Программируемое многофункциональное аналого-цифровое устройство сопряжения Советский патент 1988 года по МПК G06F3/00 G06F19/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве программируемого интерфейса для сопряжения ЭВМ с различными аналоговыми устройствами и датчиками.

Цель изобретения - повышение точности преобразования временных интервалов в цифровой код.

. На фиг, I представлена функцио- |нальная схема преобразователя; на 1ФИГ. 2 - функциональная схема блока Программного управления преобразова- I теля,

Преобразователь содержит первый аналоговый коммутатор 1 (АК1), ана- логов.ое операционное устройство 2 (АОУ), второй 3 и третий 4 аналоговые |коммутаторы (АК2 и АКЗ), цифроанало- 1ГОВЫЙ блок 5 умножения (ЦАБ), пе.рвый аналоговый ключ 6, многорежимный ре- истр (МРР)5 блок 8 программного {управления (БПУ), первую группу цифровых выходов преобразователя 9 |(ЦВ), первый 10 и второй П источники эталонного напряжения (ИЭН) , второй налоговь1Й ключ 12, группу аналоговых запоминающих устройств 13 (АЗУ)р йетвертый аналоговый коммутатор 14 (АК4), группу аналоговых выходов пре- фбразователя 15 (АВ), шину 16 нулево- ifo потенциала (ШНП) , компаратор 17 (:КОМ 1) , первый триггер 18 (П), пер- йый мультиплексор t9 (Ml), второй Мультиплексор 20 (М2), третий мульти- 11|лексор 2 (МЗ) , четвертый мультиплексор 22 (М4), элемент И 23, генератор 24 импульсов (ГИ), первый счет- ч|ик 25 (СЧ), второй триггер 26 (Т2), в|торой счетчик 27 (042), третий триггер 28 (ТЗ), зтору о 29 и третью 30 группы цифровых выходов преобразователя , .

Блок программного управления содержит запоминающее устройство 31 (ЗУ), мультиплексор 32 (М) счетчик команд 33 (СЧК), дешифратор команд 34 (ДШОА), дешифратор операций 35 (ДШБА) группу регистров 36 (Р), формирова- Т(ль 37 импульсов (Ф), тактовый ге- Н(ратор 38 (ТГ), триггер 39 (ТП), входы йуска 40 и останова 41 блока программного управления.

Работа преобразователя представляет собой последовательность выдачи на соответствующие импульсные, строби- рующие и информационные выходы БПУ необходимых сигналов и кодов, управ

o

5

п 5 п

5

0

45

50

ляющих работой аналоговых коммутаторов АОУ, аналоговых ключей, счетчиков СЧ1 и СЧ2, мультиплексоров Ml, М2, МЗ, М4, многорежимного регистра МРР, АЗУ, триггеров TI, Т2, ТЗ, а также анализа в соответств аоших участках программы определенных входов БПУ, подключенных к мультиплексору 32.

При измерении временных интервалов между какими-либо входньгми импульсными сигналами с повышенной точностью преобразователя функционирует следующим образом. Пусть, необходимо . измерить интервал времени между двумя соседними импульсами входного сигнала (сигнала на одном из входов аналогового коммутатора I AKI), причем измерение проводится на уровне +1,5 В с целью отстройки от помех с амплитудой, меньшей ,5 В, Для выполнения указанной функции преобразователь выполняет следующую программу (последовательность операций): на информационные входы МРР 7 с шины данных БПУ 8 выдается код, соответ- СТВУТОШ.ИЙ уровню +1,5 В, осуществляется его прием в МРР 7 и дальнейшее преобразование в ЦАБ в аналоговый сигнал, который через открытый ключ 6 подается на второй вход АОУ 2, настроенное управляющими сигналами с соответствующих информационных выходов БПУ 8 на усиление по мощности и/или по амплитуде с выхода АОУ аналоговый сигнал (уровень напряжения +1,5В) записьюается в одно из АЗУ 13 по собтветствующему сигналу БПУ 8. Затем на адресные-входы АК1 подается код адреса канала, по которому производится измерение, и тем самым обеспечивается прохождение входного сигнала на выход АК1. С выхода АК1 сигнал может быть передан через АОУ 2 (с целью усиления по мощности или по амплитуде) либо непосредственно на вход коммутаторов АК2 и АК4, один из которых подключает его к первому входу компаратора 17, На другой вход « компаратора 17 с выхода АЗУ через настроенный соответствующим образом коммутатор 14 (АК4) подается уровень +1,55, Указанная коммутация цепей обеспечивает появление на выходе компаратора 17 уровня логической 1, когда входной сигнал превышает по величине +1,5 В, и противоположного логического уровня - когда входной сигнал по величине меньше +1,5 В.

