Измерительный канал на основе регистра сдвига Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 681.5.08:53.087.4:004.3 А. Н. Темников

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРА СДВИГА

Ключевые слова: измерительные системы, регистр сдвига, операционный усилитель, триггер Шмитта.

Описан измерительный канал, состоящий из множества одинаковых последовательно соединенных ячеек. В состав каждой ячейки, кроме датчика, входит микросхема, содержащая четыре операционных усилителя: два из них используются для обработки аналогового сигнала датчика, на двух оставшихся, включенных по схемам триггера Шмитта и инвертирующего повторителя, построен разряд цифрового регистра сдвига, обеспечивающего последовательное подключение ячеек к общему сигнальному кабелю. При использовании микросхем среднего быстродействия максимальная частота переключения ячеек достигает 200 кГц, что позволяет исследовать процессы с характеристическими временами, начиная от 100 мкс.

Keywords: measuring systems, shift register, operational amplifier, Shmitt trigger.

The measuring channel consisting of а set of identical cells connected in series is described. Each cell, except of a sensor, includes an integrated microchip containing four operational amplifiers: two of them are used for processing an analog signal of sensor, two others are configured as Shmitt trigger and inverting repeater and form the bit of digital shift register providing series connection of cells to the common signal cable. When using microchips of average speed the maximal frequency of cell switching reaches 200 kHz that allows to investigate processes with characteristic times ranging from 100 /us.

При исследовании процессов, разворачивающихся во времени и в пространстве (теплопроводности, кристаллизации, диффузии и т.п.), а также нестационарных физических полей измерительная система экспериментальной установки должна включать множество (Ы) датчиков, расположенных в разных точках исследуемого объекта или среды [13]. Регистрация сигналов каждого из этих датчиков (стробирование) осуществляется периодически, с некоторым интервалом, который должен быть короче, чем Т/2, где Т - характеристическое время самой быстрой стадии исследуемого процесса [4].

Если время обращения к датчику (т), необходимое для регистрации сигнала, удовлетворяет условию т < Т /2Ы, то датчики могут стробироваться последовательно, друг за другом. Это позволяет использовать одноканальную измерительную систему, в которой аналоговая информация от множества датчиков передается по общему кабелю в централь-

ный блок, осуществляющий аналого-цифровое преобразование, временное хранение массива цифровых данных и их передачу в э. в. м.

Наиболее просто управление измерительным каналом может быть осуществлено с помощью цифрового регистра сдвига (8ЯО). Сдвиг логической единицы от одного разряда 8ЯО к другому обеспечивает необходимую последовательность подключения датчиков без дополнительной дешифрации управляющих кодов; использование регистра сдвига позволяет легко изменять количество датчиков в канале. Для минимизации числа и длины соединительных проводников, особенно при значительном удалении датчиков друг от друга и от центрального блока, отдельные разряды 8ЯО удобно размещать в непосредственной близости от датчиков, вместе с усилительными и согласующими каскадами, аналоговыми ключами и другими элементами, обслуживающими датчик. Совокупность этих элементов

D

И с с л е д у е м ы й о б ъ е к т

A1

Dj

Ci

C

SRG-1

Qi

Fj

3E

Si

T

B2

D

C

SRG-2

Q2

F2

3E

S2

Ж

Bn

Cn

SRG-N

qn —►

Fn

H

Sn

ж:

Z

2

N

Рис. 1 - Блок-схема измерительного канала на основе регистра сдвига

(дискретных и интегральных, аналоговых и цифровых) можно назвать ячейкой датчика; измерительный канал в этом случае представляет собой множество одинаковых ячеек, соединенных последовательно. На рис. 1 представлена блок-схема такого канала. Пунктирными рамками на рисунке выделены отдельные ячейки. Двойными стрелками изображено направление аналоговых сигналов, одинарными - цифровых сигналов. Каждая /-тая ячейка включает датчик B, предварительный усилитель A,, повторитель F, аналоговый ключ St и один разряд регистра сдвига SRG - i. Управление регистром и обработка аналоговой информации, поступающей от ячеек, осуществляется центральным блоком Z.

