Electronica si Interfete pentru sistemele incorporate · tranzistoare bipolare si cu efecte de camp) saturatia si blocarea – stari si metode de optimizare a comutatiei PWM Elemente

Electronica si Interfetepentru sistemele incorporate

Interfeţe de proces

Tematica propusa

Circuite de iesire pentru comanda open collector push-pull (totem pole) high side drive, low side drive

Comutatia dispozitivelor electronice (diode si tranzistoare bipolare si cu efecte de camp)

saturatia si blocarea – stari si metode de optimizare a comutatiei PWM

Elemente de diagnoza.Detectarea scurt circuitelor la Vcc, la masa, a lipsei sarcinii, a contactelor

imperfecte….Abateri de la nivelurile prestabilite si/sau de la formele de unda normale

Interfete de proces

reprezintă conexiunea dintre sistemul de calcul şi dispozitivele de automatizare distribuite în procesul controlat

Functii indeplinite:• adaptarea semnalelor de intrare la specificaţiile tehnologiei digitale

utilizate (în mod uzual TTL sau CMOS); aceasta presupune adaptare de impedanţă, amplificare, filtrare, eşantionare şi diverse tipuri de conversii

• generarea semnalelor de ie şire conform specificaţiilor date de dispozitivele de automatizare către care se îndreaptă; şi această funcţie presupune adaptare de impedanţă şi de putere, amplificare şi conversii

• izolarea galvanic ă a semnalelor de intrare şi de ie şire , cu scopul de a proteja sistemul de calcul (partea inteligentă) de eventuale defecţiuni apărute în partea de proces şi care ar putea să distrugă componentele digitale (ex.: conectarea accidentală a unor tensiuni ridicate pe semnalele de intrare sau de ieşire, scurtcircuite, etc.)

• memorarea temporar ă a datelor• sincronizarea fluxului de date de intrare şi de ieşire cu viteza de lucru

a procesorului

Factori de care depinde structura unei interfete

numărul de semnale recepţionate şi transmise natura semnalelor:

• digitale sau analogice, • de tensiune sau de curent, • cu codificare pe nivel, în frecvenţă sau în lăţime de

impuls, etc.

domeniul de frecvenţă al semnalelor precizia de prelucrare a semnalelor tipul de magistrală la care se conectează

interfaţa

Moduri de transfer utilizate intr-o interfata

prin program – unitatea centrală controlează direct transferul de date, pe baza unei rutine de transfer

prin întreruperi – fiecare nou transfer este iniţiat prin activarea unui semnal de întrerupere; transferul propriu-zis se realizează de unitatea centrală printr-o rutină de întrerupere

prin acces direct la memorie – un circuit specializat, controlorul de acces direct la memorie, dirijează transferul între memorie şi interfaţă

prin procesor de intrare/ie şire – un procesor specializat, conţinut în interfaţă, se ocupă de transferul de efectuarea transferului

Schema de principiu a unei interfete de proces

Componente:• registre (porturi) de ieşire (RE)- pentru memorarea semnalelor de ieşire

• registre (porturi) de intrare (RI) – pentru citirea semnalelor de intrare• circuite de adaptare (CA) – adaptează semnalele de intrare şi de ieşire

• circuit de decodificare (Dec) – pentru selecţia registrelor de intrare şi de ieşire

AdreseDateComenzi

DecSelecţie RE

CA

RISelecţie

Magistrala sistem

CA CA CA CA CA

Tipuri de interfete

Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale• prin releu• prin optocuplor

• prin tiristor• comanda motor pas-cu-pas

• comanda motor de c.c.

Interfeţe de intrare pentru semnale digitale• prin releu• prin optocuplor

Interfeţe de ieşire pentru semnale analogice• circuite de conversie

Interfeţe de intrare pentru semnale analogice• circuite de conversie

Interfeţe de ieşire pentru semnale digitale

circuit de ie şire digital ă prin releu• functionare• caracteristici:

• asigur ă o izolare galvanic ă foarte bun ă• pot fi comutate tensiuni şi curen ţi mari• componentele mecanice ale releului limiteaz ă frecven ţa semnalului de

ieşire (max. 1Hz)• comut ările frecvente provoac ă uzura prematur ă a releului

K

Circuit de for ţă

Consumator

Circuit TTLR1

R2

D1

T1

V


circuit de ie şire digital ă prin optocuplor• functionare• caracteristici:

• asigur ă o izolare galvanic ă bună • frecven ţa maxim ă a semnalului este mult mai mare (10KHz- 1MHz)• comut ările repetate nu afecteaz ă circuitul (num ăr nelimitat de cicluri)• puterea transmis ă este mic ă

