Дистанционный комплекс контроля функционального состояния

2.1 Анализ технического задания

1. Для выполнения дипломного проекта, в качестве задания был дан прибор электрический кардиограф РПС-1 с характеристиками:

полоса пропускания приемника от 5 до 7 кГц;

полоса пропускания фильтра дешифратора 600 Гц;

скорость развертки осциллоскопа 12,5; 25; 50 мм/с;

4. Для измерения параметров прибора, а так передаваемого сигнала необходимо разработать схему проведения лабораторной работы. Выбрать приборы для измерения:

низкочастотный генератор для симуляции низкочастотного сигнала;

источник питания для передатчика;

осциллограф для наблюдением за сигналом проходящим через электрический кардиограф.

2.2 Описание структурной схемы устройства

Дистанционный комплекс контроля состояния состоит из передатчика и радиоприемника.

Передатчик имеет два электрода: сигнальный и пассивный. Сигнальный электрод крепится в активной зоне, а пассивный электрод является общим. Электроды снимают сигнал, который передается по радиоканалу при помощи антенны на электрический кардиограф с частотой 27,12 МГц.

Электрический кардиограф состоит из приемника, дешифратора, детектора, усилителя, усилителя вертикального отклонения, электронно-лучевой трубки, задающего генератора горизонтальной развертки, источника питания, высоковольтного блока питания, блока сопряжения с компьютером, компьютер, индикатор. Блок - схема радиоприемника представлена на рисунке.2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема дистанционного комплекса контроля функционального состояния

1 - приемник; 2 - дешифратора; 3 - детектора; 4 - усилителя; 5 - усилителя вертикального отклонения; 6 - электронно-лучевой трубки; 7 - задающего генератора горизонтальной развертки; 8 - источника питания; 9 - высоковольтного блока питания; 10 - индикатор; 11 - устройство сопряжения; 12 - компьютер.

Структурная схема приемника представлена на рисунке 2.2. Усилитель высокой частоты, который предназначен для усиления радиосигнала, принимаемого штыревой антенной. Преобразователи частоты ПЧ-1 и ПЧ-2 предназначены для преобразования высокочастотного сигнала в первую и во вторую промежуточную частоту. Усилитель первой и второй промежуточной частоты УПЧ-1 и УПЧ- 2 предназначены для усиления сигнала первой и второй промежуточной частоты, и получения необходимой частоты пропускания приемника. На печатной плате УПЧ-2 выполнена схема автоматической регулировки усиления, которая обеспечивает автоматическое изменение усиления усилителя высокой частоты УВЧ в зависимости от величины входного сигнала. ЧД - детектор предназначен для преобразования высокочастотного сигнала, модулированного по частоте, в импульсную последовательность.

Приемник выполнен по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты для повышения чувствительности и избирательности, а так же для помехозащищенности системы.

Дешифратор 2 предназначен для выделения из последовательности импульсов, модулированных по частоте, первой гармонической составляющей и ее последующего преобразования. Структурная схема дешифратора показана на рисунке 2.3.

Усилитель предназначен для усиления сигнала поступившего с приемника. Усилитель-ограничитель предназначен для усиления импульсом, ограниченных по амплитуде на уровне 30 мВ. Это позволяет значительно улучшить помехозащищенность системы. Полосовой фильтр выделяет из импульсной последовательности, модулированную по частоте, первую гармоническую составляющую. Эмиттерный повторитель служит для согласования выходного сопротивления фильтра и входного сопротивления формирователя импульсов, предназначенного для формирования импульсов прямоугольной формы из синусоидального сигнала.

Рисунок 2.3 - Структурная схема дешифратора

1 - усилитель; 2 - усилитель-ограничитель; 3 - эмиттерный повторитель;

4 - полосовой фильтр; 5 - эмиттерный повторитель; 6 - формирователь.

Детектор 3 предназначен для выделения низкочастотного сигнала и подавления побочных продуктов преобразования. Структурная схема детектора представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Структурная схема детектора

1 - ждущий мультивибратор; 2 - частотно-импульсный детектор; 3 - фильтр низких частот.

Ждущий мультивибратор 1 обеспечивает на выходе импульсную последовательность постоянной амплитудой, строго постоянной длительностью и скважностью q=10. Все эти факторы обеспечивают четкую работу частотно-импульсный детектора 2, который преобразует импульсную последовательность в низкочастотный сигнал. Фильтр низких частот 3 подавляет частоты побочных продуктов преобразования после детектирования и тактовую частоту 3500 Гц.

Усилитель 4 служит для усиления низкочастотного сигнала и подавления помехи с промышленной частотой 50 Гц.

Усилитель вертикального отклонения 5 и генератор горизонтальной развертки 7 обеспечивают соответственно вертикальную и горизонтальную развертку луча на экране ЭЛТ 6.

Источник питания 8 обеспечивает стабилизированным питанием все узлы и блоки радиоприемника, высоковольтный блок питания 9 обеспечивает питание электронно-лучевой трубки 6.

Индикатор 10 обеспечивает подстройку поднесущей частоты.