Далее на адресные входы мультиплексора 20 (М2) подается код адреса обеспечивающий подключение ГИ 24 к счетному входу счетчика 25 (СЧ2), на адресный вход мультиплексора 22 (М) подается код адреса, подключающий третий М4 к его выходу, т.е. соответ ствуютий выход БПУ подключается к входу управ ления счетом СЧ2, причем на указанном выходе БПУ программно устанавливается логический уровень, запрещающий работу СЧ2, а на сам счетчик СЧ2 предварительно заносится (с шины данных БПУ) нулевой код. Затем в программе выполняется анализ сигнала, поступающего в БПУ с выхода компаратора 17.

В случае равенства выходного сигнала компаратора уровню логической единицы программа вновь переходит на участок, обеспечивающий повторный анализ сигнала с выхода компаратора. Если же сигнал на выходе компаратора стал равен логическому нулю (закончился очередной импульс входного сигнала) , БПУ выполняет следующую последовательность команд: устанавливает на втором входе двухвходрвой схем 23 совпадений уровень логической единицы, -затем останавливает себя выдачей в цепь останова Ост сигнала через соответствующий дополнительный выход ВПУ, Работа БПУ прекращается и очередная команда из ЗУ 31 не считывается. Работа тактового генератора 38 (и всего БПУ) возобновится лишь после появления сигнала в цепи Пуск, что произойдет при превьше- нии входным сигналом уровня +1,5 В, т. е. с началом следующего импульса входного сигнала, который вызовет . появление на выходе компаратора 17 уровня логической единицы. Начиная с этого момента вновь начнет работать ТГ 38, произойдет считьшание из ЗУ 31 очередной команды и ее выполнение. Для рассуатриваемого варианта программы такой командой должна быть команда на третий вход мультиплексора 22 (МА) логического уровня, разрешающего работу счетчика 25, Задержка этого разрешающего .сигнала относительно момента превышения входным сигналом уровня «1,5В фиксирована и может быть вычислена на основе анализа задержек компаратора 17, двухвходовой схемы 23 совпадений, цепи Пуск 40, триггера 39,

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

схем ТГ 38, временной диаграммы формирователя 37 фаз, задержки считьша- ния ЗУ 31, задержки распространения сигнала через ДШОА 34, соответствующий регистр 36 и мультиплексор 22 (М4). Таким образом, начало работы СЧ1 оказывается жестко привязанным к моменту превышения входным импульсом уровня +1,5В,

Для определения момента окончания работы СЧ1, т.е. момента окончания счета интервала времени ме;кду соседними импульсами входного сигнала по , уровню t-l,5B выполняется аналогичная последовательность действий: сначала БПУ анализирует сигнал на выходе компаратора 17. Есди он соответствует логической единице (т.е. первый входной импульс еще не закончился), БПУ переходит на повторный анализ сигнала с выхода компаратора, если же сигнал на выходе компаратора стал равен логическому нулю (т.е, первый импульс входного сигнала закончился), БПУ вьтолняет команду своего останова. Поскольку на второй вход схемы 23 совпадений по-прежнему подается логическая единица, БПУ запустится вновь, как только на выходе компаратора 17 появится уровень логической единицы (свидетельствующий, что амплитуда следующего - второго импульса превысила уровень ,5 В). Перзой выполняемой после останова командой должна быть команда выдачи на третий вход мультиплексора 22 (М4) логического уровня, останавливающего работу счетчика 25( СЧ1). Момент останова СЧ1 также строго фиксирован относительно момента превышения вторым импульсом входного сигнала уровня +1,5В и определяется задержками в тех же элементах, что и момент запуска СЧ1. После останова СЧ1 с его информационного выхода через ЦВ 29 может быть считан код, пропорциональный интервалу времени между двумя последовательными импульсами входного сигнала по уровню +1,5В. Таким образом, устраняется погрешность, связанная с неопределенностью момента переключения компаратора 17 в течение времени выполнения команд в БПУ, поскольку работа БПУ строго синхронизируется с таким переключением. Кроме того, частота ГИ 24 может быть намного больше частоты ТГ 38 и быть близкой к максимально возможной

5

для счетчика СЧ2, т.е. само измерение интервалов времени может происходить с более высокой разрешаюшей способностью.