Для данной конструкции измерительного канала оптимальной была бы микросхема, включающая несколько операционных усилителей (ОУ) для обработки аналогового сигнала датчика и триггер типа D или Т, на которых SRG собирается наиболее просто. К сожалению, подобные микросхемы не выпускаются промышленностью, применение так называемых «систем на кристалле» (System On Chip - SOC [5]) в данном случае нецелесообразно из-за их функциональной избыточности и относительно высокой стоимости.

Одновременное использование в составе ячейки датчика аналоговых и цифровых микросхем увеличивает число корпусов, контактных площадок, шин питания, габариты и массу ячейки, усложняет топологию и монтаж печатной платы, повышает стоимость измерительной системы. Поскольку без аналоговых узлов обойтись нельзя, можно попытаться использовать их и для выполнения цифровых функций.

На рис. 2 представлена принципиальная схема первых двух разрядов цифрового регистра сдвига на аналоговых элементах. Каждый i-тый разряд содержит два ОУ (OA1i и OA2i). Первый ОУ включен по схеме триггера Шмитта (инвертирующего усилителя, охваченного глубокой положительной обратной связью). Второй ОУ включен как инвертирующий повторитель (инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным 1). Каждая пара операционных усилителей, образующих один разряд регистра (OA1,- и OA2), входит в состав микросхемы, содержащей четыре ОУ.

Q1 Q1 Q2 Q2

Рис. 2 - Принципиальная схема регистра сдвига на ОУ

Как обычно, регистр сдвига имеет информационный вход Б и вход синхронизации С, каждый

из разрядов регистра имеет два выхода (Qj и ). По сравнению с регистром сдвига на цифровых эле-

ментах данный регистр имеет особенности, которые необходимо учесть при разработке измерительной системы.

1) Сдвиг информации в регистре инициируется как фронтом, так и спадом синхроимпульсов, поступающих на вход С. Следовательно, чтобы время обращения к каждому датчику было одинаковым, синхросигнал должен иметь форму меандра (со скважностью 2).

2) Прямые и инверсные выходы (0} и 0}) в

нечетных и четных разрядах меняются местами. Для нечетных разрядов прямые выходы

0} - это выходы ОАц, инверсные выходы 0} - выходы ОА2,-. Для четных разрядов наоборот: 0} - это выходы ОА2 , О1 - выходы ОАц.

Чтобы привести регистр сдвига в рабочее состояние, необходим один «холостой» цикл, в ходе которого триггеры Шмитта нечетных и четных разрядов устанавливаются в нужные состояния: нечетных - в «0», четных - в «1». Это позволяет обойтись без дополнительных цепей сброса/установки.

Для построения измерительного канала на основе такого регистра сдвига удобно использовать микросхемы, включающие четыре ОУ - большое разнообразие подобных микросхем выпускается в настоящее время разными производителями [6]. В этом случае в каждом разряде регистра сдвига используются два ОУ каждой микросхемы; два оставшихся ОУ могут быть использованы для обработки аналогового сигнала датчика (в инструкциях по применению микросхем, содержащих два ОУ, можно найти множество практических схем включения ОУ для обработки сигналов различных датчиков

[7]).

На рис. 3а представлена схема формирователя синхроимпульсов, обеспечивающего работу измерительного канала. Формирователь входит в состав центрального блока и реализован на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), он может быть построен также на цифровых микросхемах средней степени интеграции или с использованием цифровых ресурсов 80С.

