 на вход управления счетомСЧ 1, разрешал работу СЧ 2, когда вход"ной сигнал.(на входе АК 1) превышаетуровень +1,5 В, и запрещал, когдавходьой сигнал меньше уровня +1,5 В.С помощью рассмотренной ранее программы работа дискретно-аналоговогомикропроцессора также может бытьстрого синхронизирована с появлениемпереднего Фронта первого входногоимпульса. По окончании первого импульса входного сигнала в СЧ 1 будетнаходиться код, пропорциональныйдлине этого импульса по уровню +1,5 В.(Как обычно, перед началом измеренияСЧ 1 должен быть обнулен и подключенс помощью М 2 к выходу ГИ), Для повышения точности измерения длительностиимпульсов по рассмотренному алгоритму или с целью статистического осреднения этого параметра может быть поо 14256 для счетчика СЧ 2, т.е, само измерение интервалов времени может происходить с более высокой разрешающей способностью.Рассмотренная программа является базовой при точном измерении интервалов между событиями, Фиксируемыми с помощью компаратора 17. На ее основе строятся другие аналогичные прог" раммы с использованием других дополнительно введенных в структуру дискретно-аналогового микропроцессора элементов и связей между ними. Так с помощью триггера 18 (Т 1) Фиксиру"- ются короткие импульсы с выхода ком" паратора 7, длительность которых меньше времени выполнения команды в БПУ. В этом случае после повторно" го запуска БПУ (по рассмотренному алгоритму) первый анализ выходного сиг" нала компаратора 17 может показать,что он соответствует уровню логического нуля, поскольку импульс входно" го сигнала закончился в. течение пери бо ода выполнения команды анализа, Под" тверждением того факта, что импульс входного. сигнала на самом деле прошел через компаратор, служит состояние триггера 8 (предварительно он ,устанавливается по второму установоч" ному входу соответствующей командой ,ВПУ). Анализ выхода триггера 18 проводитсй аналогично анализу выхода компаратора 17, т.е. по соответствующему входу мультийлексора 32 БПУ,Подключение выхода переполнения СЧ 1 к счетному входу СЧ 2 через мультиплексор 19 обеспечивает точное измерение длительных интервалов времени за счет увеличения обшей разрядности счетчика, Результат измерения считывается через соответствующие цифровые выходы 30 и 29 поочередно, Триггеры 26 (Т 2) и Т 28 (ТЗ) позволяют Фиксиро" вать переполнение счетчиков 25 и 27 соответственно и, кроме того, могут управлять работой СЧ 1 и СЧ 2 через соответствующие входы мультиплексоров 2) и 22, Этот режим используется при точйом измерении числа импульсов входного сигнала за Фиксированный отрезок времени, отсчитываемый счетчиком СЧ 1 по импульсам ГЦ 24. В данном случае мультиплексор 21 настраивается на передачу сигнала запрета счета СЧ 2 с выхода БПУ через третий вход МЗ, а Т 2 устанавливается импульсом с выхода БПУ по второму устаноПреобразователь позволяет такжености последовательности из нескольких входных импульсов. Для этого сигнал с выхода компаратора также подается череэ М 4 на вход управления счетом С 12 и, кроме того, через М 1 на счетный вход СЧ 1 для подсчета обшего числа входных импульсов, у кото; рых измерялась суммарная длительность (по уровню +1,5 Б). Счетчик СЧ 1 может быть предварительно установлен в определенное состояние с тем, чтобы появление сигнала переполнения на выходе СЧ 1 (и установка ТЗ в соответствующее состояние) происходило после заданного числа входных импульсов. Установка СЧ 1 производится путем занесения в него соответствуюшего кода с шины данных БПУ, Момент времени, когда число анализируемых входных импульсов достигло заданного значения, опрецеляется по переключению триггера ТЗ.При измерении интервалов времени очень большой длительности собственная частота введенного в дискретно- аналоговый микропроцессор генератора импульсов ГИ может оказаться чрезмерно высокой, что приведет к переполнению счетчиков СЧ 2 и СЧ 1 даже в случае их последовательного вк,пючения Расширение динамического диапазона при измерении интервалов времени в данном случае обеспечивается эа счет перехода на программную реализацию генерирования импульсов для счетчиков СЧ 1 и СЧ 2, Приэтом соответствуюшие выходы БПУ подключаются через вторые входы мультиплексоров М и М 2 к счетным входам СЧ 1 и СЧ 2. Программное генерирование прямоугольных импульсов на вторых входах М 1 и М 2 состоит в поочередной выдаче на соответствуюшие дополнительные выходы БПУ уровней логического нуля и логической единицы, Аналогично формируются импульсы (на вторых входах М и М 2) при организации программного счета событий, происходяших при выполнении раэличчых программ.