Цифро-аналоговый преобразователь, работающий в стандарте VME.

Содержание


Введение
Техническое задание
1.Стандарт VME
1.1 Физический интерфейс
1.2 Протокол передачи данных
2. Конструирование устройства
2.1 Определение общих требований к устройству
2.2 Выбор элементной базы
2.3 Согласование узлов устройства
Заключение
Список литературы

Цифро-аналоговый преобразователь, работающий в стандарте VME.

a26
A05
b26
IRQ5*
c26
A12
a27
A04
b27
IRQ4*
c27
A11
a28
A03
b28
IRQ3*
c28
A10
a29
A02
b29
IRQ2*
c29
A09
a30
A01
b30
IRQ1*
c30
A08
a31
-12V
b31
+5V STDBY
c31
+12V
a32
+5V
b32
+5V
c32
+5V
Таблица 2. Требования к условиям работы модулей VME
Характеристика
Требование
Рабочая температура
0 - 60 гр. С
Влажность
5 - 95 %
Вибростойкость
1 g
Ударостойкость
15 g / 11 мс
Потребляемая мощность
< 23 Вт
Для модуля VME ток, требуемый на один разъем, при температуре 25°C не должен превышать 4,5 A по цепи 5 В и 1,5 A по цепи +12 В.
1.2 Протокол передачи данных
Приведем выдержку из стандарта IEEE 1014 – 1987.
Рисунок 2. Схема организации передачи данных
В процессе передачи данных контроллер устанавливает диапазон канала DTB при помощи двух сигналовстробирования- DS0, DS1, адресных битов А01 и А02, а также сигнала LWORD. Это условие позволяет Slave- устройству определить диапазон входящих данных (рисунок 3).
Рисунок 3. Определение диапазона передаваемых данных
Адресная шина используется контроллером для определения установки кода модификатора адресов. На рисунке 4 показан диапазон адресов без учета распределения привилегий.
Рисунок 4. Определение диапазона передаваемых данных
Рисунок 5. Временная диаграмма передачи данных
Рисунок 6. Временная диаграмма передачи адреса
Рисунок 7. Временная диаграмма циклов обмена
Рисунок 8. Временная диаграмма доступа к шине
2. Конструирование устройства
2.1 Определение общих требований к устройству
Для оптимизации загрузки данных в ЦАП и для упрощения согласования преобразователя с системной шиной необходимо предусмотреть возможность последовательной загрузки информации в ЦАП. Чаще всего в таких случаях используется трехпроводный интерфейс, который обеспечивает управление ЦАП от SPI, QSPI, MICROWIRE интерфейсов процессоров. При активном уровне сигнала CS (в данном случае - нулевом) входное слово длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии DI в регистр сдвига под управлением тактовой последовательности CLK. После окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD, входное слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно управляют ключами ЦАП. Для того, чтобы иметь возможность передавать по одной линии данных входные коды в несколько ЦАП, последний разряд регистра сдвига у многих моделей ЦАП с последовательным интерфейсом соединяется с выводом ИМС DO. Этот вывод подключается ко входу DI следующего ЦАП и т.д. Коды входных слов передаются, начиная с кода самого последнего преобразователя в этой цепочке.
В качестве примера на рис. 9 представлена временнaя диаграмма, отражающая процесс загрузки входного слова в ЦАП. Минимально допустимые значения интервалов времени (порядка 50 нс), обозначенных на временных диаграммах, указываются в технической документации на ИМС.
Рисунок 9. Структурная схема ЦАП с последовательной загрузкой и временная диаграмма
Обработка биполярных чисел, требование к которой определено техническим заданием, имеет определенные особенности. Обычно двоичные целые числа представляются с использованием дополнительного кода. Таким путем с помощью, например, восьми разрядов можно представить числа в диапазоне от -128 до +127. При вводе чисел в ЦАП этот диапазон чисел сдвигают до 0...255 путем прибавления 128. Числа, большие 128, при этом считаются положительными, а числа, меньшие 128, - отрицательными. Среднее число 128 соответствует нулю. Такое представление чисел со знаком, называется смещенным кодом. Прибавление числа, составляющего половину полной шкалы данной разрядности (в нашем примере это 128), можно легко выполнить путем инверсии старшего (знакового) разряда. Соответствие рассмотренных кодов иллюстрируется таблицей 3.
Таблица 3. Режимы работы ЦАП с биполярными числами
Десятичный
Дополнительный
Смещенный
Аналог I/Iмакс
127
01111111
11111111
127/255
1
00000001
10000001
1/255
00000000
10000000
-1
11111111
01111111
-1/255
-127
10000001
00000001
-127/255
-128
10000000
00000000
-128/255
Чтобы получить выходной сигнал с правильным знаком, необходимо осуществить обратный сдвиг путем вычитания тока или напряжения, составляющего половину шкалы преобразователя. Для различных типов ЦАП это можно сделать разными способами. Например, у ЦАП на источниках тока, диапазон изменения опорного напряжения ограничен, причем выходное напряжение имеет полярность обратную полярности опорного напряжения. В этом случае биполярный режим наиболее просто реализуется включением дополнительного резистора смещения Rсм между выходом ЦАП и входом опорного напряжения. Резистор Rсм изготавливается на кристалле ИМС. Его сопротивление выбирается таким, чтобы ток Iсм составлял половину максимального значения выходного тока ЦАП (рис. 10).
Рисунок 10. Реализация ЦАП с биполярными числами
В принципе, аналогично можно решить задачу смещения выходного тока и для ЦАП на МОП- ключах. Для этого нужно проинвертировать опорное напряжение, а затем сформировать из -Uоп ток смещения, который следует вычесть из выходного тока ЦАП. Однако для сохранения температурной стабильности лучше обеспечить формирование тока смещения непосредственно в ЦАП. Для этого в схему на вводят второй операционный усилитель и второй выход ЦАП подключают ко входу этого ОУ.
