Mieszkanie i ogrzewanie: Wejscia Analogowe i Binarne mikrokontrolera
Przetwarzane obecnie sygnaly elektryczne obejmuja pasmo 0 – 100 GHz. Widmo sygnalow sejsmicznych ma istotna energie nawet przy bardzo malych czestotliwosciach.
Widmo sygnalow z sensorow automatyki przemyslowej ma juz mala energie powyzej czestotliwosci 1 Hz. Ale w samych sensorach uzywane sa nawet sygnaly mikrofalowe.
W automatyce twierdzenie Shannona – Kotielnikowa o probkowaniu i odtwarzaniu sygnalow nie ma zadnego zastosowania poniewaz czas probkowania dodaje sie do czasu martwego petli regulacji degradujac jakosc regulacji. Z sygnalu sensorow mozna natomiast usunac szumy.
Sygnal akustyczny obejmuje zakres 20 - 20 000 Hz. Sygnal Video z kamer obejmuje zakres 0-6 MHz ale uwagi na mozliwosci odtwarzania poziomu zerowego przesylanie nie musi obejmowac pradu stalego DC. Sygnaly Video pochodza tez z radarow, urzadzen medycznych i innych przyrzadow i maja pasmo ponad 6 MHz.
Zlozony sygnal telewizyjny jest coraz bardziej skomplikowany i trudny. Poczatkowo do czarno - bialego sygnalu Video (na zakresach VHF i UHF z modulacja VSB – Vestigal Side Band) dodano sygnal z modulacja FM Audio. Nastepnie dodano sygnal koloru NTSC lub PAL lub Secam. Nastepnie dodano Teletekst i dzwiek stereofoniczny FM a nastepnie dzwiek cyfrowy Nicam 728. Caly czas polowicznie zachowana byla i jest kompatybilnosc w dol. Ale na ekranie odbiornika czarno bialego widoczna jest moira od sygnalu koloru a sygnal czarno bialy czyli luminancji w standardzie kolorowym ma dodatkowo zredukowana amplitude. Dodawanie kolejnych sygnalow analogowych degraduje je. I tak sygnal stereofoniczny MPX z odbiornika UKF FM ma az o 26 dB wiekszy poziom szumow niz sygnal monofoniczny ! Osiagnelismy juz taki moment ze bardziej racjonalne jest przesylanie sygnalu cyfrowego zawierajacego wszystkie informacje skladowe.
Sygnal radiowy obejmuje pasmo od fal dlugich do okolo 100 GHz.
Obecnie sygnal szerokopasmowy ( od DC lub malych czestotliwosci) potrafimy analogowo przetwarzac do czestotliwosci okolo 5 GHz. Tranzystory mikrofalowe stosowane sa do zakresow czestotliwosci 20 GHz a powyzej tego dominuja mikrofalowe egzotyczne diody specjalne i klistrony na poszczegolne zakresy.
Na rysunku pokazano zastosowanie japonskich tranzystorow AlGaAs-GaAs z bramka szerokosci 0.5 um w konverterze satelitarnym na zakresy X lub K i w szerokopasmowym do 5 GHz ( to strumien informacji 10 Gbits/sec) wzmocnieniu sygnalu z fotodiody lawinowej. Producent podaje im na wykresach parametry na plaszczyznie S ale daje tez model skupiony. Obecnie z racji popularyzacji telewizji satelitarnej technologia mikrofalowa posunela sie ogromnie do przodu a przy tym spopularyzowala. Stosunkowo latwa stala sie konstrukcja na przyklad cyfrowych lini mikrofalowych lub radarowego sensora poziomu "czegos" w zbiorniku.
Wniosek z tego taki ze kiedys procesory beda taktowane z czestotliwoscia 1 GHz a nawet wyzsza a ich wydajnosc bedzie rosla jeszcze przez wiele dekad. Dopiero potem staniemy przed koniecznoscia budowy maszyn rownoleglych. Juz dzis jest pewne sa przeszkoda beda rownolegle algorytmy a nie chipy.
W tym samym roku koncern ITT w zestawie ukladow Digit 2000 do cyfrowego odbiornika TVC zastosowal wzglednie tani – masowy 7 bitowy ( oraz co linie przelaczany offset dla zwiekszenia rozdzielczosci ) przetwornik ADC typu Flash taktowany czestotliwoscia 4.43...(podnosna PAL ) x 4 MHz. Zestaw ukladow ma w sobie razem ponad 200 tysiecy tranzystorow. ITT inne koncerny przymierzajace sie do DSP sygnalow cyfrowych video wyprzedzil o okrazenia toru tak samo jak w dziedzinie CD duet Sony – Philips, ktory po dlugich badaniach stworzyl standard CD.
Probki wszystkich sygnalow zmiennopradowych maja znak. Mozna do takiego sygnalu jednak dodac offset i otrzymac sygnal o probkach jednego znaku.
Opornosc sensora PT100 lub napiecie na tranzystorze jako sensorze temperatury maja staly znak. Kondycjoner jednak moze teoretycznie miec wyjscie napieciowe w skali Celsjusza a nie Kelvina co raczej nie ma sensu. Obecnie coraz wieksza popularnosc w automatyce przemyslowej zdobywa standard petli pradowej 4-20 mA. Minimalny prad plynacy w petli 4 mA wystarcza do zasilania calkiem wymyslnej elektroniki sensora. Wada tego standardu sa duze ( jak na elektronike ) straty mocy. Sygnal jest dosc odporny na zaklocenia. Zasilania podane do petli pradowych powinno byc indywidualnie dla kazdego sensora zabezpieczone aby jedno zwarcie nie obezwladnilo calego systemu. Mozna stosowac nasycone zrodla pradowe jako ogranicznik pradu, bezpieczniki topikowe ( bezpieczniki na male prady sa drogie !) lub pozystor PTC jako "odwracalny bezpiecznik".