На входы формирователя подаются тактовые импульсы Р0 с частотой 4/т (напомним, т - время обращения к ячейке датчика) и стартовый импульс РБ. Формирователь вырабатывает последовательность импульсов РС длительностью т со скважностью 2 (для сдвига информации в БЯО) и синхронизованный с импульсами РС импульс РБ длительностью 2т (для записи логической единицы в БЯО). Кроме того, формируются вспомогательные импульсы Р1, Р2, Р3, Р4, необходимые для запуска а. ц. п. и ввода данных в буферную память и в память э. в. м. Задержка импульсов Р1 - Р4 относительно импульсов РС определяется положением перемычки, изображенной на рис. 3а пунктиром. Длительность вспомогательных импульсов составляет т/4, каж-

дый из них сдвинут по отношению к предыдущему на время х/4, как показано на рис. 3б.

P0

Pl

P2

P3

P4

PC

PS

PD

ллппллпллпплпплпплпл л_____п___п___п___п__

_п_____п___п____п_

____п____п____п___п

1______П_________П__________Г1

п_

_Г1

п_____г

л

+

+

0 т 2т Зт

Время эксперимента

-+►

4т

Рис. 3 - а) Принципиальная схема формирователя синхроимпульсов для управления измерительным каналом. б) Диаграмма, иллюстрирующая работу формирователя

Логические уровни импульсов РС и РБ преобразуются с помощью компараторов в уровни, необходимые для управления ОУ, и подаются на входы С и

D регистра сдвига измерительного канала (см. рис.

2).

Проверка работы измерительного канала проводилась с использованием микросхем ОУ разного типа. При выборе микросхем необходимо учитывать не только «аналоговые» характеристики ОУ (входное сопротивление и ток, коэффициент усиления, уровень шумов и т. п.), но и такой «цифровой» параметр, как скорость нарастания выходного сигнала (slew rate - SR), от которого, в основном, зависит частота переключения ячеек. Так, например, микросхема LM348, содержащая четыре ОУ популярной 741-й серии с SR ~ 1 В/мкс, обеспечивает частоту переключения ячеек 10 - 20 кГц. Частоту переключения ячеек можно довести до 1 МГ ц, если использовать микросхемы c SR ~ 100 В/мкс (например, OP467), однако, это требует применения быстродействующего а. ц. п. в центральном блоке и дополнительных мер по сокращению длительности переходных процессов, возникающих в общем сигнальном кабеле и цепях питания при переключении ячеек.

При использовании микросхем ОУ среднего быстродействия с SR = 10 - 15 В/мкс (например, TL084, LF347, MAX475) максимальная частота переключения ячеек датчиков достигает 200 кГц, что вполне достаточно для многих случаев. При такой частоте время обращения к каждому из датчиков т = 5 мкс, что вполне достаточно для надежной фиксации сигнала датчика устройством выборки и хранения а. ц. п. и аналого-цифрового преобразования. Если измерительный канал включает N = 10 ячеек, то время опроса всех датчиков канала составляет 50 мкс. Такой измерительный канал может быть использован для исследования процессов c характеристическими временами, начиная с Т = 100 мкс.

Литература

1. E. G. Williams, J. D. Maynard, Phys. Review Letters, v. 45, 1980, p. 557.

2. С.В. Ананников, Вестник КГТУ, № 10, 2013, с. 88.

3. В.Б. Репин, А.В. Репина, Р.Г. Зарипов, Вестник КГТУ, № 14, 2013, с. 151.

4. В.А. Котельников, Успехи физических наук, т. 176, № 7, 2006, с. 762.

5. System-on-chip for real-time applications, Badawy, W.and Jullien, G.A., Eds., Norwell: Kluwer Academic Publishers, 2003.

6. Счетверенные операционные усилители (Quad General Purpose Amplifiers), http://www.chipfind.ru/

datasheet/signal/amplifiers/opamp/general/quad/1.htm.

7. Сдвоенные операционные усилители (Quad General Purpose Amplifiers), http://www.chipfind.ru/

datasheet/signal/amplifiers/opamp/general/dual/1.htm.

© А. Н. Темников - к. ф.-м.н., доцент кафедры физики КНИТУ, [email protected], [email protected].

а

б