Ieşire TTL Optocuplor

V1 V2

R2R1 R3Comandă

T


circuit de ieşire digitală prin tiristor• caracteristici:

• nu asigură izolarea galvanică a circuitului de comandă de circuitul de forţă

• există pericolul străpungerii tiristorului, ceea ce permite trecerea tensiunii din circuitul de forţă în partea de control

• consumatorul (elementul de acţionare) poate fi comandat în impulsuri

Circuit TTLR1

R2

T1

V V

t

t

Ur

Ur

R

Uc

Uc

T2

InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitaleire pentru semnale digitale

circuit de ieşire pentru comanda motoarelorpas-cu-pas• unipolare – curentul circula intr-un sens• bipolare – curentul circula in 2 sensuri

L1

L2

L3

L4

L1 L2 L3 L4

R1

R2

R3

R4

V

C1

C2

C3

C4

IeşiriTTL


comanda circuitului pentru motoarelor pas-cu-pas - unipolareC1

C2

C3

C4

varianta a. varianta b.


Comanda unui motor pas-cu-pas bipolar

L1

L2

V

C1

C2

T1

T2

T3

T4


circuit de ie şire pentru comanda motoarelor de curent continuu

V

C1

C2

T1

T2

T3

T4M

tura ţia

t

C1

C2

InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitale

circuit de intrare digitală prin releu• functionare• caracteristici:

• izolare galvanică foarte bună• frecvenţa de comutare este limitată superior (aprox. 1 Hz)

• număr limitat de cicluri de comutare, datorită uzurii componentelor mecanice

R2 Intrare TTL

Circuit de for ţă

R1

DC

K

VV

InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitalee de intrare pentru semnale digitale

circuit de intrare digitală prin optocuplor• functionare• caracteristici:

• izolare galvanică bună• dimensiuni reduse• frecvenţe de comutare relativ mari (1kHz- 100KHz)• număr nelimitat de cicluri de comutare

Intrare TTL

Optocuplor

V

R2R1

Vi

C

InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogice

Canal analogic de iesire• registrul – memorează valoarea digitală a semnalului analogic• CD/A – convertor digital-analog – converteşte un semnal digital

într-o valoare analogică• FTJ – filtru trece jos – realizează filtrarea semnalului de ieşire,

atenuând trecerile bruşte între valorile de ieşire discrete• amplificator – adaptează semnalul analogic de ieşire conform unui

anumit standard de transmisie (tensiune, curent, impedanţă), sau conform cu specificaţiile dispozitivului de acţionare

• dispozitiv de acţionare – element de automatizare menit să influenţeze evoluţia unui proces

InterfeInterfeInterfeInterfeţe de iee de iee de iee de ieşire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogiceire pentru semnale analogice

Canal analogic de iesire

• adaptor – transformă semnalul analogic într-o comandă către elementul de execuţie

• element de execuţie – dispozitiv care acţionează asupra unui parametru de intrare în proces (ex.: robinete, valve, motor electric, etc.)

Magistralasistem

Registru

CD/A FTJAmplif. Elem.

exec.

Adaptor

Disp. de execuţie

Interfa ţă de ieşire analogică

Circuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digitalCircuite de conversie digital----analogiceanalogiceanalogiceanalogice

varianta 1• Caracteristicile circuitului de conversie:

• precizia de conversie este puternic influenţată de precizia sursei de referinţă şi de precizia rezistenţelor din reţea; o abatere de 1% a rezistenţei R7 are un efect echivalent cu aportul ramurii corespunzătoare bitului D0

• conversia este continuă în timp şi discretă ca valori de ieşire

10kΩ

1mA

D7

128*10kΩ1/128mA

D0

-

+

REref

10V

I=Σ Di*I i

Ue

2*10kΩ

1/2mA

D6


varianta 2• Caracteristici:

• schema este mai puţin sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor; este mult mai uşor să se realizeze rezistenţe de aceeaşi valoare

• datorită nivelelor multiple de comutare apar căderi de tensiune care modifică valoarea tensiunii selectate (fiecare comutator induce o cădere de tensiune)

D0 D1D2 D3

Uref

15/16Uref

14/16Uref

1/16Uref

Ue

Ue= n * (Uref/16) == (D0+D1*2+D2*4+D3*8)*

(Uref/16)

-

+


Varianta 3Ue = - R* Σ Ii =

= -R * ( Uref/ 2R+ Uref/4R+ ..+ Uref/2n+1R) =

= -Uref *( D0/2 + D1/4 + .. +Dn/2n+1)