Wejsciowy rezystor kontrolera przez ktory plynie prad 4-20 mA z sensora na wypadek uszkodzenia sensora lub zwarcia przewodow winien byc mocno przewymiarowany aby sie nie "spalil" lub musi byc chroniony.
W ukladach iskrobezpiecznych bezpieczenstwo petli pradowych zapewniaja dodane Bariery Zenera ( oprocz diod Zenera uzyto tam specjalnego tranzystora JFet jako normalnie nasyconych zrodel pradowych ) jako moduly zasilania i obwodu a podobna funkcjonalnosc jest juz czesto scalona w systemie.
Kontrolery dzialaja w realnym, brutalnym swiecie w ktorym wszystko sie z czasem psuje lub moze zepsuc.
Sygnal bipolarny ze znakiem to przede wszystkim sygnal -10...+10 V generowany przez przetwornik DAC komputera CNC lub robota podany do sterownika ( "wzmacniacz" ) silnika serwomechanizmu.
Empiryczne prawo Moore'a glosi ze ekonomicznie optymalna liczba tranzystorow w ukladzie scalonym zwieksza sie w czasie wykladniczo. Rosnaca ilosc monolitycznych tranzystorow i ich rosnaca szybkosc przeklada sie na wykladniczy wzrost szybkosci procesorow.
Koncern ITT od 1982 roku przetwarza telewizyjne sygnaly cyfrowo w procesorze nieprogramowalnym a sygnaly audio w programowalnym procesorze DSP.
Natomiast TI i NEC produkuja szybkie komercyjne procesory DSP. W stosunku do konwencjonalnego procesora dodatkowo szybko wykonuja one polaczona operacje mnozenia i sumowania co jest uzyteczne m.in. w realizacji filtrow FIR i IIR oraz algorytmu FFT. Mnozenie realizowane jest w jednym cyklu zegarowym sprzetowo.
Obecnie funkcjonuje paradygmat szeregowego ( kolejne instrukcje do wykonania ) procesora i szeregowo wykonywanego programu ale w celach specjalistycznych ( na przykald tomografia komputerowa ) stosuje sie specjalizowane macierze rownoleglych procesorow. Jednak wydajnych algorytmow do rownoleglej realizacji jest bardzo malo mimo trwajacych od lat poszukiwan.
Pierwszy zaprogramowany do roli kalkulatora mikrokontroler Texas Instruments wypuscil juz w 1971 roku. Uklad ten po udoskonaleniu od 1974 roku oferowany jest jako mikrokontroler ogolnego zastosowania. Oczywiscie trzeba opracowac samemu program.
Poniewaz takze inne firmy podjely produkcje ukladow kalkulatorowych ceny kalkulatorow spadly kilkadziesiat razy i czesc producentow sie wycofala z produkcji. Cemi zakupilo komplet masek do ukladu kalkulatora od takiego producenta, ktory wycofal sie z segmentu z powodu miazdzacej konkurencji.
Procesor 4,8,16 bitowy scalony z pamiecia ROM programu oraz peryferiami to mikrokontroler.
Wydajnosc mikrokontrolerow rosnie w czasie podobnie jak procesorow. Peryferia mikrokontrolera bywaja bardziej zlozone niz sam procesor ! Dedykowane do odbiornikow TVC 8 bitowe (!) japonskie mikrokontrolery w gestej obudowie DIL42 maja uklad syntezy napisow na ekranie odbiornika OSD ( On Screen Display ) oraz dekoder sygnalow pilota ze scalonego ( oszczedza miejsce na PCB i koszt ) odbiornika podczerwieni i uklad wytwarzajacy zmodyfikowany sygnal PWM do syntezy napiecia przestrajania glowicy o rozdzielczosci 13 bitow oraz 4 uklady PWM do analogowej regulacji kontrastu, jaskrawosci, nasycenia i glosnosci odfiltrowanym dolnoprzepustowo sygnalem "DC". Zwykle porty binarne I/O obsluguja lokalna klawiature odbiornika oraz przelaczaja zakresy glowicy czy zalaczaja odbiornik i sluza do komunikacji ( ele tu moze byc uzyty dedykowany interface ) z pamiecia nieulotna EEprom. Jest tez rozbudowany uklad licznikow oraz przerwan od swoich peryferiow.
Technologia PMOS jest najprostsza i najgestsza ze wszystkich ale znacznie wolniejsza niz NMOS. Jednak uklady PMOS wykonane w nowoczesnej technologi maja wystarczajaca szybkosc do czesci mikrokontrolerow i moga byc tanie ale wychodza z uzytku.
Procesory Philipsa do tego celu TVC sa 8 bitowe. Phillips optuje za komunikacja miedzy ukladami scalonymi wykonawczymi i mikrokontrolerem swoim szeregowym interfesjem I2C wymagajacym niewiele ( jak na taka funkcjonalnosc ! ) tranzystorow do implementacji na chip-ie ukladu wykonawczego. Jest do dobre rozwiazanie do odbiornikow wysokiej klasy i nie tylko odbiornikow ale wszelkiej elektroniki.
Zupelnie inne peryferia sa potrzebne mikrokontrolerowi do samochodowego ECU. Z racji stopnia komplikacji peryferii bardziej adekwanty jest / bylby tu procesor 16 bitowy.
Praktycznie kazdy koncern mikroelektroniczny oferuje mikrokontrolery do poszczegolnych zastosowan i bez specjalizacji jak Intel 8051. On zupelnie nie nadaje sie do odbiornika TVC z braku tych wymienionych, wydajnych peryferii. Mozna je dodac z zewnatrz ale system bardzo sie komplikuje i jest drogi. A przeciez producent rynkowego wyrobu musi w TVC umiescic kupe przeroznej elektroniki i gdyby uzyl 8051 z dodatkowa kupa innych ukladow wokol niego to powstaly potworek jest niesprzedawalny.