Рассмотренная программа является базовой при точном измерении интервалов между событиямиг фиксируемыми с помощью компаратора 17. На ее основе строятся другие аналогичные программы с использованием других дополнительно введенных в структуру дискретно-аналогового микропроцессора элементов и связей между ними. Так., с помощью триггера 18 (Т) фиксируются короткие импульсы с выхода компаратора 17, длительность которых меньше времени выполнения команды в БПУ. В этом случае после повторного запуска БПУ (по рассмотренному ал горитму) первый анализ выходного сигнала компаратора 17 может показать, что он соответствует уровню логичес- I кого нуля поскольку импульс входно- I го сигнала закончился в. течение пери- I ода вьтолнения команды анализа. Под- Iтверждением того факта, что импульс |входнога сигнала на самом деле прошел через компаратор, служит состояние триггера 18 (предварительно он Iустанавливается по второму установоч- |ному входу соответствуюшей командой |БПУ). Анализ выхода триггера 18 про- 1водится аналогично анализу выхода компаратора 17, т.е. по соответствующему входу мультиплексора 32 БПУ. Подключение выхода переполнения СЧ1 к счетному входу СЧ2 через мультиплексор 19 обеспечивает точное измерение длительных интервалов времени а счет увеличения обшей разрядности Счетчика. Результат измерения считы дается через соответствующие щ-зфровые выходы 30 и 29 поочередно. Триггеры 26 (Т2) и 128 (ТЗ) позволяют фиксировать переполнение счетчиков 25 и 27

управлять работой СЧ1 и СЧ2 через соответствующие входы мультиплексоров 21 и 22. Этот режим используется при точном измерении числа импульсов входного сигнала за фиксированный отрезок времени, отсчитьшаемый счетчиком СЧ1 по импульсам ГИ 24. В данном случае мультиплексор 2 настраивается на передачу сигнала запрета счета СЧ2 с выхода БПУ через третий вход МЗ, а Т2 устанавливается импульсом с выхода БПУ по второму устано1425635

5

0

5

0

5

0

5

0

5

вочному входу. Сигнал с выхода Т2 после этой установки должен разрешать работу СЧ2 по входу управления счетом СЧ1 в случае соответствующей настройки МЗ. Счетчики СЧ1 и СЧ2 обнуляются, М2, Ml и МЗ настраиваются соответственно на передачу импульсов из ГИ на счетный вход СЧ2, с выхода компаратора на вход СЧ2, с выхода Т2 на вход управления СЧ2.Счетчик СЧ1 начинает отсчитывать фиксированный интервал времени, СЧ2 - импульсы входного сигнала, пpoшeдDJиe через компаратор за этот интервал. При переполнении СЧ2 триггер 7.2 переключится в противоположное состояние и запретит счет входных импульсов в СЧ2. Результат может быть считан че рез соответствующие ЦБ. Процесс счета может быть синхронизирован с одним из входных импульсов по сигналам компаратора в соответствии с рассмотренным ранее алгоритмом.

Преобразователь позволяет также измерять и саму длину (длительность) входного импульса по заданному уровню (например, по тому же уровню ,5 В). Для этого на адресный вход мультиплексора М4 подается код адреса, обеспечивающий подключение первого входа М4 к входу управления счетом счетчика СЧ1. Компаратор 17 подключается с помощью АК2 и АК4 к источнику входного анализируемого сигнала и выходу АЗУ с хранящимся.в нем , опорным уровнем напряжения (+1, 5В) так, чтобь1выходной сигнал компаратора, проходя через М4 на вход управления счетом СЧ1, разрешал работу СЧ2, когда входной сигнал.(на.входе АК1) превышает уровень +1,5 В, и запрещал, когда входной сигнал меньше уровня +1,5 В. С помощью рассмотренной ранее npoi- раммы работа дискретно-аналогового микропроцессора также может быть строго синхронизирована с появлением переднего фронта первого входного импульса. По окончании первого импульса входного сигнала в СЧ1 будет находиться код, пропорциональный длине этого импульса по уровню+1,5 В. (Как обычно, перед -началом измерения СЧ1 должен быть обнулен и подключен с помощью М2 к выходу ГИ). Для повышения точности измерения длительности импульсов по рассмотренному алгоритму или с целью статистического осреднения этого параметра может быть пооведено измерение суммарной длительности последовательности из нескольких входных импульсов. Для этого сигнал с выхода компаратора также подается через М4 на вход управления счетом СЧ2 и, кроме того, через Ml на счетный вход СЧ1 для подсчета об- шего числа входных импульсов, у котог рых измерялась суммарная длительность (по уровню +,5В). Счетчик СЧ1 может быть предварительно установлен в определенное состояние с тем, чтобы появление сигнала переполнения на выходе СЧ1 (и установка ТЗ в соответствующее состояние) происходило после заданного числа входных импульсов. Установка СЧ1 производится путем занесения в него соответствующего кода с шины данных БПУ. Момент времени, когда число анализируемых входных импульсов достигло заданного значения, определяется по переключени:о триггера ТЗ.

