курсовая. Предусмотреть 5 5 1 структурная схема системы управления 6

• Название: Предусмотреть 5 5 1 структурная схема системы управления 6
• Анкор: курсовая
• Дата: 15.02.2023
• Размер: 1.85 Mb.
• Имя файла: Kursovaya (1).docx
• Тип: Документы; #937576
• страница: 9 из 12

4.3 Анализ и выбор компонентов аналоговых интерфейсных схем

При разработке вариантов интерфейсных схем будем учитывать наихудшие из возможных сочетаний влияющих факторов. В этом случае можно будет гарантировать работоспособность разработанных схем для большинства известных применений распределенной системы сбора данных и управления серии ADAM-4000.

Численные значения значений параметров (наихудший вариант) взяты из технической спецификации на микроконтроллер MSP430F149 и приведены на рисунке 2.6. В большинстве случаев эти значения соответствуют номинальному

напряжению питания цифровой части DV_cc = 3 В. В случаях другого значения DV_cc в тексте будут даны соответствующие комментарии.

Отметим, что выходное сопротивление r_DS(on) выходов MSP430F149 во внимание принимать не будем ввиду выбора при расчётах высокоомных внешних резисторов. В этом случае по сравнению с ними выходное сопротивление r_DS(on) (не более 167 Ом) пренебрежительно мало.

Далее при расчетах будем использовать следующие обозначения: а) напряжение питания внешней системы V_(sys);

б) выходное напряжение логической «1» внешней системы V_(sysH); в) выходное напряжение логического «0» внешней системы V_(sysL); г) входное напряжение логической «1» внешней системы V_(sys+);

д) начальный разброс интерфейсных резисторов p.

При расчетах будем учитывать, что минимальное напряжение питания DV_CC(min) для MSP430 при DV_CC= 3,0 В 10% составит 3,0 В 0,9 =2,7 В.

Данные входные преобразователи, как уже указывалось выше, рассчитаны на согласование MSP430 с аналоговой и цифровой периферией с напряжением питания 5 В. Их также можно применять и при более высоких значениях напряжения питания периферии, например, для согласования входа микроконтроллера MSP430 с 12-вольтовыми сигналами.

Наиболее простым решением проблемы является использование входных преобразователей на резистивных делителях. Схема такого преобразователя приведена на рисунке 2.7


32




Рисунок 2.6 – Предельные значения некоторых параметров MSP430.
^VI(sys) ^{3 В}


V
0 В
Рисунок 2.7 Резистивный входной преобразователь для 5 В периферии.

Внешний сигнал от периферии VI_(sys) подаётся на вход MSP430. Значения резисторов R1 и R2 для наихудших случаев могут быть рассчитаны по формулам (2.1) – (2.3).

R1 R2

R1 R2
R1|| R2

(2.1)

(2.2)

(2.3)

Первые два неравенства обеспечивают превышение входным напряжением V_I(430) на входе MSP430 соответствующих наихудших пороговых значений. Третье неравенство обеспечивает отсутствие влияния тока утечки I_lkg входных защитных диодов MSP430 на входное напряжение V_I(430) . Для исключения протекания тока через эти диоды, необходимо выполнение условий (2.4) и (2.5):

max

R2 max _DV

(2.4)

^V(sysH)

R1min

R2 max

CC(min)

_V min

R2min
0,3
(2.5)

(sysL)

R1max

R2 min

Например, входные напряжения от внешней системы V_(sysH)=5,0 В 10% и V_(sysL) =0,5 В 10%. Технологический разброс резисторов р= 5%. Минимальное напряжение питания микроконтроллера DV_CC(min)=2,7 В (3,0 В – 10%). Учитывая

данные рисунка 2.4 на входные пороговые уровни V_IT(max) и V_IT(min) и величину входного напряжения V_(sysH)min получим:

^{R1 V}( sysH) ^{min V}IT(max)

4,5-1,9
1,244

^{R2 V}IT(max) ⁽¹

2 p)

1,9 (1 0,1)

Условие для входного напряжения низкого уровня V_(sysL)max:

R1

1,0 0,9
0,1234

R2 0,9 (1 0,1)
Для обеспечения незначительности влияния тока утечки I_Ikg:

R1 || R2
| I_lkg |

3

| 50 10 ¹² |
60MOм

(2.6)

Эти три расчётные формулы допускают достаточно широкий диапазон для выбора R1 и R2. Если выбрать R1/R2 = 1,0 и R1||R2 = 600 кОм, то соответственно получим R1 = 1,2 МОм и R2 = 1,2 МОм. для предотвращения протекания тока через входные защитные диоды МSР430 необходимо, чтобы выполнялись условия (2.4) и (2.5).