Funkcjonalnosc realizowana najprostszym sprzetem i programem jest niewydajna i droga. Szybkosc pracy pamieci na kasecie magnetofonowej dla komputerka ZX Spectrum jest tak mala z tego wlasnie powodu ze program dekoduje tam odczytywany sygnal z tasmy. Ze wzgledu na cene nie zastosowano wyspecjalizowanej peryferii.
W poteznych centralach telefonicznych Bella ESS No1 ( Electronic Switching System ) poczatkowo program komputera probkowal sygnal z linii telefonicznych w czasie wybierania numerow tarcza przez abonentow co absorbowalo znaczna czesc wydajnosci procesora. Poniewaz okazala sie ona bardzo potrzebna do realizacji rosnacej ilosci uslug (w duzym asortymencie pojawily sie one pozniej ) zdecydowano dodac peryferyjny "Digital Signal Processor" dla odbioru sygnalow z tarcz telefonow aby odciazyc komputer dla uslug. Oczywiscie ten "DSP" nie ma nic wspolnego ze wspolczesna trescia nazwy DSP. To dosc zlozony, wyspecjalizowany uklad peryferyjny do odbioru informacji wybierania numerow tarcza ( pozniej tonowo ) z telefonow.
N.B. Telefonia w Polsce jest strasznie zapozniona a "uslugi" sa prawie nieznane mimo iz w USA zarabia sie na nich potezne pieniadze. Autor jest zdania ze telekomunikacja w Polsce moze byc rentowna a w miare jej rozwoju wysokorentowna. Watek ten rozwinieto dalej.
Philips swoje mikrokontrolery w technologii NMOS i CMOS buduje wokol licencyjnych mikrokontrolerow 8048 i nowszego 8051 Intela. Najbardziej rozbudowy mikrokontroler 80552 ( licencja od Intela ) w obudowie PLCC68 ma jadro takie jak '51. Ma okolo okolo 130 tysiecy tranzystorow a wiec liczbe juz bliska procesorowi Intel 80286 pracujacemu w komputerach PC AT.
Na rysunkach pokazano jest schemat blokowy i zastosowanie w ECU do silnika samochodu osobowego .
Wzmacnicze wykonane w technologii CMOS maja dobre parametry ale tranzystory MOS maja niestety bardzo duze szumy 1/F. Rozwiazaniem tego problemu jest okresowe ( 2 - 400 Hz) autorownowazenie ale uklad znacznie sie komplikuje.
Juz obecnie mikrokontroler w technologii CMOS moze w podsystemie analogowych wejsc miec oprocz przetwornika ADC i multiplxera takze wzmacniacz roznicowy o programowalnym wzmocnieniu PGA a nawet zalaczalne zrodla pradowe do wspolpracy z sensorami rezystancyjnymi.
Produkcja mikrokontrolerow dynamicznie rosnie od lat. Kazdy sprzet RTVC i CD z pilotem, magnetowid i kamera, co lepszy sprzet AGD maja juz wbudowany mikrokontroller akceptujacy sygnal zdalnego sterowania z odbiornika podczerwieni pilota. Rozbudowanym funkcjonalnie aparatem telefonicznym steruje 4 bitowy mikrokontroler.
Mikrokontroler realizuje szybka operacje pozycjonowania glowic w napedzie twardego dysku. Steruje praca drukarki iglowej. Sercem drukarki laserowej jest procesor obecnie mocniejszy ( to raczej anomalia !) od uzytego we wspolpracujacym komputerze PC. Ale w tej drukarce uzyto tez mikrokontrolera. Szybko popularnosc zdobywaja samochodowe ECU. Mikrokontrolery sa stosowane w automatyce przemyslowej.
Mikrokontrolery opanowaly profesjonalny sprzet elektroniczny, medyczny i militarny.
Automatyczna pralka z mikrokontrolerem ponad pralke z mechanicznym programatorem bebnowym wyroznia m.in szybkie wirowania. Program dochodzenia do pelnej szybkosci wirowania jest stopniowy i zapewnia dobry rozklad bielizny na obwodzie bebna pralki. Stosowany jest do napedu silnik uniwersalny ( masowo produkowany jest tylko troche drozszy od dwubiegowego asynchronicznego ) zasilany ze sterownika fazowego z triakiem. Polska kupila kiedys licencje na pralke automatyczna. Tak jak ze wszystkimi licencjami produkt nie jest modernizowany i sie starzeje. W zamiarze kupujacych licencje bylo tanie wyprodukowanie polskim tanim robotnikiem i zachodnia technologia towarow eksportowych. Nie ma tam miejsca na zadna modernizacje i rozwoj zakupionej technologii.
Trudno w tej mierze mikrokontrolerow udawac zaskoczenie skoro od 1974 roku serie mikrokontrolerow sa wielomilionowe a kazdy duzy japonski koncern z dzialem mikroelektronicznym ma wlasna rodzine mikrokontrolerow.
Polska jest liczacym sie eksporterem broni. Jednak obecnie czolg bez elektronicznego Systemu Kierowania Ogniem jest przestarzaly i mozna go tylko tanio sprzedac z niska marza lub nawet ze strata producenta. Polska jest liczacym sie producentem prostych statkow ale stosuje w nich droga elektronike zachodnia. Eksport tych statkow jest, wszystko na to wskazuje, mocno nierentowany i obciaza kraj. Bez opanowania produkcji bardziej skomplikowanych jednostek z wlasna elektronika stocznie produkcyjne sa do zamkniecia. Generalnie przestarzaly przemysl ciezki jest mocno nierentowny.
Sprawe mikrokontrolerow trzeba widziec we wlasciwej perspektywie. Polska drogo kupila od amerykanskiego konceru RCA fabryke kineskopow kolorowych. Nowoczesny odbiornik TVC jest towarem eksportowalnym a konkurentem na rynku swiatowym jest glownia Japonia. Musi to wiec byc sprzet nowoczesny o dobrej funkcjonalnosci. Masowa produkcja na rynek krajowy moze go troche zrownowazyc.