Блок сопряжения 11 служит для сопряжения радиоприемника с компьютером 12, который обеспечивает быстрое отображение и обработку информации поступающей от электрического кардиограф.

3. Разработка устройства сопряжения

Устройство сопряжения предназначено для подключения различных электрических устройств к компьютеру. В нашем случае необходимо подключить к компьютеру электрический кардиограф. В соответствии с заданием на ДП устройство сопряжения должно соответствовать следующим требованиям:

многофункциональность;

иметь до 25 каналов для входных данных;

подключение к компьютеру через параллельный порт;

малогабаритность;

легкая съемка и установка;

полная изоляция по питанию.

Двадцать пять входных каналов необходимо для передачи данных в компьютер от различных устройств, датчиков и так далее, которые в перспективе могут быть подключены к ЭВМ при выполнении других работ по разным дисциплинам. Главным условием при проектировании устройства сопряжения - это его совместимость с другой аппаратурой и многофункциональность.

3.1 Разработка электрической принципиальной схемы устройства сопряжения

На плату сопряжения через разъем (Х1) может подаваться до 25 сигналов. Выборка адреса подаваемого сигнала осуществляется аналоговыми коммутаторами, собранными на микросхемах К561КП1. Функциональная схема микросхемы состоит из общей схемы управления (дешифратор 2х4) и двух синхронно работающих групп ключей, по четыре ключа на каждый.

Управление микросхемой осуществляется по двум адресным входам 9,10 и входу выбора микросхемы 6. При подаче на вход 6 высокого уровня каналы закрываются. При наличии низкого уровня на входе 6 любой из 4 возможных комбинаций значений на входах 9,10 соответствует один открытый канал в каждом мультиплексоре одновременно. Вход 6 имеет наибольший приоритет из всех видов управления.

В мультиплексоре использована модифицированная схема ключа, благодаря которому сопротивление открытого канала имеет малую зависимость от изменения входного сигнала в диапазоне коммутируемых напряжений, лежащих в диапазоне между значениями напряжения питания на входах 7 и 16. Поскольку сопротивление открытого канала мультиплексора зависит от его напряжения питания (минимально ), то выберем для питания мультиплексора напряжение 12В, которое можно взять от приемника дистанционного комплекса контроля функционального состояния и при котором обеспечивается достаточно малое сопротивление открытого канала.

Выбранный по адресу сигнал поступает на систему операционных усилителей, собранных на микросхемах КР140УД708.

Каскад на транзисторе VT1 (КТ315) собранный по схеме с общим эмиттером, обеспечивает необходимую подстройку по питанию для стабильной работы операционных усилителей. Система операционных усилителей усиливает сигнал до уровня, который необходим для нормальной работы АЦП. Аналого-цифровой преобразователь выполнен на микросхеме К1107ПВ2. Представляет собой восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь с частотой 20МГц. Назначение выводов представлена в таблице 5.1.

Работой АЦП управляет один тактовый сигнал. Выборка производится через 10…22 нс после прохождения переднего фронта тактового сигнала. Кодирование происходит после прохождения заднего фронта тактового импульса, а результат, полученный в процессе кадрирования, передается в выходной регистр одновременно с передним фронтам очередного такового импульса. Задержка цифрового выхода не превышает 50 нс. Это дает возможность передним фронтом очередного тактового импульса произвести следующую выборку, т.е. в момент, когда на выходе микросхемы получается результат n -ой выборки на входе производится n + 2 выборка, а результат n + 1 выборки хоронится в промежуточной степени.

Минимальная длительность импульса и паузы между импульсами , определяемые длительностью переходных процессов в отдельных ступенях АЦП в заданном диапазоне рабочих температур, определяют тактовую частоту (fcmax>20 МГц). [8]

Каскад на транзисторах VT2 и VT3 (КТ301) собранный по дифференциальной схеме обеспечивают стабильное питание для нормальной работы АЦП.

Управлением АЦП и выборкой адреса на аналоговых коммутаторах осуществляется компьютером через однокристальное программируемое устройство ввода/вывода параллельного типа выполненного на микросхеме КР580ВВ55А. Содержит три канала ввода/вывода: А, В и С и может работать в одном из трех режимах:

1. Режим 0 - простой ввод/вывод;

2. Режим 1 - стробируемый ввод/вывод;

3. Режим 2 - двунаправленный канал.

Необходимый режим задается предварительной записью в БИС управляющего слова. Режим работы каналов можно изменять как в начале, так и в процессе выполнения программы, что позволяет обслуживать различные периферийные устройства в определенном порядке с помощью одной БИС К580ВВ55А. Режимы работы каналов А и В могут быть установлены различными одновременно.

Рассмотрим каждый из ее узлов. Входные/выходные формирователи канала данных представляют собой двунаправленные буферы, выходы которых имеют третье состояние “выключено”. Буферы предназначены для приема управляющих слов и данных на внутреннею магистраль КР580ВВ55А и для выдачи на магистраль системы информации состояния и данных от внешних устройств.

