Описание схемы электрической принципиальной. Описание работы схемы электрической принципиальной приложение Б проведем по узлам представленным на электрической функциональной схеме приложение А в обязательном графическом материале к дипломному проекту. В режиме анализа электрического сигнала исследуемый сигнал через разъем XS1 поступает во входное устройство.
Входное устройство представляет собой частотно-скомпенсированный делитель с ограничителем выходного сигнала. Схема обеспечивает постоянное высокое входное сопротивление 1МОм, входную емкость 20 пФ и ослабляет уровень входного сигнала в 10 раз во всей полосе рабочих частот.
Делитель напряжения выполнен на элементах R9, R10, C3, C4. Конденсаторы С3, С4 необходимы для компенсации паразитных индуктивностей при работе на высоких частотах. На диодах VD1, VD2 собран амплитудный ограничитель, защищающий устройство от повреждения в случае подачи на вход повышенного напряжения. В области рабочих величин входного напряжения диоды смещены в обратном направлении и не вносят изменений в работу схемы.
Далее исследуемый сигнал подается на переключатель режима работы входа. Схема позволяет обеспечить работу устройства как с открытым входом, так и с закрытым. В качестве коммутатора сигнала используется аналоговый мультиплексор DA3. Режим работы входа задается программно и в виде управляющего сигнала поступает на вход IN мультиплексора. Конденсатор C6 отсекает постоянную составляющую. Блокировочный конденсатор C5 предотвращает распространение импульсных помех по питающим проводникам и взят из типовой схемы включения ИМС. С выхода DA3 сигнал поступает на ОУ DA4, включенный по схеме неинвертирующего усилителя.
Резистор R11 определяет входное сопротивление каскада. Подстроечный резистор R13 необходим для балансировки DA4. Коэффициент усиления для неинвертирующего включения ОУ зависит от сопротивления резисторов в цепи обратной связи R1 - R4 и R12 . Выбор коэффициента усиления, а следовательно и чувствительности входа осуществляется подключением одного из резисторов R1 - R4 с помощью аналогового мультиплексора DA1. Выбор коэффициента усиления производится программно, его величина в виде цифрового кода защелкивается в выходном регистре ПЛИС и подается на управляющие входы аналогового мультиплексора DA1. Неточность установки выбранного коэффициента усиления может быть скомпенсирована программным способом.
Далее исследуемый сигнал поступает на микросхему DA6, которая представляет собой высокоточный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь, работающий по методу последовательного приближения и позволяющий оцифровывать биполярный входной сигнал в диапазоне от -2,5В до 2,5В. Сигнал запуска -CONVST для АЦП вырабатывается микросхемой ПЛИС DD1. Частоту выборок АЦП регулируют программно.
По окончании преобразования АЦП вырабатывает сигнал -BUSY, который свидетельствует о готовности данных. Затем ПЛИС активизирует сигналы -CS и -RD и считывает данные с выходов АЦП. Блокировочные конденсаторы C8 - С11 исключают возможность появления помех по питающим проводникам и выбраны в соответствии с рекомендациями по включению ИМС. В устройстве предусмотрена возможность как внутреннего запуска так и запуска в режиме внешней синхронизации.
При этом сигнал запуска, с нормируемыми характеристиками, поступает через разъем XS2 на вход аналогового компаратора DA5, питаемого однополярным напряжением 3,3В, что хорошо согласуется с логическими уровнями трехвольтовой логики ПЛИС. Конденсатор C12 отсекает постоянную составляющую. Диоды VD3, VD4 ограничивают выбросы входного напряжения по уровням -0,4В и 3,7В во избежание повреждения входных цепей микросхемы DA5. Цепь R16, R17, C13 обеспечивает уровень напряжения 1В на инвертирующем входе DA5 и устанавливает низкий уровень напряжения на выходе уcилителя-ограничителя при отсутствии запускающих импульсов.
В режиме синтеза электрических сигналов цифро-аналоговый преобразователь DA7 производит преобразование кода в напряжение. Код на входы ЦАП подается с выхода шины данных микросхемы ПЛИС. Характеристики выходного сигнала задаются программно.
ЦАП включен по схеме, при которой формируется выходное напряжение в диапазоне от -Uоп до Uоп. Выходной сигнал Uоп микросхемы АЦП DA6 используется в качестве источника опорного напряжения для ЦАП. С выхода DA6 опорное напряжение величиной 2.5В делится при помощи резистивного делителя R18, R21 и через ОУ DA8 подается на вход опорного напряжения ЦАП. Резисторами R19, R20 задают коэффициент передачи в схеме инвертирующего включения микросхемы ОУ DA8. Конденсаторы C14, C15 предотвращают появление высокочастотной составляющей в цепи опорного напряжения.
Выходной усилитель DA9 представляет собой широкополосный операционный усилитель с повышенной нагрузочной способностью и обеспечивает изменение выходного напряжения в диапазоне от -5В до 5В. Микросхема ОУ DA9 включена по схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления для неинвертирующего включения ОУ зависит от сопротивления резисторов в цепи обратной связи R5 - R8 и R22 . Выбор коэффициента усиления, а следоватеьно и диапазона изменения выходного напряжения в режиме 12-разрядного преобразования осуществляется подключением одного из резисторов R5 - R8 с помощью аналогового мультиплексора DA2. Выбор коэффициента усиления производится программно, его величина в виде цифрового кода защелкивается в выходном регистре ПЛИС и подается на управляющие входы аналогового мультиплексора DA2. Блокировочный конденсатор C2, установленный непосредственно около выводов питания DA2, предотвращает распространение импульсных помех по питающим проводникам и взят из типовой схемы включения ИМС. С микросхемы ОУ DA9 выходной сигнал подается на разъем XS3. Управление работой устройства осуществляется через шину PCI персонального компьютера.