На практике возможно также использование самых различных модификаций рассмотренных вариантов программ и схем коммутации дополнительно. введенных в устройство АК 4, М 1, М 2, МЗ, М 4, Т 1 Т 2, ТЗ, ГИ, двухвходовой схемы совпадений, а также различные сочетания программ друг с другом. ведено измерение суммарной длитель 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 Формула изобретения Программируемое многофунк циональное аналого-цифровое устройство сопряжения, содержашее с первого по третий аналоговые коммутаторы, аналоговый операционный блок, первый и второй аналоговые ключи, цифроаналоговый блок умножения, многорежимный регистр, группу из М аналоговых зпоминаюших блоков, блок программного управления, компаратор, выход которого соединен с первым входом обратной связи блока программного управления и первым входом задания режима многорежимного регистра, информационные выходы которого соединены с информационными входами цифроаналогового блока умножения и являются первой группой цифровых выходов устройства, информационные входы, второй вход задания режима и вход сброса многофункционального регистра соединены соответственно с выходами установки начальных данных, первым и вторым выходами блока программнопо управления, первая - пятая группы выходов которого соединены соответственно с управляюшими входами первого, второго и третьего аналоговых коммутаторов, с входами задания режима аналогового операционного блока и входами записи соответствуюших анало"овых запоминающих блоков группы, выход К-го аналогового эапоминаюшего блока группы (где К=1.М) соединен с К-м информационньм .входом второго аналогового коммутатора, с (К+2)-м входом аналогового операционного блока и является К-м аналоговым выходом группы преобразователя, выход первого аналогового коммутатора соединен с первыми информационными входами третьего аналогового коммутатора и аналогового операционного блока, и с (М+1)-м информационным входом второго аналогового коммутатора, (М+2)-й информационный вход ко" торого соединен с входом нулевого потенциала преобразователя, а (М+3)-й вход которого соединен с входами аналоговых запоминаюших блоков группы, с выходом аналогового операционного блока.и входом второго аналогового ключа, выход которого соединен с первым аналоговым входом цифроаналогового блока умножения, второй аналоговый вход которого соединен с выходомтретьего аналогового коммутатора, второй и третий информационные входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго источни 5 ков эталонного напряжения и (М+4)-м и (М+5)-м входами второго аналоговогго коммутатора, выход которого соединен с первым входом компаратора выР ход цифроаналогового блока умножения соединен с входом первого аналогового ключа, выход которого соединен с торьв входом аналогового операционного блока, входы первого аналогового коммутатора являются информационныли входами устройства, управляющие ходы первого и второго аналоговых ;лючей соединены соответственно с 1 гервым и вторым выходами блока про-раммно 1 о управления, . о т л и ч а -щ е е с я тем, что, с цею попы" мщения точности преобразования временных интервалов в цифровой код, в реобразователь введены генератор имульсов, с первого по четвертый муль" 25 иплексоры, первый и второй счетчики,первого по третий триггеры, четвертый аналоговый коммутатор и элемент ф, выход которого соединен с вторым :рходом обратной связи блока програгл- ЗО Много управления, выходы с третьего по двенадцатый которого соединены соответственно с входами сброса с первого по третий триггеров, первыми ин" формационными входами с первого по четвертый мультиплексоров, с входами35 записи первого и второго счетчиков и с, первым входом элемента И, второй 0 ход которого соединен с входом установки в "1" первого триггера, с40 вторыми входами с первого по четвертый мультиплексоров и с выходом компаратора,.второй вход которого соединен с выходом четвертого аналогового коммутатора, входы которого соединены с соответствующими входамитретьего аналогового коммутатора, ауправляющие входы соединены с шестойгруппой выходов блока программногоуправления, третий вход обратнойсвязи которого соединен с прямым выходом первого триггера и с третьимивходами третьего и четвертого мультиплексоров, управляющие входы которыхсоединены соответственно с седьмойи восьмой группами выходов блокапрограммного управления, четвертыйи пятый входы обратной связи которогосоединены соответственно с прямымивыходами второго и третьего триггерови с четвертыми ьходами третьего ичетвертого мультиплексоров, выходыкоторых соединены соответственно суправляющимивходами второго и первого счетчиков, выходы переполнениякоторых соединены соответственно свходами установки.в "1" третьего ивторого триггеров, выход переполнения первого счетчика соединен такжес вторым входом первого мультиплексора, управляющие входы первого и второго мультиплексоров соединены с девятой и десятой группами выходов блокапрограммного управления, выход установки начальньи данных которого соединен с информационными входами первого и второго счетчиков, счетнь 1 евходы которьи соединены соответственно с выходами второго и первого мультиплексоров, а информационные выходыпервого и второго счетчиков являютсявторой и третьей группами цифровыхвыходов устройства, третий вход пер"вого мультиплексора соединен с выхо"дом генератора импульсов.1425635 Составитель 0 Техред М.Дидык едактор С. П ева аказ 4769/ Подписное митета СССРоткрытийя наб., д, 4 Уж изводст о-полиграфическое предприяти роектная ул. Тираж 704 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 3035, Москва, Ж, Раушск