Пульт проверки автомата подогрева стекла

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

" Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"

ИНСТИТУТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ КАФЕДРА Технической эксплуатации электросистем и пилотажно-навигационных комплексов ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к дипломному проекту Пульт проверки автомата подогрева стекла Красноярск 2009 г.

• 1. Введение
• 2. Общая часть
• 2.1 Принцип действия системы контроля АОС-81М
• 2.1.1 Электрообогревные стекла
• 2.1.2 Нагревательный элемент
• 2.1.3 Описание автомата АОС-81М
• 2.1.4 Принцип работы системы обогрева
• 2.2 Существующий (лабораторный) пульт проверки автомата обогрева стекол
• 2.2.1 Технические характеристики установки
• 2.2.2 Схема установки и ее работа
• 2.2.3 Конструктивное оформление установки
• 2.2.4 Приложение
• 2.2.5 Эксплуатация установки
• 2.2.6 Инструкция по эксплуатации установки
• 3. Специальная часть
• 3.1 Цифро-аналоговый преобразователь
• 3.2 Параллельные ЦАП
• 3.2.1 ЦАП с суммированием весовых токов
• 3.2.2 Формирование выходного сигнала в виде напряжения
• 3.2.3 Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей
• 3.2.4 ЦАП с параллельным интерфейсом входных данных
• 3.2.5 Параметры ЦАП
• 3.2.6 Динамические параметры
• 3.2.7 Шумы ЦАП
• 3.2.8 Логический элемент
• 3.3 Структурная схема
• 3.3.1 Работа структурной схемы
• 3.3.2 Разработка функциональной схемы универсального пульта проверки АОС-81М
• 3.3.3 Разработка принципиальной электрической схемы универсального пульта проверки АОС-81М
• 3.3.4 Подключение семисегментных индикаторов
• 3.3.5 Выбор микросхемы двоичного счетчика DD4-DD7
• 3.3.6 Принципиальная электрическая схема устройства индикации. Описание работы схемы
• 3.3.4 Перечень элементов использованных в микропроцессорном устройстве
• 3.4 Принцип работы схемы
• 3.4.1 Перечень элементов использованных в микропроцессорном устройстве
• 4. Технология сборки пульта
• 4.1 Технология изготовления печатных плат
• 5. Безопасность полетов
• 5.1 Общая характеристика авиационных происшествий и инцидентов по техническим причинам
• 5.2 Влияние личного фактора на безопасность полетов при эксплуатации и обслуживании AT
• 5.3 Предупреждение авиационных происшествий и инцидентов
• 5.4 Направления работы ИАС по повышению безопасности полетов
• 6. Безопасность жизнедеятельности
• 6.1 Основная часть
• 6.1.1 Общие положения
• 6.2 Анализ опасных и вредных факторов
• 6.3 Мероприятия по обеспечению безопасности и снижению воздействия производственных факторов
• 6.3.1 Электробезопасность
• 6.4 Производственная гигиена и санитария
• 6.4.1 Микроклимат помещения
• 6.4.2 Эргономика производственного помещения
• 6.4.3 Освещение
• 6.4.4 Оздоровление
• 6.5 Пожаробезопасность (ГОСТ 12.1.004−91)
• 6.6 Инструкция по технике безопасности
• 7. Экономическое обоснование
• 7.1 Экономическое обоснование разработки устройства
• 7.2 Затраты на построение модели устройства
• 7.3 Расчет стоимости спроектированного прибора
• Заключение
• 8. Экологичность проекта
• Литература
• 1. Введение
• В настоящее время гражданская авиация уверенно занимает позицию основного вида транспорта при перевозке пассажиров, и грузов на большие расстояния и в короткие сроки. И суровый нынешний мир требует от перевозчиков максимальной эффективности в работе по доставке пассажиров и грузов.
• Разработанный мною пульт позволяет максимально сократить время проверки АОС — 81 м т.к. является переносным и более точным чем его аналоговый стационарный собрат в контрольно-измерительной лаборатории. Что позволяет не тратить время на снятие и установку автомата с борта ВС.
• При разработке аппаратуры контроля необходимо принять следующие технические решения:
• A. Производить проверку системы в целом или отдельных блоков.
• Принято решение производить проверку всей системы, имитируя сигнал термопар. Проверка исправности термопар не представляет сложности.
• Б. Определить метод индикации.
• Решено применить линейный индикатор на светодиодах, к которому приложить набор шкал. Это дает возможность на одном индикаторе получить разные диапазоны измерения, причем не от нуля, а с заданного значения.
• B. Решить проблему с температурной компенсацией.
• Суть проблемы в том, что проверяемые системы имеют компенсаторы температуры холодного спая, которая в данном случае не нужна. Систему компенсации можно отключить в 2ИА-7А, сняв питание с компенсационной колодки, в РТ12−9 этой возможности нет. Поэтому принято решение о применении встречной компенсации, сигнал от которой равен основной, но направлен встречно.
• Г. Питание КПА.
• Питание имитатора не должно быть связано с корпусом ВС, поэтому оно возможно от автономного источника, как в лабораторной установке, так и от трансформатора, подключенного к системе 115 В 400гц.

