Задание на курсовую работу.
Спроектировать систему самоконтроля аналого-цифрового прео-
бразователя, которая бы в течение работы АЦП проверяла его исправность.
Сущность метода АЦП.
Часто требуется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде. Это актуально для измерительных приборов, где информация выдается в виде аналогового сигнала, звукоснимателей и т.д.
В данной работе используется метод параллельного кодирования .
Параллельное кодирование. В этом методе напряжение входного сигнала подается на один из входов п компараторов одновременно; другие входы компараторов подключены к п опорным источникам с равномерно распределенными напряжениями. Шифратор с приоритетом формирует цифровой выходной сигнал, соответствующий самому старшему компаратору из активизированных входным сигналом (рис. 1).
Параллельное кодирование (один из видов «мгновенного» кодирования) - это самый быстрый метод А/Ц-преобра-зования. Время задержки от входа до выхода равно сумме времен задержки на компараторе и шифраторе. Параллельные преобразователи, выпускаемые промышленностью, имеют до 1024 уровней квантования (с выходами до 16 разрядов). При большем числе разрядов они становятся дорогими и громоздкими. Быстродействие их колеблется от 15 до 300 млн. отсчетов в секунду.
На рис.1 приведена общая схема паралельного АЦП.
Ниже приведена схема приоритетного шифратора 74F148 , имеющего 8 входных и 3 выходных информационных линии.
Таблица 1.
Таблица истинности приоритетного шифратора 74F148.
 |
Принцип работы приоритетного шифратора :
Шифратор получает данные с восьми входных линий , которые активны в состоянии логического нуля и преобразует их в три выходных линии , также считающиеся активными в состоянии логического нуля. Значение приоритета связывается с каждым входом и когда две или более входных линий одновременно активны , значение приоритета старшего входа передаётся на выход , вход 7 имеет наивысший приоритет. Логическая единица на EI(Enable Input) установит на всех выходах неактивное состояние. Выход GS(Group Signal) активен, когда хотя бы один из входов активен. EO(Enabled Output) активен , когда все входы неактивны.EO и EI используются при каскадировании приоритетных шифраторов.
Рис 3. Расширение разрядов АЦП.
Комментарии к схеме рис. 3.
0-7 (на обоих шифраторах) – информационные входные линии.
А0-А4 – информационные выходные линии.
Enable – логический ноль разрешает работу шифратора.
FLAG – если ноль, то хотя бы один их входов активен.
Разработка системы самоконтроля.
В литературе нами было обнаружено два типа систем самоконтроля :
1. Дублирование преобразователя и последующее сравнение выходов.
2. Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый и сравнение его с исходным.
Эти методы имеют существенный недостаток – громоздкая схема контроля и как следствие - понижение надёжности , повышение цены изделия , возникает проблема «сторожа за сторожем».
Имеет смысл разработка системы контроля , которая будет обнаруживать
меньшее количество неисправностей (по сравнению с методами , указаными выше) аналого-цифрового преобразователя , но будет возможно более простой и надёжной.
Рис. 4. Функциональная схема АЦП с системой самоконтроля.
Описание системы тестов.
Из рис.4 видно что местами подключения схемы самоконтоля являются входы и выходы аналогового участка схемы и приоритетного шифратора , реализованные в виде интегральныз микросхем. Принцип построения тестов следующий : при определённом значении на входе АЦП происходит просмотр выходных значений и если обнаружено нессответствие , то выдаётся сообщение о ошибке ; контроль происходит с учётом особенностей работы схемы приоритетного шифратора (подробнее см. ниже).
Test1.
При подаче нулевого потенциала на вход АЦП компаратор test1_comp разрешает тестирование - происходит анализ выходных значений , в случае , если хотя бы один из информационных выходов имеет нулевой уровень , либо GS=1;E0=0 не соответствует действительности , выдаётся сообщение об ошибке.
Test2.
В отличие от предыдущего теста , test2 контролтрует схему в течение всего времени её работы , происходит сравнеиие значений GS и EO , и если они равны , то выводится сообщение об ошибке.
Test3.
При подаче на вход АЦП такого потенциала , при увеличении которого не происходит
изменения значений информационных выходов А0-А2 ( в нашем случае 10V).
На входах I0-I7 – уровни логического нуля (Uin=10 V) , компаратор test3_comp разрешает тестирование – происходит анализ выходных значений , в случае , если хотя бы один из информационных выводов имеет уровень логической единицы , то выводится сообщение об ошибке.
Test4.
Особенностью работы приоритетного шифратора является то , что значения на вызодах EO и GS различны. Когда на входах I0-I7 – уровни логической единицы (Uin=0) , GS=1 , EO=0 ;
В остальных случаях GS=0 , EO=1. Test4 проверяет выход АЦП на неединичные значения и GS=0;EO=1;
Схема аналого-цифрового преобразователя с системой самоконтроля представлена на рис. 5.
Комментарии к схеме рис.5
Элементы :
1-46 приоритетный шифратор
47-60 система самоконтроля
Test1_Error, Test2_Error, Test3_Error, Test4_Error – индикаторы ошибок
A0,A1,A2 – выходные линии
Uin – вход АЦП
I0-I7 – линии связи аналогово и цифрового участков схемы.
Моделирование исправной схемы.
Моделирование исправной схемы призводится при помощи программного комплекса Electronics Workbench. 5.12. , представляющего собой программный продукт, позволяющий производить моделирование, тестирование, разработку и отладку электрических цепей.