При измерении интервалов времени очень большой длительности собственная частота введенного в дискретно- аналоговый микропроцессор генератора импульсов ГИ может оказаться чрезмерно высокой, что приведет к переполнению счетчиков СЧ2 и СЧ1 даже в случае их последовательного вк.пючения Расширение динамического диапазона при измерении интервалов времени в данном случае обеспечивается за счет перехода на программную реализацию генерирования импульсов для счетчиков СЧ1 и СЧ2. При ЭТОМ соответствующие выходы БПУ подключаются через вторые входы мультиплексоров М и М2 к счетным входам СЧ1 и СЧ2. Программное генерирование прямоугольных импульсов на вторых входах Ml и М2 состоит в поочередной вьщаче на со- ответств попше дополнительные выходы БПУ уровней логического нуля и логической единицы. Аналогично формируются импульсы (на вторых входах Ml и М2) при организации программного счета событиЙ5 происходящих при выполнении различных программ.

На практике возможно также использование самых различных модификаций рассмотренных вариантов программ и схем коммутации дополнительно.введенных в устройство АК4, Ml, М2, МЗ, МА, Т1, Т2, ТЗ, ГИ, двухвходовой схемы совпадений, а также различные сочетания программ друг с другом.

Формула

8

3 о

бретения

5

0

5

0

Программируемое многофункциональное аналого-цифровое устройство сопряжения, содержащее с первого по третий аналоговые коммутаторы, аналоговый операционньй блок, первый и второй аналоговые ключи, цифроаналого- вый блок умножения, многорежимный

регистр, группу из М аналоговых минающих блоков, блок программного управления, компаратор, выход которого соединен с первым входом обратной связи блока программного управления и первым входом задания режима многорежимного регистра, информационные выходы которого соединены с информационными входами цифроаналого- вого блока умножения и являются первой группой цифровых выходов устройства, информационные входы, второй вход задания режима и вход сброса многофункцио)1ального регистра соединены соответственно с выходами установки начальных данных, первым и вторым выходами блока программнопР управления, первая - пятая группы выходов которого соединены соответственно с управляющими входами первого, второго и третьего аналоговых KOMf iyTaTopoB, с входами задания режима аналогового операционного блока и входами записи соответствующих ана- запоминающих блоков группы, выход К-го аналогового запоминающего блока группы (где ,..., М) соединен с К-м информационным .входом второго аналогового коммутатора, с (К+2)-м входом аналогового операционного блока и является К-м аналоговым выходом группы преобразователя, выход первого аналогового коммутатора соединен с пе.рвыми информационными входами третьего аналогового коммутатора и аналогового операционного блока, и с (М+1)-м информационным входом второго аналогового коммутатора (М+2)-й информационный вход которого соединен с входом нулевого потенциала преобразователя, а (М+3)-й вход которого соединен с входами аналоговых запоминающих блоков группы, с выходом аналогового операционного блока.и входом второго аналогового ключа, выход которого соединен с первым аналоговым входом цифроаналого- вого блока умножения, второй аналоговый вход которого соединен с выходом