2. Общая часть

В общей части дипломного проекта рассмотрим проверяемый автомат обогрева лобовых стекол кабины самолета. Опишем сам алгоритм проверки АОС-81М, чтобы выявить какие особенности проверки требуют тщательной доработки и усовершенствования.

Кроме этого рассмотрим уже существующие аналоги, их технические характеристики и способы проверки АОС-81М. На примере стационарного (лабораторного) пульта проверки АОС-81М.

Сформулируем требования, предъявляемые к современному универсальному пульту проверки, тому который необходимо разработать.

2.1 Принцип действия системы контроля АОС-81М

Принцип действия системы основан на автоматическом периодическом включении нагревательных элементов, встроенных в стекла, обеспечивающем нагрев стекол до определенной заданной температуры.

В состав системы обогрева стекол входят:

нагревательные элементы, встроенные в каждое стекло по одному;

терморезисторы, встроенные в каждое стекло по два — один рабочий, другой резервный;

3)автомат обогрева стекол АОС-81М (АОС), установленный в техническом отсеке № I на левом борту между шпангоутами № 11 и 12;

три автотрансформатора АТ-7−1,5, установленных в техническом отсеке № I на левом борту между шпангоутами № 10 и 11;

три переключателя ОБОГРЕВ СТЕКОЛ. СИЛЬНО — ВЫКЛ — СЛАБО, установленных на верхнем электрощите пилотов;

6)щиток обогрева стекол, установленный в техническом отсеке № 1 на левом борту между шпангоутами № 9 и 10, с коммутационной аппаратурой системы (реле, контакторы, электрические соединители, в том числе три розетки контрольных электрических соединителей);

7)защитная аппаратура (предохранители и автоматы защиты), установленная в левой РК -115/200B и на левой и правой панелях АЗС.

2.1.1 Электрообогревные стекла

Электрообогревные стекла А10 являются элементами конструкции кабины пилотов и предназначены для визуального наблюдения при управлении самолетом на земле и в воздухе, в любых метеорологических условиях. В комплект А10 входят два стекла:

боковое (2)А10

Стекла представляют собой неразъемную конструкцию, состоящую из стекло блока, обрамленного по контуру материалом и металлическими рамками.

Стеклоблок состоит из трех плоских силикатных стекол — внешнего, среднего и внутреннего, склеенных между собой прозрачной пленкой. Такая конструкция стеклоблока обеспечивает безосколочность стекол в случае разрушения остекления,

Монолитность остекления достигается за счет адгезии склеивающего слоя к стеклам и обрамляющего материала к стеклам и металлическим рамкам.

Стекла имеют повышенную механическую и термическую прочность, достигаемую специальной термообработкой стекол

Внутреннее и среднее стекла являются силовым элементом конструкции предназначенной для восприятия избыточного давления и внешних нагрузок.

Внешнее стекло является защитным для токопроводящей пленки и рассчитано для восприятия термических напряжений, возникающих в результате включения электронагревательного элемента,

Стекла Т54 являются птицестойким, т. е. сохраняют монолитность стекло блока при разрушении от удара птицы об стекло во время полета, обеспечивая безопасность экипажа.

Подвод питания от сети самолета к электронагревательному элементу производится через блочную герметическую вилку.

В электрообогревной зоне стекла, в склеивающем слое триплекса, запрессован терморезистор, являющемся датчиком температуры.

Рабочая температура стекол составляет +30°С — -65°С.

Таблица 1

2.1.2 Нагревательный элемент

Нагревательный элемент каждого обогреваемого стекла представляет собой токопроводящую пленку, нанесенную на внутреннюю поверхность внешнего стекла. Сопротивление нагревательных элементов для разных стекол может отличаться друг от друга, что обусловлено технологией изготовления стекол, В связи с этим, для обеспечения необходимой мощности нагрева, на нагревательный элемент конкретного стекла подается определенное значение номинального напряжения, которое указывается в паспорте данного стекла.

Для обеспечения электропитания нагревательных элементов стекол в техническом отсеке № 1 по левому борту, между шп. № 10−11, установлены три автотрансформатора AT-7−1,5. Автотрансформаторы запитываются от шин I сети основной системы электроснабжения через предохранители ПМ-10, расположенные в РК 115/200 В левой. Автотрансформаторы, в зависимости от режима работы системы обогрева стекол, подключаются на линейное напряжение через два ПМ-10, или на фазное напряжение — через один ПМ-10.

Таблица 2

2.1.3 Описание автомата АОС-81М

Автомат установлен в кабине экипажа по правому борту между шп. № 5 и 6. АОС-81М имеет три одинаковых канала, используемых для управления обогревом трех стекол, но на Ан-24 используется только два, на обогрев двух стекол.