На входе ОУ1 ток I'вых суммируется с током Iмр, соответствующим единице младшего разряда входного кода. Суммарный ток инвертируется.
Если резисторы R2 хорошо согласованы по сопротивлению, то абсолютное изменение их величины при колебаниях температуры не влияет на выходное напряжение схемы.
У цифро- аналоговых преобразователей с выходным сигналом в виде напряжения, построенных на инверсной резистивной матрице, можно более просто реализовать биполярный режим. Как правило, такие ЦАП содержат на кристалле выходной буферный усилитель. Для работы ЦАП в униполярном включении свободный вывод нижнего по схеме резистора R не подключают, либо подключают к общей точке схемы для удвоения выходного напряжения. Для работы в биполярном включении свободный вывод этого резистора соединяют со входом опорного напряжения ЦАП. ОУ в этом случае работает в дифференциальном включении.
2.2 Выбор элементной базы
Основным этапом в выборе элементной базы для проектируемого устройства является, безусловно, основной его узел- цифро- аналоговый преобразователь. Для обеспечения заданных характеристик выходного сигнала в разрабатываемом преобразователе целесообразно применить ЦАП, реализованный на микросхеме МАХ5550. Данное устройство максимально удовлетворяет требованиям проектируемой схемы, так как имеет два 10- битных канала преобразования и двухрежимный токовый выход. Структурная схема выбранного ЦАП размещена на рисунке 11.
MAX5550 - двойной 10- битный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с высоким выходным током. MAX5550 имеет максимальный выходной ток каждого ЦАП до 30 мА, что делает его идеальным для использования в качестве источника смещения PIN диодов. Для обеспечения выходного тока до 60 мА можно запараллелить выходы. Работая от однополярного источника питания от +2.7 до +5.25 В, MAX5550 имеет типовой ток потребления 1.5 мА/ЦАП в рабочем режиме и менее 1 мкА в дежурном режиме. Также в дежурном режиме MAX5550 имеет очень низкий ток утечки по выходу (не более ±1 мкА), что позволяет гарантировать отключение диодов при нахождении прибора в этом режиме. Частота дискретизации определяется тактовой частотой задающего генератора, время преобразования составляет не более 3 мкс, что соответствует требованиям задания. Требуемая заданием точность преобразования 0.05 % обеспечивается техническими характеристиками ИМС.
Формирование выходных сигналов запроса загрузки следующих данных производится через выход последовательного порта, пересылка запроса по шине VME будет обеспечиваться устройством согласования.
Рисунок 11. Структурная схема МАХ5550
Отличительные особенности МАХ5550:
- Выбираемый сигналом на выводе I2C- или SPI- совместимый последовательный интерфейс;
- Гарантируемый ток утечки по выходу в дежурном режиме не более ±1 мкА;
- Гарантированная монотонность характеристик во всем рабочем температурном диапазоне;
- Два выхода позволяют использовать прибор в симметричных системах;
- Максимальный выходной ток каждого ЦАП 30 мА;
- Возможность запараллеливания выходов для обеспечения выходного тока до 60 мА;
- Стабильность выходов при работе на РЧ фильтр;
- Возможность работы от внутреннего или внешнего ИОН;
- Цифровой выход DOUT позволяет в режиме SPI подключать несколько приборов последовательно;
- Однополярное питание от +2.7 до +5.25 В;
- 16 контактный 3x3 мм тонкий QFN корпус;
- Программируемый программно и при помощи внешнего резистора диапазон выходного тока.
К другим отличительным особенностям прибора можно отнести наличие встроенного +1.25 В ИОН и регулирующего усилителя, позволяющего гарантировать высокую точность и низкие шумы. Для увеличения точности коэффициента усиления прибор может работать от внешнего опорного напряжения, подаваемого на вход REFIN. Вывод выбора типа последовательного интерфейса (I2C- или SPI- совместимый) дает MAX5550 дополнительную гибкость. Максимальное значение выходного тока может быть задано программно или при помощи внешнего резистора.
MAX5550 доступен в 16 контактном 3x3 мм тонком QFN корпусе и имеет рабочий температурный диапазон от -40°C до +85°C.
Таблица 4. Входы и выходы МАХ5550
№ ножки
Обознач.
Наименование
Назначение
Комментарий
1
SCLK/SC
Serial Clock Input
Вход тактовой частоты
Прямое подключение
2
DIN/SDA
Serial Data Input
Вход последовательного интерфейса
Прямое подключение
3
CS/A0
Chip-Select Input
Выбор режима согласования
Подать низкий уровень на вход
4
SPI/I2C
SPI/I2C Select Input
Выбор режима входа
Подключить к источнику питания
5
DOUT/A1
Serial Data Output in SPI Mode
Выход последовательного интерфейса
Подать на вход обработчика прерываний
7
REFIN
Reference Input
Вход внешнего источника опорного напряжения
Прямое подключение
8, 16
GND
Ground
Общий провод
Прямое подключение
9
OUTB
DAC-B Output
Силовой выход канала 2
К переключателю выходного режима
10
FSADJB
DAC-B Full - Scale Adjust Input
Масштабируемый выход канала 2
К переключателю выходного режима
11
FSADJA
DAC-A Full - Scale Adjust Input
Масштабируемый выход канала 1
К переключателю выходного режима
12
OUTA
DAC-A Output
Силовой выход канала 1
К переключателю выходного режима
14
VDD
Power Supply Input
Подключение питания
Прямое подключение
6, 13, 15
NC
Not Connected
Свободный контакт
Не подключать