Подставляя в них числовые значения в данные неравенства, получим:




0,0 0,3В.
В обоих случаях неравенства выполняются 2,888<3,0 и 0,00>-0,3. Выполнение неравенств не имеет большой важности, если значение тока через вывод МSР430 гораздо меньше, чем 2 мА (абсолютный, максимум допустимого значения входного тока). Именно такой случай имеет место в нашем примере при R1|| R2 = 600 кОм.

Приведенные выше расчётные формулы справедливы для следующих выводов МSР430, настроенных на ввод (предельные уровни напряжений взяты из технической спецификации на микроконтроллер MSP430F149):

а) все порты ввода/вывода Р1…Р6;

б) входы кварцевого резонатора XIN и XT2IN (V_IL(X)max=0,2·DV_CC, V_IL(X)min=0,8·DV_CC);

в) вход RST/NMI (V_ILmax=DV_SS+0,6 В, V_IHmin=0,8·DV_CC);

г) входы компаратора, таймеров и UART/SPI; д) входы АЦП ADC12.

Операционные усилители (ОУ) являются лучшим решением для входных преобразователей в тех случаях, когда они уже используются в системе (рисунок 2.8). Например, для ОУ TLC27L4 обходимо ограничить входные напряжения до уровня не выше, чем V_DD+ 0,3 В. Минимальное напряжение питания микросхемы TLC27L4 V_CC(min) = 3 В.



Рисунок 2.8 Входной преобразователь на операционном усилителе.

Формулы для вычисления номиналов резисторов R1 и R2 по схеме, приведённой на рисунке 2.8, даны для наихудших случаев:

^R1 (2.7)

R2
(2.8)

R1 || R2 (2.9)
В данной схеме ОУ используются компараторы, формирующие требуемый уровень напряжений на входах MSP430. Значения напряжений срабатывания компараторов определяются по формулам:

_V (2.10)

ref(max) ^CC(max)

_V (2.11)

ref(min) ^CC(min)
В качестве входного преобразователя для согласования с периферийными устройствами с напряжением питания 5 В и 12 В могут быть использовы буферные каскады транзисторных матриц, таких как ULN2003A (рисунок 2.9).



Рисунок 2.9 – Использование буферных транзисторных матриц для взаимодействия с аналоговой периферией.

Последовательный резистор RV (p= 5%) для входного сигнала амплитудой 12В (V_(sysH)min= 11 В) рассчитывается следующим образом:

_R ^V( sysH) <sup>min

V</sup>I(on) ^min

11 2,4


6,6кОм. (2.12)

^V(1

p) I

I(on)

max

1,05 1,35 10 ³

Подтягивающий резистор R_p на входе MSP430 может быть рассчитан по формуле:

R
3 1,9

^P1,05 1,35 10 ⁶

20,9кОм. (2.13)

Для реализации интерфейсов периферии с напряжением питания 5 В можно использовать любые КМОП микросхемы, удовлетворяющие следующим условиям:

а) работоспособность при питающем напряжении 3,3 В или менее;

б) с явно указанной возможностью работы с входными уровнями более 3,3 В. Указанным требованиям соответствуют микросхемы семейства АНС и

LVC. Их можно подключить к источнику питания 3,3 В микроконтроллера MSP430. Однако нужно обязательно проверить, действительно ли выбранная микросхема допускает подачу входных сигналов с уровнем выше, чем уровень источника питания 3,3 В.

Выходные преобразователи не требуются для работы с ЖКИ и с пассивными датчиками. Их можно соответствующим образом подключать непосредственно к MSP430, в других случаях необходимо применение интерфейсных схем.

Согласование с периферией, имеющей напряжение питания V_(sys) до 16 В можно реализовать на базе счетверённого ОУ ТLС27L4 (рисунок 2.10).

Резистивные делители на инвертирующих входах ТLС27L4 создают напряжения около 1,5 В. Номиналы резисторов R_B1 и R_B2 должны удовлетворять условиям:

^RB1

|| R_B2

DV_CC

^IIkg(Op)

3

4 0,7
₁₀ 12

1,07ГОм.

В качестве выходных преобразователей 3-вольтовых с 5-вольтовыми схемами можно использовать практически любые TTЛ совместимые микросхемы, например, такие, как семейства НСТ и АНСТ. То же самое справедливо и для биполярных ИС.

Рисунок 2.10 Выходной преобразователь на операционном усилителе.