Автомат обогрева стекол предназначен для поддержания постоянной заданной температуры нагрева стекол периодическим включением и выключением нагревательных элементов.

Принцип действия автомата обогрева стекол основан на использовании свойств электрической мостовой схемы с короткозамкнутой диагональю. Плечами мостовой схемы являются терморезистор 2 (рис. 1.1), две обмотки, А и Б поляризованного дифференциального реле РП-4 в АОС-81М и регулируемое сопротивление (потенциометр) Г. Терморезистор обладает свойством резко изменять свое сопротивление при изменении температуры, причем от повышения температуры сопротивление его уменьшается, а от понижения — увеличивается.

Температура нагрева стекла зависит от соотношения величин сопротивления плеч мостовой схемы, которое изменяется при изменении температуры. Кроме того, соотношение плеч можно изменять за счет изменения величины сопротивления потенциометра.

Движки (ползунки) потенциометров каналов автомата можно перемешать отверткой. Оси ползунков имеют шлицы и находятся под крышкой на лицевой стороне АОС-81М.

Питание автомата обогрева стекол осуществляется постоянным током.

2.1.4 Принцип работы системы обогрева

При включении переключателя обогрева стекла (ППНГ-15К) 4 (см. рис, 1.1.) на верхнем электрощите пилотов «плюс» через АЗСГК-2 подается на диагональ, А и Б дифференциального реле РП-4, создает в них магнитные

потоки, направленные навстречу друг другу .

При температуре стекла ниже температуры настройки 30 °C магнитный поток, создаваемый обмоткой А, будет больше магнитного потока, создаваемого обмоткой Б. При температуре стекла ниже температуры настройки ток по обмотке, А реле РП-4 будет протекать больше, чем по обмотке Б за счет того, что сопротивление терморезистора будет большое, В этом случае под действием разности магнитных потоков дифференциальное реле обеспечивает замыкание контактов, через которые подается «плюс» на обмотку реле Д. Реле Д замыкает цепь питания обмотки контактора 3, через контакты которого переменное однофазное напряжение 115B 400Гц с левой РК~ .115/200 В подается на обмотку автотрансформатора 6. С автотрансформатора переменное напряжение 190—250 В (по паспорту стекла) подается на нагревательный элемент стекла 2.

При нагреве стекла до температуры настройки 30 °C сопротивление терморезистора уменьшается, в результате чего по обмотке, А потечет ток меньший, а в терморезисторе ток увеличится. Магнитный поток обмотки, А уменьшается, а обмотки Б—увеличивается. Контакты дифференциального реле РП-4 размыкаются, реле Д обесточивается, контактор 3 обесточивается и нагревательный элемент стекла отключается.

Таким образом, нагревательный элемент будет периодически включаться и выключаться автоматом (АОС-81М) 1, поддерживая заданную температуру стекла.

При включении режима «Слабо» срабатывает реле 9 и на автотрансформатор 6 подастся фазное напряжение 115 В. При установке переключателя 4 в положение «Сильно» срабатывает контактор 10 и на автотрансформатор будет подаваться линейное напряжение 200 В,

Минусовая цепь включения контактора 10 замыкается через контакты реле блокировки цепей управления и по обжатой левой стойке шасси. Таким образом, на земле контактор 10 не включится и режим «Сильно». Если после посадки не выключить режим «Сильно», то стекла будут обогреваться в этом режиме, так как контактор 10 будет на самоблокировке в минусовой цепи.

Технические данные

Рабочий интервал температур от +50°С до — 50 °C;

Напряжение питания постоянного тока 27 В ± 10%;

Зона нечувствительности — не более 20% от величины сопротивления термистора, при которой автомат АОС-81М срабатывает на включение;

При выпуске настроен на включение при сопротивлении термистора 5000±500Ом;

Потребляемая мощность — не более 6 Вт;

Сопротивление изоляции при относительной влажности 30…80% и температуре 25°С± 10% - не менее 20 Мом;

Высотность — до 15 000 м;

Масса — не более 2,2 кг

Рис .1. Принципиальная электросхема обогрева стекла: 1—автомат АОС-81М обогрева стекол; 2 — стекло с обогревательным элементом и терморезистором; 3—контактор ТКД20ЮДГ включения обогрева; 4—переключатель 11ТШГЧ5К обогрева стекла; 5 — автомат защиты АЗСГК-2; 6—автотрансформатор AT7−1,5; 7, 8—предохранитель ПМ-10; 9—реле РЭС48Б включения стекла на слабый обогрев; 10—контактор ТКД133ДОД включения стекла на сильный обогрев; 11— автомат защиты АЗСГК-5; 12—выключатель ВГ-15К вентилятора командира самолета; 13—выключатель ВГ-15К вентилятора второго пилота; 14—вентилятор ДВ-302Т командира самолета; 15—вентилятор ДВ-302Т второго пилота; 16— контрольный разъем.