Produkowanie na potrzeby wewnetrzne nowoczesnego sprzetu Audio troche mija sie z celem skoro przekaz UKF-FM jest niskiej jakosci a plyty gramofonowe i kasety magnetofonowe tak samo sa niskiej jakosci. Plyty CD nie sa w Polsce produkowane. Przywiezione z Zachodu plyty gamofonowe po wielokrotnym odtworzeniu sa juz zrodlem niskiej jakosci dzwieku. Plyty CD sie nie zuzywaja ale odtwarzaczy CD jest niewiele podobnie jak drogich, zachodnich plyt CD. Czyli trzeba zaczac od modernizacji radiofonii UKF-FM.
W urzadzeniu produkowanym masowo stosuje sie mikrokontrolery z wewnetrzna pamiecia ROM programu programowana maskami. Wymaga to bardzo starannego przetestowania programu. Mikrokontrolery MCS51 moga pracowac z zewnetrzna pamiecia programu Eprom ale kosztem utraty duzej ilosci portow. Aby te porty "odzyskac" mozna uzyc popularnego ukladu PIO 8255 czy Latchy ale konieczne sa zmiany w programie i sprzecie. Tak wiec mikrokontroler jest szczegolnie atrakcyjny z wewnetrzna pamiecia programu. Koszt wykonania kompletu masek jest niebagatelny i rozwiazanie to stosowane w produkcji masowej eliminuje mniejsze podmioty z gry.
Koszt szczelnego przetestowania programu moze nawet 3-10 x krotnie przekroczyc koszt wykonania programu co dodatkowo faworyzuje koncerny.
Nie ma prostego sposobu odczytania zawartosc pamieci ROM mikrokontrolera czyli skopiowania programu. Pojawily sie doniesienia o laserowym skanowaniu powierzchni chipa ale ta metoda nie kazdemu jest dostepna o ile w ogole dziala.
Koncerny oferuja oprogramowane mikrokontrolery do roznych standardowych zastosowan. Sa one jednak duzo drozsze niz bez programu. Poniewaz rozmiar wewnątrznej pamieci ROM mikrokontrolera nie jest duzy program musi byc mocno zoptymalizowany co podnosi poziom trudnosci jego wykonania. Czesc programow moze stosowac komunikacje z ukladami wykonawczymi systemu okreslonym interfejsem co zaweza wybor tych ukladow.
Technologiczne zaawansowanie gospodarki pokazuje cena kilograma exportu i cena kilograma importu a zwlaszcza iloraz tych dwoch cen. Polska w tej mierze ma jeden z najgorszych wynikow w swiecie. Handel zagraniczny PC mamy maly nawet w gronie krajow socjalistycznych, ktore generalnie izolowaly sie od swiata.
Pierwsza rewolucja przemyslowa to glownie maszyna parowa
Druga rewolucja przemyslowa ( po 1900 roku ) to glownie silniki spalinowe ale tez turbiny
Trzecia rewolucja przemyslowa ( po 1960 roku ) to glownie komputery i elektronika.
Zatem bez szerokiego zastosowania mikroelektroniki nie weszlismy nawet porzadnie w III rewolucje przemyslowa !
Po raz pierwszy komputer zastosowano w sterowanym procesie przemyslowym w rafinerii w Port Arthur w USA w 1959 roku. Ogolnie pozniej komputery sterowaly procesem DDC ( Direct Digital Control) lub zbieraly dane do CRPD - Centralna Rejestracja i Przetwarzanie Danych. Z uwagi na niezawodnosc systemu przy problemach z komputerem systemu DDC regulacje przejmowaly specjalnej konstrukcji regulatory analogowe. Aktuator sterowany przez regulator krokowy pamieta ostatnie ustawienie sprzed awarii co jest kolejna zaleta regulatorow krokowych.
Komputer, minikomputer czy mikrokomputer informacje z procesu otrzymuje sensorami binarnymi i analogowymi.
Pod koniec ubieglej dekady drogie wielokanalowe karty z przetwornikami A/D , multiplxerami i innymi ukladami do mikrokomputetow wypuscily miedzy innymi Analog Devices i Burr Brown. Ich powaznymi wadami jest delikatnosc wejsc i podatnosc na zaklocenia. Wady te w zastosowaniach przemyslowych sa czesto dyskwalifikujace.
Funkcje scalonych w mikrokontrolerach peryferiow mozna konfiguracyjnie przypisac do poszczegolnych pinow i czesci peryferiow nie wykorzystac bowiem czesto jest ich nadmiar w stosunku do ilosci pinow mikrokontrolera.
Koncern RCA pierwsze logiczne uklady CMOS rodziny CD4000 wypuscil juz w 1969 roku. Uzyto metalowej bramki i topornego procesu 10 um. Uklady byly powolne. Byly co do funkcji i pinow zupelnie inne niz uklady z dominujacej serii 74 TTL koncernu Texas Instrument. Totez wpuszczono uklady CMOS o nazwie 74C zgodne pinami z seria 74 TTL w w technologii takiej jak CD4000.
W latach siedemdziesiatych zastosowano bramke krzemowa i proces 6 a potem 4 um do ukladow zgodnych pinami z CD4000. Sa one trzykrotnie szybsze i pobieraja polowe mocy tego co starsze uklady rodziny CD. W nomenklaturze Philipsa nazywaja sie przykladowo HEF4000.
Od 1982 roku technologia 3 um z bramka krzemowa produkowane sa masowo uklady 74HC i 74HCT ( za prefiksem numery ukladow jak w zwyklej serii 74) o czasie propagacji 9 ns czyli odrobinke krotszym niz popularnych ukladow 74LS. Uklady HC maja zasilanie 2-6 V i symetryczny prog przelaczania w srodku napiecia zasilania a uklady HCT maja asymetryczne progi zblizone do standardu TTL i stad litera T w nazwie a napiecie zasilania wynosi 4.5-5.5V. W ogromnej wiekszosci zastosowan uklady HCT ( czasem tez HC ) mozna bez zmian uzyc zamiast ukladow LS.