Caracteristici:• precizia conversiei este mai puţin

sensibilă la precizia de realizare a rezistenţelor

• sursa de referinţă este permanent încărcată cu aceeaşi sarcină, indiferent de poziţia comutatoarelor, ceea ce reduce variaţia tensiunii de referinţă şi implicit creşte precizia conversiei

• tehnologic este mult mai uşor de realizat o reţea de rezistenţe care au doar 2 valori

Uref

R

R

2R

2R

2R

2R

1

0

I 0

I 1

I n

D0

D1

Dn

R

Ue

Convertoare cu modulaConvertoare cu modulaConvertoare cu modulaConvertoare cu modulaţie ie ie ie îîîîn lăn lăn lăn lăţime de impulsime de impulsime de impulsime de impuls

dezavantaje ale convertoarelor analogice:• tehnologia de realizare este complexă (combinaţie de tehnologie analogică şi digitală), schema este mai greu de integrat pe scară largă şi implicit preţul circuitului este mai ridicat

• precizia de conversie este influenţată de precizia referinţei de tensiune şi de precizia componentelor

• pentru controlul convertorului sunt necesare mai multe linii digitale de date

Conversia prin modulaţie în lăţime de impuls (eng. PWM – Pulse Width Modulation)• tehnologie pur digitala pentru a obtine un efect similar cu cel

produs de un semnal analogic• o singura iesire digitala este echivalenta cu un semnal

analogic• solutia: modularea in latime de impuls in functie de valoarea

iesirii

PWM

implementare: numarator reprogramabilsi cu autoinitializare

t

T

55%

T

80%

InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogice

traductorul – dispozitiv conectat în proces şi care transformă variaţia unei mărimi fizice în variaţia unui semnal electric; traductorul se compune dintr-o parte de senzor şi un adaptor de semnal

amplificatorul – are rolul de a adapta semnalul de intrare la domeniul admis al convertorului analog-digital; în anumite cazuri este necesară izolarea galvanică a semnalului de intrare de restul circuitului

multiplexorul analogic (MUX) – permite comutarea mai multor intrări analogice la un singur convertor analog-digital

filtrul trece jos (FTJ) – are rolul de a limita frecvenţa semnalului de intrare; se consideră că acele componente de semnal care depăşesc o anumită limită de frecvenţă sunt generate de zgomote şi în consecinţă trebuie eliminate

circuitul de eşantionare/reţinere (eng. S/H – Sample and hold) – are rolul de a preleva eşantioane din semnalul de intrare şi de a menţine constantă valoarea eşantionată pe toată durata ciclului de conversie

InterfeInterfeInterfeInterfeţe de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogicee de intrare pentru semnale analogice

convertorul analog-digital (CAD) – converteşte un semnal analogic într-o valoare digitală

registrul de intrare (RI) – memorează valoarea convertită pentru a fi citită de procesor

Traductor

MUX

FTJ S/H CAD

Interfa ţa de intrare analogicăMagistrala

sistem

RI

Amp.

S

SelecţieMUX

Circuite de amplificare

• Pentru amplificatorul inversor:(Ue – Uref)/R2 = (Uref – Ui)/R1Ue= - R2/R1*( Ui – (1+R1/R2)*Uref)Ui= Ui_off +∆Ui ;

- Uref se regleaza astfel incat sa se elimine tensiunea de offset de la intrare (Ui_off = (1+R1/R2)*Uref)

Ue= -R1/R2* ∆Ui => R1/R2 = factorul de amplificare

-

+

UiUe

R1

V-

Uref

+

-

Ui

Ue

R1

R2

a. circuit inversor b. circuit neinversor

+

-Ue

Ui

c. circuit repetor

R2

V+

Amplificatoare de intrare

pentru amplificatorul neinversor:Ui = Ue* R1/(R1+R2)Ue = (1 + R2/R1)* Ui

comparatie intre cele 3 variante:Circuitul inversor:

amplificare controlabila prin R1 si R2, eliminarea offesetului prin Urefimpedanta de intrare este dependenta de rezistente

Circuit neinversor:iesirea este de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrareamplificarea este supraunitaraimpedanta de intrare este foarte mare

Circuitul repetor:amplificare unitara (egala cu 1)impedanta foarte marenu elimina offsetul

Circuit de intrare pentru semnale analogice

Izolarea galvanica a semnalului de intrare:• greu de realizat (cu optocuploare, cu transformatoare de

semnal sau cu amplificatoare cu optocuploare incorporate)• precizia masurarii scade