2.2 Существующий (лабораторный) пульт проверки автомата обогрева стекол

2.2.1 Технические характеристики установки

1. Установка предназначена для проверки и регулировки АОС-81М (для определения границ срабатывания и зоны нечувствительности по сопротивлению термистора).

2. Установка позволяет определить пределы регулирования автоматов в диапазонах: от 100 Ом до 2500 Ом; от 4100 Ом до 6500 Ом; от 6500 Ом до 9000 Ом.

3. Отсчет имитированного сопротивления термистора производится по двум шкалам:

— по шкале переключателя В3 (поз. 4) устанавливаются сопротивления 0; 4кОм; 6,5кОм.

— с помощью ручки реостата Rт (поз. 7) подбирается точное значение нужного сопротивления термистора.

4. Погрешность отсчёта сопротивлений ± 40 Ом.

5. Питание установки осуществляется от сети постоянного тока напряжением 27 ±10% вольт.

6. Питание установки осуществляется от сети постоянного тока напряжением 27 ±10% вольт.

7. Габаритные размеры установки 200×305×355 мм, вес не более 6 кг.

8. Комплектация установки:

— установка УПЗ-АОС-81М;

— жгут для подсоединения изделия АОС-81М;

— описание и инструкция по эксплуатации;

— паспорт.

2.2.2 Схема установки и ее работа

Основная принципиальная схема установки представлена ниже.

Проверяемое изделие подключается при помощи жгута (электросхема представлена далее).

Переключателем Вз устанавливаются сопротивления 0; 4кОм; 6,5кОм.

Реостатом Rт осуществляется точный подбор имитированного сопротивления термистора.

Переключатель В2 применяется при проверки зоны нечувствительности для проверки надежности срабатывания реле сигнальной лампе.

Переключатель В1 служит переключения каналов (левый, штурман, правый).

При замыкании рабочих контактов канала загорается соответствующая сигнальная лампочка (Л1, Л2, Л3).

Вольтметр служит для контроля напряжения в сети.

Реостат R3 («больше-меньше») служит для имитации нагрузки сети.

2.2.3 Конструктивное оформление установки

Установка смонтирована в кожухе с наклонной панелью, на которой расположены: вольтметр для контроля напряжения питания, шкала переменного сопротивления, переключатель постоянных сопротивлений (0; 4кОм; 6,5кОм), переключатель каналов, реостат регулирования напряжения питания, сигнальные лампочки. Кроме этого установка имеет шнур питания, выключатель, штепсельную вилку ВМ-14.

2.2.4 Приложение

На рисунке 1 показана схема для проверки пределов регулирования установкой УПЗ-АОС-81М.

На рисунке 2 — габаритные размеры установки.

На рисунке 3 — электрическая схема принципиальная установки УПЗ-АОС81М (Сх2).

На рисунке 4 электрическая схема жгута (Сх2).

2.2.5 Эксплуатация установки

1. Проверка приделов регулирования УПЗ-АОС81М изделий АОС-81М производится при нормальных условиях в следующей последовательности:

— подключить к установке измерительный мост постоянного тока, класс точности 0,1, по схеме (рис. 1)

— переключателем В1 (левый — штурма — правый) включить один из каналов.

— переключателем В2 (-40 Ом 0 +40 Ом) поставить в нулевое положение.

— переключатель В3 (0 4кОм 6,5кОм) поставить в нулевое положение.

С помощью измерительного моста замерить фактические величины сопротивлений при помощи стрелки реостата Rт в точках 100; 500; 1000; 2000; 2500 Ом.

— Переключатель В3 поставить в положение 4 кОм и замерить фактические величины сопротивления.

— Переключатель В3 поставить в положение 6,5 кОм и замерить фактические величины сопротивления.

Фактические величины сопротивлений при всех замерах не должны выходить из допуска ±40 Ом.

2.2.6 Инструкция по эксплуатации установки

— Раскройте и расчлените ШР АОС-81М.

— Отверните технологические заглушки с ШР «ЛЕВ», «ЛОБ», «ПРАВ» на щитке обогрева.

— Подсоедините переходной жгут тестера к АОС-81М, и ШР щитка.

— Включите АЗСГК -2 на левой и правой панелях АЗС.

— На пульте-тестере переключатель «выбор стекла» установите в положение «Л, Ц, П» в зависимости от проверяемого стекла. Переключатель «вид проверки» в положение — «настройка» .

— установите переключатель «обогрев стекол» в положение «слабо». На тестере загорается лампочка «слабо» .

— Рукояткой потенциометра «имитатор термистора» выставить сопротивление R настр.

— Расконтрите на АОС крышку, закрывающую потенциометры настройки. Расконтрите движок потенциометра настраиваемого канала и поверните его по часовой стрелке до конца. На пульте должна загореться лампочка «работа АОС-81» .

— Медленно поворачивайте движок потенциометра против часовой стрелки до погасания сигнала «работа АОС-81» и законтрите движок в этом положении.