Statyczny pobor mocy ukladow CMOS jest bliski zeru pod warunkiem ze napiecia na wejsciach wynosza GND lub VCC. W posrednim "liniowym" zakresie napiec wejsciowych pobor pradu i mocy jest bardzo duzy !
Poprawna prace ukladow TTL ( takze HC i HCT ) gwarantowana jest dla sygnalow wejsciowych rosnacych szybciej niz 1 V / us. Tam gdzie sygnaly sa wolniejsze konieczne jest uzycie bramek Schmidta.
Aby ulatwic prace projektantom wszystkie uklady HC i HCT maja niewielka histereze na wejsciach nawet jesli Data Sheet o tym nie wspominaja.
Na rysunku pokazano wejscie ukladu HCT. Dioda D3 wprowadza niesymetrie progu przelaczania i w ukladzie HC jej nie ma. Wejscie jest bardzo dobrze chroniowe przed ESD rezystorami i diodami D2 i D1. Uklad taki angazuje malo miejsca na chipie ale mozna tez uzyc bez rezystorow pary wiekszych diod jak do ochrony wyjscia co jednak skutkuje nieporzadana wieksza pojemnoscia wejsciowa.
Sygnal wejsciowy przechodzi przez pierwszy inverter na tranzystorach N1 i P1 i dalej przez drugi inwerter na P3 i N3. I stad dopiero sygnal podano do wewnetrznej logiki ukladu. Tranzystor P2 stwarza dodatnie sprzezenie zwrotne i mala histereze na wejsciu. Uzyto w tej roli tranzystora P poniewaz jego Rdson jest 2-3 krotnie wiekszy niz dla typu N i to gwarantuje zawsze poprawna prace ukladu. Przy tym niewiele spowalnia on prace ukladu. Odpowiednio maly ( czyli o malej transkonduktancji ) tranzystor P2 nie stworzy histerezy a jedynie podniesie statyczne wzmocnienie ukladu do nieskonczonosci.
Wada znacznego poboru mocy przez wejsciowy inverter N1P1 przy napieciach z zakresu liniowego niestety pozostala.
Na drugim rysunku pokazano wyjscie ukladu HC lub HCT. Powierzchnie wyjsciowych tranzystorow sa znacznie wieksze niz powierzchnie pozostalych tranzytorow ukladu poniewaz steruja one linie czyli sciezki na plycie drukowanej PCB. Moze byc uzyta nawet kaskada pary inverterow o kolejno rosnacych powierzchniach tranzystorow.
Parametry wszystkich diod D i tranzystorow Q sa zalezne od temperatury. Generalnie wszystkie parametry D i Q ulegaja znacznemu pogorszeniu przy wzroscie temperatury. Rosna straty dynamiczne w diodach. Szybko wzrasta opornosc Rdson zalaczonego klucza Mosfet. Trwalosc systemu elektronicznego spada o polowe przy wzroscie temperatur o 7-10 C ale dopiero powyzej temeperatury circa 30 C bowiem przy nizszych temeperaturach destruktywna jest wilgoc.
Samo - nagrzewanie sie wzmacniaczy operacyjnych daje wieksze dryfty niz nagrzanie ich przez otoczenie z racji gradientu temperatury w chipie OPA.
Zasilacz ma swoja cene, wage, rozmiar i awaryjnosc. Stad tez od dluzszego czasu zainteresowanie zmniejszeniem poboru mocy przez urzadzenia elektroniczne. Produkowane juz z technologi NMOS procesory i peryferia sa dalej projektowane i produkowane w technologi CMOS. Programowo sa w 100% zgodne z poprzednikami ale pobieraja wielokrotnie mniej mocy ! Niewielka niezgodnosc sprzetowa jest z reguly latwa do modyfikacji.
Sciezki plyty drukowanej oraz przewody niczym anteny zbieraja zaklocenia elektromagnetyczne EMC. Przy malych czestotliwosciach najmniejsze zaklocenia sa na uziemnionej sciezce ale przy duzych czestotliwosciach przy sciezce zakonczonej w przyblizeniu opornoscia falowa co zapobiega powstawaniu fal stojacych.
Procesory i uklady peryferyjne z Busami pracuja jako wejscia, wyjscia i w stanie wysokiej impedancji. Gdy wszystkie uklady dolaczone do Busa sa w stanie HiZ aby na sciezkach Busa nie pojawily sie nadmierne zaklocenia sa one podciagniete do Vcc rezystorami rzedu 4.7 KOhm. Z takimi rezystorami podatnosc na zaklocenia jest jednak duza w porownaniu z rezystorami "falowymi"
W ukladach Open Colector (=OC) realizujacych funkcje Wired OR musi byc stosowany wspolny rezystor podciagajacy wyjscie do poziomu Vcc wyzszego niz logiczny poziom wysoki H.
W rezystorach tych traci sie niebagatelna moc, gdy uklad ma byc szybki.
Rezystor podciagajacy jest uzyty przy dolaczeniu przycisku do portu. Ten rezystor nie moze byc za duzy ze wzgledu na zaklocenia.
W programowalnych sterownikach logicznych sygnaly binarne sa izolowane transoptorami. Kolektor tranzystora transoptora jako OC steruje port ( z histereza lub przez bramke z histereza ) i ma rezystor podciagajacy do Vcc.
Patent. CMOS binary peryferial input.
Niech w (omowionym ) wejsciowym ukladzie CMOS pominiety bedzie inverter P1,N1 i wejsciem od razu bedzie wejscie drugiego invertera P3,N3 z kolektorem P2 a wejscie niech bedzie zabezpieczone diodami ale bez rezystorow.