Выбор EWB для моделирования исправной схемы обусловлен тем , что представляет значительное удобство графический интерфейс процесса , а также то , что программа позволяет работать с аналоговым участком схемы.
Таблица 2
Результаты моделирования.
|
Uin |
EI* |
E0 |
GS |
I2 |
I1 |
I0 |
Error1 |
Error2 |
Error3 |
Error4 |
|
10 |
F |
T |
F |
F |
F |
F |
F |
F |
F |
F |
|
9 |
F |
T |
F |
F |
F |
T |
F |
F |
F |
F |
|
8 |
F |
T |
F |
F |
T |
F |
F |
F |
F |
F |
|
7 |
F |
T |
F |
F |
T |
T |
F |
F |
F |
F |
|
5 |
F |
T |
F |
T |
F |
F |
F |
F |
F |
F |
|
4 |
F |
T |
F |
T |
F |
T |
F |
F |
F |
F |
|
2 |
F |
T |
F |
T |
T |
F |
F |
F |
F |
F |
|
0 |
F |
F |
T |
T |
T |
T |
F |
F |
F |
F |
· EI=const
F – логический ноль
Т – логическая единица
Error1, Error2, Error3, Error4 – логическая единица указывает на наличие ошибки , обнаруженной системой самоконтроля.
Как видно из результатов моделирования , ни при одном допустимом входном наборе сообщение об ошибке не появляется.
Моделирование неисправной схемы.
Целью моделирования неисправностей является определение доли ошибок АЦП , обнаруживающихся системой контроля. Для решения данной задачи использовались самостоятельно разработанные программы , исходные тексты которых приведёны в приложении.
Описание работы программы моделирования неисправностей.
Моделируются неисправности следующего вида: одиночные, фиксация 0 и 1.
Логическое описание схемы находится в исходном тексте программы, для изменения моделируемой схемы необходима значительная переделка программы и её компиляция , поэтому данная программа предназначена исключительно для моделирования неисправностей данной схемы. Моделирование производится следующим образом : на линиях схемы поочерёдно устанавливаются обрыв и замыкание на общий провод и производится моделирование схемы с учётом данной неисправности.
В таблицах 3 и 4 приведены результаты моделирования неисправностей. Записям в таблицах соответствуют неисправности на выходе соответствующего элемента.
Таблица 3.
Результаты моделирования неисправностей.
Вид неисправности: одиночная, фиксация 1.
|
0 V |
35 |
43 |
44 |
45 |
46 |
50 |
52 |
53 |
54 |
56 |
|
57 |
58 |
59 |
60 |
|||||||
|
2 V |
35 |
46 |
50 |
54 |
56 |
57 |
58 |
59 |
60 |
|
|
4 V |
35 |
46 |
50 |
54 |
56 |
57 |
58 |
59 |
60 |
|
|
5 V |
35 |
46 |
50 |
54 |
56 |
57 |
58 |
59 |
60 |
|
|
7 V |
32 |
35 |
46 |
50 |
54 |
56 |
57 |
58 |
59 |
60 |
|
8 V |
32 |
35 |
46 |
50 |
54 |
56 |
57 |
58 |
59 |
60 |
|
9 V |
26 |
32 |
35 |
46 |
50 |
54 |
56 |
57 |
58 |
59 |
|
60 |
||||||||||
|
10 V |
1 |
2 |
3 |
4 |
6 |
10 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
16 |
18 |
19 |
22 |
27 |
28 |
29 |
30 |
33 |
34 |
|
|
36 |
37 |
38 |
39 |
40 |
41 |
46 |
54 |
55 |
56 |
|
|
57 |
58 |
60 |
Таблица 4.
Результаты моделирования неисправностей.
Вид неисправности: одиночная, фиксация 0.
|
0 V |
5 |
6 |
13 |
38 |
40 |
42 |
47 |
49 |
|
2 V |
5 |
42 |
47 |
49 |
||||
|
4 V |
5 |
42 |
47 |
49 |
||||
|
5 V |
5 |
42 |
47 |
49 |
||||
|
7 V |
5 |
42 |
47 |
49 |
||||
|
8 V |
5 |
42 |
47 |
49 |
||||
|
9 V |
5 |
42 |
47 |
49 |
||||
|
10 V |
5 |
43 |
44 |
45 |
49 |
51 |
На рис. 6 и 7
представлены информативности водных наборов с точки зрения обнаружения ошибок.
Заключение.
1. Несмотря на то , что схема контроля составляет пятую часть от элементной базы схемы , eю обнаружено 71% и 20% неисправностей фиксации 1 и 0 соответственно.
2. При увеличении разрядов АЦП разница между основной схемой и контроля
увеличивается и схема контроля вносит всё меньший относительный вклад в надёжность изделия.
3. В схеме контроля используются тесты двух типов :
a)тесты постоянной проверки (test1 и test3)
б)тесты проверки лишь при достижении критических значений (test1 и test3)
Наибольший вклад в количество обнаруженных неисправностей вносят тесты типа б , но необходимость введения тестов постоянной проверки обусловлена тем , что возможно такое использование АЦП , при котором на вход не будут
подаваться предельные значения (тогда тесты типа б не имеют смысла).
Содержание.
Задание на курсовую работу. 2
Сущность метода АЦП. 2
Разработка системы самоконтроля. 6
Моделирование исправной схемы. 9
Моделирование неисправной схемы. 9
Заключение. 11