— Проверьте настройку канала, для чего:

увеличьте на 300 Ом сопротивление, выставленное потенциометром «имитатор термистора «. Должна вновь загореться лампочка «работа АОС-81» на пульте тестере.

— Плавно уменьшайте сопротивление потенциометра до погасания сигнала «АОС-81». Значение сопротивления на лимбе не должно отличаться от настроечного более чем 250 Ом.

3. Специальная часть

3.1 Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам: По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;

По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;

По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;

По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рисунок 2 Виды ЦАП.

3.2 Параллельные ЦАП

3.2.1 ЦАП с суммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2³=8, у третьего разряда _ 2²=4, у второго _ 2¹=2 и у младшего (МЗР) _ 2⁰=1. Если вес МЗР I_МЗР=1 мА, то I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Понятно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т. д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

DR / R=2^_k

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде — 0,05% и т. д. Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение. Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление R_н, то его входное сопротивление R_вх также должно принимать значение R_н. Коэффициент ослабления цепи a=U₂/U₁ при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений:

При двоичном кодировании a =0,5. Если положить R_н=2R, то

R_s=R и R_p=2R

в соответствии с рис. 4.

Поскольку в любом положении переключателей S_k они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление R_вх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП. Согласно рис. 4, выходные токи схемы определяются соотношениями

а входной ток

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей S_k соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от U_оп линейно (см. (8)), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R₀ ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R₀ нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, Е, 640 Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП. 12-разрядный ЦАП 572ПА2 имеет дифференциальную нелинейность до 0,025% (1 МЗР).

ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей. Тот же 572ПА2 имеет время установления выходного тока при смене входного кода от 000…0 до 111…1, равное 15 мкс. 12-разрядный DAC7611 фирмы Burr-Braun имеет время установления выходного напряжения 10 мкс. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют минимальную мощность потребления. Тот же DAC7611 потребляет всего 2,5 мВт. В последнее время появились модели ЦАП рассмотренного выше типа с более высоким быстродействием. Так 12-разрядный AD7943 имеет время установления тока 0,6 мкс и потребляемую мощность всего 25 мкВт. Малое собственное потребление позволяет запитывать такие микромощные ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ИОН, например, AD5321.

3.2.2 Формирование выходного сигнала в виде напряжения

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Два из них показаны на рис. 8.

Рис. 8. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

На рис. 8а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. Поскольку пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R_ос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300Е400 раз. Для ЦАП на МОП-ключах с учетом (8) выходное напряжение схемы на рис. 8а.

Обычно сопротивление резистора обратной связи R_ос=R. В таком случае

Большинство моделей ЦАП имеет значительную выходную емкость. Например, у AD7520 с МОП-ключами в зависимости от входного кода С_вых составляет величину 30Е120 пФ, у AD565А с источниками тока С_вых=25 пФ. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором R_ос создает дополнительный полюс частотной характеристики петли обратной связи ОУ, который может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения. Особенно это опасно для ЦАП с МОП-ключами при нулевом входном коде. При R_ос=10 кОм частота второго полюса составит около 100 кГц при 100%-ной глубине обратной связи. В таком случае усилитель, частота единичного усиления которого f_т превышает 500 кГц, будет иметь явно недостаточные запасы устойчивости. Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору R_ос конденсатор С_к, емкость которого в первом приближении можно взять равной С_вых. Для более точного выбора С_к необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия настолько серьезно ухудшают быстродействие схемы, что возникает парадоксальная ситуация: для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.

Ранние модели ЦАП с МОП ключами (AD7520, 572ПА1 и др.) допускают отрицательное напряжение на ключах не свыше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между выходами ЦАП следует включать диод Шоттки, как это показано на рис. 8а.

Для цифро-аналогового преобразователя на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рис.8б). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранено быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой (например, для AD565А в биполярном режиме в пределах ± 1 В). В противном случае транзисторы источников тока могут выйти из линейного режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: R_н >1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ. Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение резистивной матрицы (рис. 9).

Рис. 6. Инверсное включение ЦАП с МОП-ключами

Для расчета выходного напряжения найдем связь между напряжением U_i на ключе S_i и узловым напряжением U'_i. Воспользуемся принципом суперпозиции. Будем считать равными нулю все напряжения на ключах, кроме рассматриваемого напряжения U_i. При R_н=2R к каждому узлу подключены справа и слева нагрузки сопротивлением 2R. Воспользовавшись методом двух узлов, получим

Выходное напряжение ЦАП найдем как общее напряжение на крайнем правом узле, вызванное суммарным действием всех U_i. При этом напряжения узлов суммируются с весами, соответствующими коэффициентам деления резистивной матрицы R-2R. Получим

Для определения выходного напряжения при произвольной нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе. Из эквивалентной схемы ЦАП на рис. 10 видно, что

Рис. 7

Откуда э.д.с. эквивалентного генератора

Эквивалентное сопротивление генератора R_э совпадает со входным сопротивлением матрицы R-2R, т. е. R_э=R. При R_н=2R из (14) получим