W ukladzie takim wejscie moze byc sterowane przez przycisk lub sygnal OC z tranzystora NPN ( m.in transoptora ) z duzym rezystorem podciagajacym do Vcc ! Gdy przycisk lub klucz jest zalaczony nisko impedancyjna odpornosc na zaklocenia jest spora. Gdy na wejsciu jest stan wysoki jest ono silnie podciagniete przez zalaczony P2 i odpornosc na zaklocenia jest bardzo dobra w przeciwienstwie do klasycznego rozwiazania. Gdy klucz jest dopiero co otwarty i rezystor podciagajacy jest dosc duzy zaklocenie moze jedynie zmniejszyc lub zwiekszyc szybkosc narastania bowiem spadek ponizej poziomu GND wyklucza wejsciowa dioda ochronna a gdy sygnal wzrosnie powyzej progu przelaczania momentalnie podciagnie go zalaczony wlasnie tranzystor P2.
Uklad jest wiec (a) energooszczedny i (b) ma bardzo duza histereze pradowa i jest bardzo malo podatny na zaklocenia oraz (c) silnie skrocono czas stanu liniowego invertera N3P3 czylipobor mocy. Uklad ma wiec doskonale wlasciwosci do wspolpracy z sygnalami typu OC. Kolektor transoptora moze wprost byc dolaczony do mikrokontrolera a nie przez bramke Schmidta w osobnym ukladzie logicznym. Uproszczenie jest wiec spore.
Jak wczesniej podniesiono w mikrokontrolerach i czesci ukladow peryferyjnych do pinu ukladu mozna konfiguracyjnie przypisac rozne funkcjonalnosci.
Dezaktywacje tej histerezy pradowej na 8 bitowym porcie uzyskamy laczac zrodla wszystkich 8 tranzystorow "P2" w bitach portu i dajac z nimi w szereg tranzystor P do VCC czyli tworzac bramke. Tranzystor ten bedzie sterowany jednym bitem z rejestru konfiguracyjnego.
Mozna tez dodac zalaczana bitem konfiguracyjnym funkcjonalosc pozwalajaca nie stosowac zewnetrznych rezystorow podciagajacych. Bit zalaczalby bramkami tranzystory (zrodla do Vcc) P do VCC a w drenach bylyby podciagajace rezystory do wejsc. Alternatywnie tranzystory P musialy by byc ekstremalnie male dla malego pradu podciagania. Co wiecej bit "podciagania" moze byc "chwilowo" ustawiony a tranzystory wlaczone tylko gdy wejscie chcemy za chwile odczytac. Pobor mocy moze byc wrecz znikomy na tle konwencjonalnego rozwiazania co jest szczegolnie istotne przy zasilaniu bateryjnym gdzie energia jest bardzo droga.
Patent. Multiple analog 0/4-20 mA inputs.
Przetworniki ADC w mikrokontrolerach maja zakres napiecia wejsciowego 0-5V. Blok ADC ma osobne piny do zasilania. Napiecie referencyjne nie moze byc jednak mniejsze od 5V dlatego ze spada wtedy dokladnosc przetwornika ADC. Wejscia mikrokontrolera sa dosc odporne na wplywajacy do nich prad awaryjny i przy srednim pradzie nie dochodzi do zatrzasniecia pasozytniczych tyrystorkow struktury chipa. Niemniej wpuszczanie pradu do wejsc multiplexera przed wlasciwym ADC mikrokontrolera powoduje pojawienie sie bledow.
W ukladzie prady z petli pradowych plyna dokladnymi rezystorami 240 Ohm x 20 mA = 4.8 V co daje pewien margines napiecia ponad prad 20 mA i umozliwia detekcje uszkodzenia petli . Gdy nie jest to potrzebne nalezy dac rezystory 250 Ohm.
Od strony GND sa one polaczone w jeden pseudo gwiazdzisty punkt. Ten punkt jedna solidna sciezka polaczony jest z AGND mikrokontrolera i druga solidna sciezka z zasilaczem dla wszystkich petli pradowych. "Punkt" ten na dwuwarstwowej plycie PCB ma odpowiedni projekt. Dzieki temu nie ma przeciekow informacji miedzy kanalami pomiarowymi.
Rownolegle do wejsciowych rezystorow pomiarowych dano miniaturowe kondensatory 100 nF dla stlumienia zaklocen radiowych. Napiecie z tego rezystora podano przez trzy szeregowo polaczone rezystory (R1 nie zawsze), R2, R3 ( sa to zwykle, tanie miniturowe rezystory a nie drogie i trudno dostepne rezystory precyzyjne ) do wejscia analogowego mikrokontrolera.
Ostra charakterystyke pradowo - napieciowa maja dopiero ochronne diody Zenera o napieciu nominalnym powyzej 6.8 V a diody 6.8V i 7.5V maja jednoczesnie najmniejsza rezystancje dynamiczna. Ostra charakterystyka DZ jest wymagana aby uklad ochrony w ogole nie wplywal uplywem diod DZ na normalny sygnal.
Gdy stosujemy jako DZ diode "mocy" 1.3V lub mocniejsza ( w obudowach takich jak popularne diody 1N400X sa DZ mocy 3W ) rezystor R1 nie jest stosowany, jest zerowy i dioda DZ mocy chroni jednoczesnie dokladny rezystor wejsciowy. Z tansza dioda Zenera mocy 500 mW rezystor wejsciowy winien miec moc 2W aby wytrzymac zwarcie w sensorze lub okablowaniu. Taki rezystor precyzyjny jest drogi i rzadki ! Napiecie z diody DZ za rezytorem R2 jest ograniczone od gory dioda D do poziomu Vcc=5V + Ud czyli do poziomu 5.7V a rezystor R3 wyznacza podzial pradow plynacych przez D i przez diode zabezpieczajaca wejscie w mikrokontrolerze. Odprowadzane do Vcc prady awaryjne nie powinny byc za duze bowiem podniosa napiecie zasilania Vcc urzadznia co w koncu jest niebezpieczne. Sumaryczna wartosc rezystancji (R1) + R2 + R3 nie powinna byc za duza bowiem spadnie dokladnosc pomiaru ADC.