Modulul de filtrare:• pentru eliminarea zgomotelor – filtru trece jos• pentru taierea frecventelor mai mari de jumatate din

frecventa semnalului de esantionare – filtru anti-aliasingTeşantioanre

t

Tsinus

Tsinus fals

Circuite de intrare pentru

semnale analogice

Modulul de esantionare-retinere(eng. sample-and-hold)

Semnal eşantionat

Semnalul iniţial

Ui

Ue

CLK

AO1AO2

C

Convertoare analogConvertoare analogConvertoare analogConvertoare analog----digitaledigitaledigitaledigitale

Convertor cu aproxim ări succesive

Caracteristici:• conversia nu este continuă; ea se

realizează în cicluri, care au un număr de paşi dependent de numărul de biţi pe care se face conversia

• viteză medie de conversie (1-100 µs),

• precizie şi rezoluţie moderată (10-12 biţi)

• preţ relativ mic• sunt cele mai utilizate convertoare

analog-digitale

Bloc de control

Registru de aproximări succesive

Convertor D/A

RI

Start conversie Sfârşit conversie

Date

Ui -+

Comparator

Uconv

0 1 0 1 0 1 0 0 = 5416

255

128966432

Ui

Uconv

Convertor A/D cu Convertor A/D cu Convertor A/D cu Convertor A/D cu comparatoarecomparatoarecomparatoarecomparatoare ––––

convertoareconvertoareconvertoareconvertoare ““““flashflashflashflash””””

Caracteristici:• viteză de conversie foarte

mare• conversie continuă în timp• este mai dificil de integrat,

datorită comparatoarelor analogice

• numărul comparatoarelor creşte exponenţial cu numărul de biţi pe care se face conversia (ex.: pentru 8 biţi sunt necesare 256 de comparatoare)

• precizia şi rezoluţia de conversie este limitată (uzual conversia se face doar pe 8 biţi)

UrefUi

R25

5

R254

R254

R0

255/256*Uref

254/256*Uref

-+

D7D6D5

D0

Codificatorprioritar

-+

-+

-+ 1

253

254

255

1/256*Uref

Convertor cu Convertor cu Convertor cu Convertor cu dublădublădublădublă pantăpantăpantăpantă

Caracteristici:• rezoluţie foarte mare (12-

16 biţi); rezoluţia este dată de numărul de biţi ai numărătorului, nefiind limitată superior

• precizie mare, deoarece procesul de conversie nu este influenţat de precizia componentelor analogice sau de variaţia tensiunii de alimentare

• timp de conversie relativ mare

Ui

Stop

Start

CLK

C

Comandă

P1 P2

G

Comp. Numărător

Data

t1 t2 t3

UcondensatorU3

U2

U1

Comandă

Convertor sigmaConvertor sigmaConvertor sigmaConvertor sigma----deltadeltadeltadelta Caracteristici:

• integrabilitate foarte bună (număr mic de componente analogice)

• se pot aplica filtre digitale pe semnalul binar generat

• frecvenţă mare de eşantionare• rezoluţie bună • imunitate la zgomote• se recomandă pentru tehnicile

digitale de prelucrare a semnalelor

Σ

∫

Convertor pe un bit y(kT)x(t)

xd(t)

conversie A/D (modulaţie)

conversie D/A (demodulaţie)

∫ FTJy(kT) x(t)

Principiul conversiei sigma-delta

x(t)

y(kT)

xd(t)

Diagrama de conversie sigma-delta

t

t

x(t)

y(kT)

Probleme privind conversia analogProbleme privind conversia analogProbleme privind conversia analogProbleme privind conversia analog----digitalădigitalădigitalădigitală

frecvenţa de eşantionare

cuantizarea valorii parametrului de intrare

eroarea de conversie:• eroarea de digitizare – datorită cuantizării valorilor

• eroarea de neliniaritate – proporţionalitatea nu este menţinută pe toată plaja de valori

• eroarea de offset – dreapta de conversie nu trece prin punctul de origine, adică la o tensiune de intrare 0 valoarea convertită este diferită de 0 sau invers

• eroarea de comutare – apare la comutarea de la o valoare cu mulţi biţi de 1 la o valoare cu un număr mai mic de biţi de 1 (ex.: 00001111 00010000); pentru o valoare mai mare de intrare valoarea digitală este mai mică

Eroarea de conversie

Ui

Eroare de offset

Vd

Eroare de digitizare

Eroare de neliniaritate 10000111

Eroare de comutare

Ui

Vd

Documents

Electronica si Interfete pentru sistemele incorporate · tranzistoare bipolare si cu efecte de camp) saturatia si blocarea – stari si metode de optimizare a comutatiei PWM Elemente