Подставив (15) в (13), для произвольной нагрузки получим

В частности, при R_н=е

Недостатками этой схемы являются: большое падение напряжения на ключах, изменяющаяся нагрузка источника опорного напряжения и значительное выходное сопротивление. Вследствие первого недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Из-за второго недостатка источник опорного напряжения должен обладать низким выходным сопротивлением, в противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Тем не менее, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напряжения, например, в 12-ти разрядном МАХ531, включающем также встроенный ОУ в неинвертирующем включении в качестве буфера, или в 16-ти разрядном МАХ542 без встроенного буфера. 12-ти разрядный ЦАП AD7390 построен на инверсной матрице с буферным усилителем на кристалле и потребляет всего 0,3 мВт мощности. Правда его время установления достигает 70 мкс.

3.2.3 Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей

Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т. е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода.

При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы ключей ЦАП могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств, поэтому во многих моделях ИМС ЦАП, особенно ранних (572ПА1, 594ПА1, 1108ПА1, AD565А и др.), сколь-нибудь существенная цифровая часть отсутствует. Если же ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных.

3.2.4 ЦАП с параллельным интерфейсом входных данных

Чаще используются два варианта. В первом варианте на N входов данных N-разрядного ЦАП подается все входное слово целиком. Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и схему управления (рис. 15а). Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка выходного аналогового сигнала, соответствующего этому коду, должны быть разделены во времени. Подача на вход асинхронного сброса CLR сигнал низкого уровня приводит к обнулению первого регистра и, соответственно выходного напряжения ЦАП.

Пример блок-схемы подключения 12-ти разрядного ЦАП МАХ507 к 16-ти разрядному микропроцессору (МП) приведен на рис. 16. процессор посылает входной код в ЦАП как в ячейку памяти данных. Вначале с шины адрес/данные поступает адрес ЦАП, который фиксируется регистром по команде с выхода ALE микропроцессора и, после дешифрации, активизирует вход CS ЦАП. Вслед за этим МП подает на шину адрес/данные входной код ЦАП и затем сигнал записи на вход WR (см. рис. 15б).

Для подключения многоразрядных ЦАП к восьмиразрядным микропроцессорам и микроконтроллерам используется второй вариант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и старшего байта — СБ (рис. 17). Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.

Применение ЦАП.

Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код — аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы.

3.2.5 Параметры ЦАП

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D (t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал U_вых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 22), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

Статические параметры.

Разрешающая способность — приращение Uвых при преобразовании смежных значений Dj, т. е. отличающихся на ЕМР. Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=U_пш/(2N-1), где U_пш — номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы), N — разрядность ЦАП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность. Погрешность полной шкалы — относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

Является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля — значение Uвых, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

Нелинейность — максимальное отклонение реальной характеристики преобразования U_вых(D) от оптимальной (линия 2 на рис. 22). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рис. 22.

Дифференциальная нелинейность — максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования Uвых (D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Обычно определяется в относительных единицах или в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рис. 22,

Монотонность характеристики преобразования — возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП Uвых при возрастании (уменьшении) входного кода D. Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/Uпш, то характеристика преобразователя немонотонна. Температурная нестабильность ЦА-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля. Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут быть устранены калибровкой (подстройкой). Погрешности нелинейности простыми средствами устранить нельзя.

3.2.6 Динамические параметры

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы» (рис. 23).

Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 23 t=0) до момента, когда в последний раз выполняется равенство

|U_вых-U_пш|=d/2,

Скорость нарастания — максимальная скорость изменения Uвых (t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения? Uвых ко времени ?, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.

Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

3.2.7 Шумы ЦАП

Шум на выходе ЦАП может появляться по различным причинам, вызываемым физическими процессами, происходящими в полупроводниковых устройствах. Для оценки качества ЦАП с высокой разрешающей способностью принято использовать понятие среднеквадратического значения шума. Измеряются обычно в нВ/(Гц)_½ в заданной полосе частот.

Выбросы (импульсные помехи) — крутые короткие всплески или провалы в выходном напряжении, возникающие во время смены значений выходного кода за счет несинхронности размыкания и замыкания аналоговых ключей в разных разрядах ЦАП. Например, если при переходе от значения кода 011…111 к значению 100…000 ключ самого старшего разряда ЦА-преобразователя с суммированием весовых токов откроется позже, чем закроются ключи младших разрядов, то на выходе ЦАП некоторое время будет существовать сигнал, соответствующий коду 000…000.

Выбросы характерны для быстродействующих ЦАП, где сведены к минимуму емкости, которые могли бы их сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование устройств выборки-хранения. Выбросы оцениваются по их площади (в пВ*с).