Prosty algorytm ( jednymi z parametrow sa maksymalny prad odprowadzony do Vcc przez D i przez wejscia czyli tez do Vcc ) pozwala wyliczyc optymalne wartosci (R1),R2 i R3.
Pojemnosci diod DZ i D wraz z rezystorami tlumia tez odbierane sygnaly radiowe na zakresach VHF i UHF radiotelefonow co jest kolejna zaleta tego rozwiazania.
Uklad zabezpieczajacy nie wplywa na wielkosc napiecia normalnie podanego do wejsc ADC mikrokontrolera. Uklad nie ma elementow aktywnych. Jest tani i doskonaly. Stosunkowo duzy jest spadek napiecia na wejsciowych rezystorach ale praktycznie calkowicie dopuszczalny.
Sprawa wysokich kosztow dokladnych rezystorow jest czesto niedoceniana. O ile ceny mikroelektroniki szybko spadaja to ceny rezystorow precyzyjnych stoja w miejscu.
Z kilku cennikow rysuje sie taka prawidlowosc. Rezystor 1% jest circa dwa razy drozszy niz rezystor o tolerancji 5% takiej samej mocy. Rezystor 0.1% jest 3 razy drozszy niz rezystor 1%. Rezystor 0.01% jest trzy razy drozszy niz rezystor 0.1%.
Po zdetekowaniu dluzszego przekroczenia zakresu 20 mA z sensora klucz - tranzystor PNP zasilajacy petle napieciem +24V sterowany portem moze danej petli pradowej odlaczyc zasilanie. Nie koniecznie musi to na 100% pomoc bowiem zwarcie w okablowaniu moze byc wielokrotne i miec skomplikowany charakter.
Sprawa ochrony petli pradowych 0/4-20 mA ma rozne aspekty i jest osobnym tematem.
W najnowszym, nowoczesnym regulatorze Sipart DR20 ( szerzej opisany jest osobno ) pracujacym w cyklu regulacji 97.8 ms ( w przyblizeniu 100 ms ) zastosowano mikrokontroler Siemens NMOS 80535 ze zintegrowanym dosc szybkim przetwornikiem SAR (kolejnych aproxymacji) A/D. Siemens licencje nabyl od AMD zas Philips nabyl licencje na lepszy mikrokontroler 80552 od Intela. Oba mikrokontrolery to bazowy mikrokontroler 8051 z mocno rozbudowanymi peryferiami co ogromnie upraszcza wykonanie kompletnego urzadzenia z mikrokontrolerem. Mimo iz mikrokontrolery te sa drogie to sa niewiele drozsze od samego alternatywnego 10 bitowego przetwornika ADC, ktory przeciez zawieraja ! Widac wiec ze maja wielka szanse na szerokie zastosowanie
Dopiero z udzialem prostego programu wyboru segmentow przetwornika A/D mikrokontrolera 80535 ma rozdzielczosc 10 bitow. Regulator ma 3(4) wejscia analogowe do sensorow. W cyklu pomiarowym 20 lub 16.67 ms ( siec 50 / 60 Hz ) usrednianych jest >120 pomiarow co mocno oslabia zaklocenia sieciowe i podnosi efektywna rozdzielczosc przetwarzania A/D do 0.06% czyli prawie 11 bitow. Blad zera, blad pelnej skali i nieliniowosc sa rzekomo mniejsze od 0.2%. Zadanie to konsumuje juz czesc wydajnosci mikrokontrolera.
W systemach kasetowych mozna stosownie do potrzeb uzyc kart wejsc binarnych lub wejsc analogowych. Jedno wejscie analogowe jest 2 do 10 razy drozsze niz binarne ! Na wysoka cene sklada sie znaczna ilosc elementow i koniecznosc uzycia dokladnych rezystorow a czasem i precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych lub bardzo drogich wzmacniaczy instrumentalnych. Sam przetwornik ADC tez jest drogi.
System analogowy z podwojnie calkujacym przetwornikiem A/D typu ICL7109 pracujacym z prymitywnym mikrokomputerem ZX Spectrum dal bardzo dobre rezultaty praktyczne. Zastosowano razem z nim wejsciowy tani multiplexer CD4051 z masowej linii CMOS 4000 i pochodnych . Mikrokontrolery maja coraz bardziej rozbudowane peryferia. Jeden z licznikow z odpowiednia logika moglby (aby ich nie blokowac to jedna w wybieranych konfiguracji pracy "licznika" ) wspolpracowac z zewnetrznym ukladem analogowym CMOS podwojnie calkujacego przetwornika ADC. Zaleta tego rozwiazania jest oszczednosc na angazowanych pinach/portach mikrokontrolera - potrzeba ich zaledwie 3. Dla bardzo duzej rozdzielczosci i dokladnosci przy rozsadnym czasie cyklu przetwarzania niewiele bardziej skomplikowane jest stosowane w przetwornikach Intesil potrojne lub poczworne calkowanie.
A.W standardowym wykonaniu regulator DR20 ma zasilacz 24Vdc ( zacisk L) do zasilania petli pradowych sensorow. Na wejsciach 0(4)-20 mA AE1 /AE2 ( samego kontrolera a nie dodatkowych modulow ) sa rezystory 249 Ohm ( spadek maksymalny napiecia : 249 Ohm x 20 mA = 4.89 V ) polaczone z M czyli GND sygnalowym urzadzenia.