Использование шины PCI позволяет расширить круг используемых компьютеров.
Для сопряжения устройства с шиной PCI персональной ЭВМ используется программируемая логическая интегральная микросхема DD1. Микросхема прошита стандартным ядром PCI для устройства не являющегося задатчиком шины. Внутри микросхемы DD1 выполнена и часть других логических функций не связанных с обеспечением согласования устройства с PCI-шиной чтение, накопление, обработка данных. При помощи ПЛИС достигается полное согласование временных параметров сигналов устройства и шины PCI персональной ЭВМ. Загрузка микросхемы ПЛИС производится по последовательному протоколу с микросхемы ПЗУ DD2. Резисторы R23 - R25 обеспечивают подтяжку потенциалов выводов микросхемы к источнику питания, что соответствует требованиям, предъявляемым к конфигурирующим устройствам для ПЛИС. Неиспользуемые выводы ПЛИС для режима последовательной загрузки через JTAG-интерфейс подключены в соответствии с рекомендациями на использование ПЛИС фирмы Altera. Рассмотрим работу устройства сопряжения с шиной PCI персонального компьютера.
Инициализация устройства начинается с настройки механизма Plug and Play. При включении компьютер начинает опрашивать слоты PCI шины и обнаружив там устройство должен прочитать его конфигурационное пространство.
В зависимости от требований записанных в конфигурационном пространстве система выдает устройству базовый адрес, который устройство запоминает и использует для дешифрации обращения к нему. Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода.
Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым системой при обращении процессора к конфигурационному пространству устройства.
Транзакция инициализации начинается с того что система активизирует линию -FRAME шины PCI, что означает начало обмена между устройством и компьютером. Кроме этого система сообщает что идет обращение к конфигурационному пространству и это сопровождается сигналом высокого уровня на выводе IDSEL во время фазы адреса.
Сигнал IDSEL является индивидуальным для каждого слота PCI, которых в IBM совместимых компьютерах насчитывается четыре. При опрашивания системой BIOS микросхема ПЛИС принимает и выдает системные ресурсы, необходимые устройству. После того как все пространство конфигурации будет прочитано, система осуществляет запись базового адреса в пространство конфигурации. После того как базовый адрес будет защелкнут в регистре ПЛИС транзакция инициализации будет закончена. При транзакции данных после защелкивания адреса происходит сравнение текущего адреса на шине AD0 - AD31 и базового адреса записанного в регистре конфигурации.
В случае если эти адреса совпали ПЛИС сформирует сигнал низкого уровня -DEVSEL, который означает что устройство опознало что обращаются к нему. При этом если устройство готово к обмену данными ПЛИС сформирует сигнал низкого уровня -TRDY. С появлением сигнала -DEVSEL система формирует сигнал - IRDY, который означает, что компьютер готов к обмену информацией с устройством.
Время между появлением сигнала -DEVSEL и сигнала -TRDY является временем ожидания. С появлением сигнала -TRDY заканчивается фаза передачи адреса и начинается фаза передачи данных. В этой фазе начинается непосредственное чтение данных из устройства по шине AD0 - AD31. Направление и режим передачи данных определяется кодом на управляющих линиях -C BE0 - -C BE3 таблица 3.1 . Таблица 3.1 - Команды обмена данными на PCI C BE Команда 0000 Interrupt Acknowledge подтверждение прерывания 0001 Special Cycle специальный цикл 0010 I O Read чтение порта 0011 I O Write запись в порт 0100 Reserved резервировано 0101 Reserved резервировано 0110 Memory Read чтение памяти 0111 Memory Write запись в память 1000 Reserved резервировано 1001 Reserved резервировано 1010 Configuration Read чтение конфигурации 1011 Configuration Write запись конфигурации 1100 Multiple Memory Read множественное чтение памяти 1101 Dual Address Cycle двойной цикл адреса 1110 Memory-Read Line чтение памяти 1111 Memory Write and Invalidate запись в память и проверка Конструктивно устройство представляет собой плату, которая вставляется в слот PCI на материнской плате компьютера.
Питание устройства осуществляется от внутреннего источника ПК, по питающим линиям шины PCI. В соответствии с требованиями спецификации PCI v2.2 на контактах PRSNT1 и PRSNT2 разъема PCI XP1 установлены уровни логического нуля - это означает, что мощность потребляемая устройством не превышает 7,5 Вт. Питание аналоговых цепей осуществляется через LC-фильтры по цепи 12В - элементы L1, C21, C23, C25 по цепи -12В - элементы L2, C22, C24, C26 по цепи 5В - элементы L3, C29, C30, C31. Напряжение питания -5В получается с помощью маломощного стабилизатора DA10. Конденсаторы С27, С28 используются для фильтрации помех по питанию и уменьшения выходного сопротивления стабилизатора по переменной составляющей.
На микросхеме DA11 собран преобразователь в напряжения 3,3В и 2,5В для питания цифровой части схемы устройства.
Электролитические конденсаторы C32, C33, C37 необходимы для нормальной работы DA11 и обеспечивают дополнительную фильтрацию низкочастотных гармонических составляющих питающего напряжения.
Конденсаторы С34 - С36, C38 устанавливаются непосредственно возле выводов питания цифровых микросхем DD1, DD2 и используются для фильтрации помех создаваемых ими по питанию. 4