3.2.8 Логический элемент

Параметры цифровой микросхемы:

Uп — напряжение питания;

U¹вых — выходное напряжение (логической «единицы» — значение высокого уровня для «положительной» логики и низкого уровня для «отрицательной» логики;

U⁰вых — выходное напряжение (логического «нуля» — значение низкого уровня для «положительной» логики и высокого уровня для «отрицательной» логики; Uпмах — наибольшее значение напряжения помехи на входе МС, при котором не происходит изменение уровня выходного напряжения);

tзд — интервал времени между фронтами входного и выходного импульсов; Рпотр — потребляемая мощность от источника питания;

Тр — рабочий диапазон температур.

Для нашего разрабатываемого устройства сопряжения необходимо использование логического элемента. Рассмотрим логический элемент на базе серии К555. В качестве базового логического элемента микросхем К555 использован тип И-НЕ. Схема базового логического элемента приведена ниже и содержит три основных каскада: входной, реализующий функцию И, выполненный на диодах VD3, VD4 и резисторе R1; фазовращательный, включающий транзисторы VT1, VT2 диод VD5 и резисторы R2-R4; выходной усилитель, состоящий из транзисторов VT3-VT5 и резисторов R5-R6. Отличительной особенностью транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ) интегральной схемы является наличие в активных элементах схемы кроме транзисторов VT5 диодов Шотки, которые шунтируют коллекторные переходы транзисторов. Диод Шотки имеет более низкое прямое падение напряжения, чем кремневые p-n переход, и предохраняет транзистор от насыщения.

Введение

диодов Шотки исключает накопление зарядов, увеличивающих время выключения транзисторов, и способствует стабильности временных параметров транзисторов в рабочем диапазоне температур. Подключение диодов Шотки к входным контактам (антизвонных диодов VD1 и VD2) ограничивает отрицательные выбросы сигналов на входе схемы. Входной каскад И работает следующим образом. При одновременной подаче на все входы микросхемы напряжения, соответствующего высокому уровню, ток резистора R1 потечет в базу транзистора VT1, так как входные диоды VD1 VD2 будут смещены в обратном направлении. Если хотя бы на один из входов подано напряжение низкого уровня, то ток резистора R1 из схемы будет протекать через входные диоды. Фазовращательный каскад улучшает передаточные характеристики схемы. Когда отсутствует ток в базе транзистора VT1, то включены (открыты) транзисторы VT3 VT4. При включении транзистора VT1 открывается транзистор VT5. Верхнее плечо выходного каскада выполнено по схеме Дарлингтона на транзисторах VT3 и VT4. Это обеспечивает высокий коэффициент усиления каскада в состоянии высокого уровня, повышение нагрузочной способности схемы и улучшает ее динамические свойства. Транзистор VT4 работает в активном режиме. Нижнее плечо выходного каскада выполнено на транзисторе VT5. В том случае, когда на все входы схемы подан высокий уровень напряжения, транзисторы VT1 и VT5 открыты и на выходе схемы устанавливается низкий уровень напряжения. Резистор R5 верхнего плеча выходного каскада создает напряжение на базе транзистора VT4 и подключен к выходу логического элемента с целью уменьшения потребляемой мощности при высоком уровне напряжения на выходе схемы. Диод VD5 позволяет уменьшить задержку включения схемы путем увеличения тока коллектора транзистора VT1 в переходном режиме. В микросхемах, выполненных на транзисторно-транзисторных логиках (и с диодами Шотки), переключения сопровождаются бросками тока в цепи питания, потребляемая мощность растет с частотой.

При частоте переключения порядка 50 МГц рассеиваемая мощность удваивается, а при 100МГц — утраивается.

Рис. 3.2.8.1 Электрическая схема базового логического элемента К555 серии.

3.3 Структурная схема

3.3.1 Работа структурной схемы

Для работы пульта проверки АОС-81М необходимо питание от источника ЭДС. Подключим блок питания к бортовой сети воздушного судна. Питание поступает на компаратор напряжений и на десятичный счётчик делитель. Сигнал от мостовой схемы поступает на переменный резистор, он нам необходим для имитации изменения сигнала от терморезистора (Uтерм.). Далее сигнал поступает на компаратор, где происходит сравнение его с другим сигналом. Если первый сигнал больше, чем тот, с которым происходит сравнение, то он проходит далее на генератор импульсов. Созданные импульсы поступают в двоично-десятичный счетчик, где происходит их преобразование, далее сигнал разветвляется на дешифратор, а далее на семисегментный светоиндикатор и на двоично-десятичный счетчик, а далее в цифро-аналоговый преобразователь. Преобразованный сигнал поступает на второй вход компаратора напряжений, где происходит сравнение сигналов.