0

5

0

5

третьего аналогового коммутатора, второй и третий информационные входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго источников эталонного напряжения и (М+4)-м и (М+5)-м входами второго аналогово- |го коммутатора, выход которого соеди Ьен с первьЕм входом компаратора, вы- код цифроаналогового блока умножения ig Соединен с входом первого аналогового {ключа, выход которого соединен с торЬ5М входом аналогового операциои- ого блока, входы первого аналогового Коммутатора являются информационны- и входами устройства, управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока про- раммного управления,- о т л и ч а - о ш е е с я тем, что, с целью позы- пения точности преобразования вре- : 1енных интервалов в цифровой код, в преобразователь введены генератор имдинен с выходом четвертого аналог вого коммутатора, входы которого динены с соответствующими входами третьего аналогового коммутатора, управляющие входы соединены с шес группой выходов блока программног управления, третий вход обратной связи которого соединен с прямым ходом первого триггера и с третьи входами третьего и четвертого мул плексоров, управляющие входы кото соединены соответственно с седьмо и восьмой группами выходов блока 15 программного управления, -четверты и пятый входы обратной 1;вязи кото соединены соответственно с прямым выходами второго и третьего тригг . и с четвертыми входами третьего и четвертого мультгшлексоров, выход которых соединены соответственно управляющими входами второго и пе вого счетчиков, выходы переполнен которых соединены соответственно

20

30

лульсов, с первого по четвертый нуль- 25 входами установки.в 1 третьего |Гиплексоры, первый и второй счетчики, первого по третий триггеры5 четвер- |гый аналоговый коммутатор и элемент , выход которого соединен с вторым фходом обратной связи блока програм- иного управления, выходы с третьего йо двенадцатый которого соединены со- Фтветственно с входеми сброса с пер™ йоге по третий триггеров, первыми информационными входами с первого по етвертьш мультиплексоров, с входами фаписи первого и второго счетчшсов и ct первым входом элемента И, второй ход которого соединен с входом установки в i первого триггера, с вторыми входами с первого по четвертый мультиплексоров и с выходом компаратора, -второй вход которого сое

35

40

второго триггеров, выход переполн ния первого счетчика соединен так с вторым входом первого мультипле ра, управляющие входы первого и в рого мультиплексоров соединены с той и десятой группами выходов бл Программного управления, выход ус новки начальных данных которого с динен с информационными входами п вого и второго счетчиков, счетные входы кото.рых соединены соответст но с выходами второго и первого м типлексоров, а информационные вых первого и второго счетчиков являю второй и третьей группами цифров выходов устройства, третий вход п вого мультиплексора соединен с в дом генератора импульсов.

динен с выходом четвертого аналогового коммутатора, входы которого соединены с соответствующими входами третьего аналогового коммутатора, а управляющие входы соединены с шестой группой выходов блока программного управления, третий вход обратной связи которого соединен с прямым выходом первого триггера и с третьими входами третьего и четвертого мультиплексоров, управляющие входы которых соединены соответственно с седьмой и восьмой группами выходов блока 5 программного управления, -четвертый и пятый входы обратной 1;вязи которого соединены соответственно с прямыми выходами второго и третьего триггеров . и с четвертыми входами третьего и четвертого мультгшлексоров, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами второго и первого счетчиков, выходы переполнения которых соединены соответственно с

0

и

входами установки.в 1 третьего

второго триггеров, выход переполнения первого счетчика соединен также с вторым входом первого мультиплексора, управляющие входы первого и второго мультиплексоров соединены с девя той и десятой группами выходов блока Программного управления, выход установки начальных данных которого соединен с информационными входами первого и второго счетчиков, счетные входы кото.рых соединены соответственно с выходами второго и первого мультиплексоров, а информационные выходы первого и второго счетчиков являются второй и третьей группами цифровых выходов устройства, третий вход первого мультиплексора соединен с выходом генератора импульсов.

Фаг. 2

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве программируемого интерфейса для сопряжения ЭВМ с U различными аналоговыми устройствами и датчиками. Цель изобретения - повышение точности преобразования временных интервалов в цифровой код - достигается тем, что в преобразователь,, содержащий с первого по третий аналоговые коммутаторы 1 - 4, аналоговое операционное устройство 2, циф- роаналоговый блок умножения 5, многорежимный регистр 7, первый 6 и второй 12 аналоговые ключи, первый 10 и второй 11 источники эталонных напряжений, блок программного управления и компаратор 17, дополнительно введены четвертый аналоговый коммутатор 14, генератор 24 импульсов, с первого по четвертый 19-22 мультиплексоры, с первого по третий 18 - 28 триггеры, первый 25 и второй 27 счетчики и элемент И 23, 2 ил. О «о (Л U 4 Ю О1 О) со О1 te/