Содержание 7-разрядного регистра управляющего слова определяет режим работы и направления передачи каждого из каналов ввода/вывода. В этом регистре можно только записывать информацию. Схема выбора канала предназначена для формирования сигналов управления внутренними и внешними передачами данных, управляющих слов и информации состояния. Регистры каналов А, В, С и выходные формирователи предназначены для подключения внешних устройств ввода/вывода к магистрали данных МП. Схемы управления каналом С поваляет программным способом изменять состояние любого разряда регистра С.[9]

В нашем случае устройство ввода/вывода работает в режиме 0. Простой ввод/вывод данных по трем 8-разрядным каналам, причем канал С разбит на два 4-разрядных канала. При работе схемы в этом режиме никаких дополнительных сигналов управления не требуется.

Управление микросхемой ввода/вывода осуществляется ЭВМ через микросхемы КР1533ЛН1 и КР1355ЛА2. С выхода КР1355ЛА2 на вход CS микросхем ввода/вывода подается логический 0 или 1, что включает или выключат ее.

Транзисторные оптопары (АОТ123А) предназначены для управления выборкой адреса (U2…U8) с разъема (Х1) и передачи информации поступающей по измерительному каналу (U1). Они осуществляют так же полную развязку схемы от ЭВМ по питанию.

Полная развязка по питанию предназначена для предотвращения перегорания дорогостоящих элементов схемы и компьютера. При превышении напряжения предельно допустимого значения напряжения или пробивания напряжения на корпус, автоматически прекращается выборка адреса на мультиплексорах (К561КП1) или транзисторная оптопара перегорает, что приводит к автоматическому отключению платы сопряжения от сети питания.

Устройство сопряжения подключается к компьютеру через штыревой разъем (Х2).

3.2 Электрический расчет устройства сопряжения

В устройстве сопряжения используется АЦП параллельного действия К1107ПВ2, имеющий в время преобразования 100 нс и максимальную частоту преобразования 20 МГц. Назначения выводов приведены выше в таблице 5.1.

Транзисторы VT2, VT3 служат для преобразования напряжения - 12В до уровней необходимых для подачи на входы 47 - 50, 22 АЦП. Нужный уровень напряжения определяется положениям движков резисторов R17, R18. Ток, потребляемый микросхемой на входах 47 - 50 равный 35мА. Для этого в базах этих транзисторах должен протекать ток:

, (3.1)

(мА),

, (3.2)

.

для обеспечения такого тока ток через резисторы r16, r17 должен быть равен , т. е. r16 = r17 = 12в/. при таких условиях на эмиттеров этих транзисторов будет повторяться напряжение, присутствующее на среднем выводе резисторов R16, R17.

на вход ацп должно подаваться напряжение -2…0 в. это напряжение должно обеспечиваться операционным усилителем (оу) da3. коэффициент усиления da3 задается резисторами r20, r18. резистор r19 выбирается равным 10 ком исходя из технических условий по применению оу данного типа и служит для установки нулевого уровня. так как резистор r20 переменный, то мы можем плавно регулировать коэффициент усиления данного усилителя. оу включен по неинвертирующей схеме. отсюда следует, что коэффициент усиления:

, (3.3)

.

 Для работы оптопары необходимо обеспечить определенный ток. этот ток обеспечивается оу da2, в котором диод оптопары включен в цепь обратной связи. для компенсации влияния остаточного сопротивления аналоговых коммутаторов используется каскад на транзисторе vt1. аналоговый сигнал поступающий с выхода коммутатора усиливается на оу da1. для нормальной работы ацп необходимо аналоговый сигнал усилить в к раз:

, (3.4)

Данная микросхема имеет

и

исходя из этих данных выберем :

, (3.5)

.

, (3.6)

.

Определим сопротивление R2:

, (3.7)

(кОм)

Исходя из формулы (3.4) определим сопротивление R1:

, (3.8)

(Ом)

4. выбор и обоснование конструкции устройства СОПРЯЖЕНИЯ

Конструирование может быть реализовано различными методами: геометрическим, машиностроительным, топологическим, проектирования моноконструкций, базовым, эвристическим и автоматизированного проектирования. Дадим краткую характеристику некоторым из них.

Геометрический метод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств тела.

Этот метод является основным средством решения задачи во всех случаях, когда от конструкции требуется высокая точность взаимного перемещения деталей или длительное и точное сохранение определенных параметров, зависящих от расположения деталей.

Машиностроительный метод. В основу этого метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, число и размещение которых выбирается из минимизации массы и допустимой прочности конструкции.

Метод нашел применение при проектировании несущих конструкций ЭВА всех уровней, кинематических звеньев функциональных узлов, а также всех видов неподвижных соединений.

Топологический метод. В основу его положена структура физических связей между ЭРЭ, т. е. Представление конструктивного вида электрической схемы и ее геометрической (топологической) связности, независимо от ее функционального содержания.

Базовый метод конструирования. В основу метода положено деление аппаратуры на конструктивно и схемно-законченные части. Базовый метод конструирования и его разновидности (функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный методы) основываются на принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, схемной и конструктивной унификации. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями схемной и конструкторской унификации структурных уровней (модулей, функциональных узлов, блоков).

Страницы: 1, 2, 3