3.3.2 Разработка функциональной схемы универсального пульта проверки АОС-81М

Разработка электрической схемы универсального пульта проверки АОС-81М ведется, руководствуясь данными и работой структурной схемы пульта, а так же существующими законами электроники и требованиями, которые мы предъявляем к пульту проверки. Составим принципиальную электрическую схему пульта, дадим ее описание и опишем алгоритм ее работы. Как уже оговаривалось выше для работы пульта проверки АОС-81М необходимо питание от источника ЭДС. Так как работа по проверке будет выполняться в кабине воздушного судна (ВС), то блок питания можно подключить к бортовой сети. Питание поступает на компаратор напряжений и на десятичный счётчик делитель. Сигнал от мостовой схемы поступает на переменный резистор, он нам необходим для имитации изменения сигнала от терморезистора (Uтерм.). Далее сигнал поступает на компаратор, где происходит сравнение его с сигналом, поступающим на второй вход компаратора. Если первый сигнал больше, чем тот, с которым происходит сравнение, то он проходит далее на генератор импульсов. Созданные импульсы поступают в двоично-десятичный счетчик, где происходит их преобразование, далее сигнал разветвляется на дешифратор, а затем на семисегментный светоиндикатор, где высвечивается соответствующая цифра и на двоично-десятичный счетчик, а затем в цифро-аналоговый преобразователь. Преобразованный сигнал поступает на второй вход компаратора напряжений, где происходит сравнение сигналов.

3.3.3 Разработка принципиальной электрической схемы универсального пульта проверки АОС-81М

Выберем элементы.

Выбор микросхемы преобразователя DD8-DD11 двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора.

Для преобразования входного двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора. Применяем микросхему К514ИД10б (Рисунок 24).

Рисунок 24 — условное графическое изображение К514ИД10

7,1,2,6-Входы

8-общий

1,6-U_n

12,8,11,13−16-входы

3.3.4 Подключение семисегментных индикаторов

Сигналы с выходов ag преобразователя У2, управляющих свечением сегментов индикатора, подаются параллельно на входы АG т. е. выход, а преобразователя подключен к входу, А каждого индикатора. В качестве индикатора используют светодиодный индикатор АЛС 324 (Рисунок 25).

Рисунок 25 — Схема подключения семисегментного индикатора

3.3.5 Выбор микросхемы двоичного счетчика DD4-DD7

Двоичный счетчик DD4-DD7 подсчитывает вых. импульсы тактового генератора G. Число индицируемых цифр представлено количеством индикаторов схеме. (n=4).Число разрядов счетчика равно числу дешифраторов.

Таблица 3 — таблица состояний счетчика

Выбираем микросхему счетчика К155ИЕ5

12,9,8,11_ выходы

14______ Вход счетчика

1_______ вход делителя на 8

2,3_____ вход установки 0

Рисунок 27 — Микросхема счетчика К55ИЕ5

Для обеспечения N=n=4 необходимо, чтобы при появлении на выводе двоичного кода 0111₍₂₎ = 7₍₁₀₎ все триггеры счетчика сбрасываются в 0. Для этого необходимо ввести цепи ОС с выходов счетчика, на соответствующие входы. Для данного случая необходимо вывод 8 счетчика соединить со схемой «сброс» (выводы 2,3). Тогда при появлении на выходе кода 0111 «единица «с выхода 8 сбросит счетчик в исходное состояние.

3.3.6 Принципиальная электрическая схема устройства индикации. Описание работы схемы

Схема обеспечивает индикацию 4-х десятичных цифр на семисегментных полупроводниковых индикаторах. Ввод информации производится параллельно в двоично-десятичном коде.

Коммутатор Y1 обеспечивает поочередное включение входной информации в соответствии с адресом, поступившим с входов счетчика У3 N которого равен 4. Двоичные комбинации на выходе счетчика отражающего состояние при поступлении входных импульсов от генератора G. Преобразователь DD8−11 двоично — десятичный код преобразует в код семисегментного индикатора, поступающий одновременно на все индикаторы. Номер подключаемого индикатора задается в двоичном коде выходов счетчика и дешифрируются дешифратором. Выходы дешифратора подкл. к входам индикатора VD1−4, обеспечивая подключение соответствующих индикаторов. Для того, чтобы высветить заданную цифру 4 необходимо получить со счетчика двоичный адрес 0010. При этом информация 0111, соответствующая десятичной цифре 4, передается на вход преобразователя DD9. Преобразователь преобразует двоично — десятичный код в код индикатора. Информация с выходов ag преобразователя поступает на входы всех индикаторов, но подключается только третий индикатор, т.к. активный сигнал с дешифратора поступает на вход S 3-го индикатора и в соответствии с информацией 0100 высвечивает цифру 7.

3.3.4 Перечень элементов использованных в микропроцессорном устройстве

Таблица 4.

3.4 Принцип работы схемы

Функционально прибор состоит из переменного градуированного резистора последовательно в цепь обогрева стекла к пульту, сигнал с которого подается на один из входов компаратора напряжений. На другой вход компаратора подается сигнал цифроаналогового преобразователя (ЦАП), управляемого счетчиком импульсов. Счетчик импульсов получает их от генератора импульсов, а подача импульсов на счетчик управляется компаратором. Импульсы поступаю только когда измеряемое напряжение больше напряжения на выходе ЦАП. С выхода счетчиков двоичное число поступает на дешифратор, который связан с цифровым индикатором.