B.W dodatkowo zakupionym (!) i wsunietym module na AE3 lub AE4 na zakres 0(4)-20 mA sygnal plywajacy w stosunku do M jest mierzony na rezystorze 49.9 ohm, z ktorego napiecie podano do wzmacniacza roznicowego o duzym tlumieniu sygnalu wspolnego CMRR czyli drogiego wzmacniacza instrumentalnego. Dopuszczalne napiecie wspolne wynosi do +-10 V co umozliwia umieszczenie w petli pradowej innych odbiorcow sygnalu pradu petli co jest ogromna zaleta tego rozwiazania.
C.Kolejny modul wspolpracuje z sensorem - potencjometrem ( typowo pomiar polozenie aktuatora w regulatorze krokowym w konfiguracji ze sprzezeniem zwrotnym lub sam pomiar polozenia ) o rezystancji 80-1200 Ohm. Na suwak potencjometru podano ze zrodla pradowego prad pomiarowy 5 mA.
D.Kolejny modul wspolpracuje z sensorem RTD PT100 w ukladzie dwu, troj lub czteroprzewodowym. Zakres pomiarowy z tabeli wybiera sie 7 jumperami na module: "the start of scale value R0 and the span dR = Rte - Rta are set " Prad pomiarowy sensora wynika z wybranego zakresu pomiarowego ! Modul ma linearyzacje i pomiar temperatury jest juz liniowy. Oprocz jumperow na module sa dwa potencjometry do dokladnego ustawienia Zera i Skali. Pokazany jako prostokat dziwny opatentowany wzmacniacz o jednym wejsciu odwracajacym i dwoch wejsciach nieodwracajacych angazuje az trzy wzmacniacze operacyjne ! Zaskakujaco wysoka jest cena modulow do sensorow PT100 i termopar.
Oczywiscie rozwiazania zastosowane w interfejsach analogowych w regulatorze DR20 sa typowe dla Siemensa ( jak w Teleperm M ) i stosowane tez w innych jego nowoczesnych systemach. Taka sama praktyke stosuja tez inne koncerny. Nikt nie wywaza otwartych juz dzwi. Rozwiazania zmieniaja sie tylko przy duzych i nieczestych zmianach technologicznych.
Analogowe wyjscie jest w standardzie 0/4-20 mA. Jest to odfiltrowany dolnoprzepustowo sygnal PWM z mikrokontrolera o czestotliwosci modulacji 900 Hz. Stala czasowa filtru wynosi 300 ms a pulsacje nie przekraczaja 0.2% zakresu sygnalu. Wyjscie jest rowniez skutecznie zabezpieczone przed przepieciami.
Przy obciazeniu 220 Vac / 150 VA "sevice life" mechaniczny stykow dwoch wyjsciowych przekaznikow wynosi 10e7 a elektryczny tylko 10e6 przelaczen. Styki chroniowe sa warystorami o napieciu nominalnym 420 Vac i dwojnikiem RC z rezytorem 220 Ohm i kondensatorem 33 nF. Z uwagi na duze napiecie przy operowaniu typowym asynchronicznym silnikiem dwufazowym kondensatory sa fizycznie duze.
Chociaz Siemens od dawna do operowania silnikami serwomechnizmow do regulatorow krokowych stosuje tyrystory ( nie wygodniejsze triaki ! ) a w sterowanikach PLC triaki to w super nowoczesnym produkcie dal jednak nowoczesne przekazniki o ograniczonej trwalosci jako ze triaki nie osiagnely jeszcze wystarczajacej zakloceniowej odpornosci stromosciowej du/dt a zarazem mala jest ich dopuszczalna stromosc narastania pradu di/dt i ulegaja one przy zakloceniowym zalaczeniu zniszczeniu energia z kondensatora silnika dwufazowego. Motorola produkuje ( a za nia inni producenci ) optotriaczki w obudowie DIL6 dedykowane do sterowania bramka wykonawczych triakow. Ich parametry sa stale poprawiane a cena ich spada. W przyszlosci wiec stosowane beda nowoczesne triaki sterowane optotriaczkiem ale ich parametry musza ulec mocnej poprawie.
W kasetowych systemach regulacji i sterowania "Teleperm M" rozbudowywanych od 1980 roku z uwagi na wymagana wysoka wydajnosc stosowane sa (licencyjne ) mikroprocesory Intela a nie mikrokontrolery. Na analogowych modulach wejsciowych uzywane sa rozwiazania bardzo podobne jak tu omawiane co ilustruje zasade ewolucyjnego rozwoju nauki i techniki.
Najbardziej irytujace sa w kazdym systemie rozne wyniki pomiaru tej samej wielkosci fizycznej. Deklaracje producentow sensorow i systemow maja sie nijak do pokazywanej nawet roznicy 2-3C tej samej spokojnej temperatury otoczenia mierzonej dwoma identycznymi sensorami PT100 dolaczonymi do jednego urzadzenia.
Opisany interface do petli 0/4-20 mA nie wprowadza praktycznie zadnych roznic miedzy kanalami co jest kolejna jego zaleta !
Komputery moga byc stosowane do zadan o roznym poziomie ambicji i trudnosci. Mozna na nich grac lub napisac tekst. Na to obecnie nas w zbankrutowanej Polsce nie stac. Mozna ich uzyc w ksiegowosci czy do prowadzenia magazynu. O ile ksiegowych nam nie brakuje to dolarow na dokonczenie porzuconych inwestycji bardzo nam brakuje. W USA opisano juz zjawisko komplikowania ustaw i rozporzedzen gospodarczych bowiem sa juz masowo w firmach stosowane komputery. Glownym zastosowaniem drogiej drukarki laserowej jest masowa, seryjna korespondencja. Uczac sie na cudzych bledach powinnismy unikac zastosowania komputerow w ksiegowosci bowiem komplikowanie prawa realnie szkodzi firmom ! Powinno byc ono jak najprostsze i latwe do stosowania aby ksiegowa z kalkulatorem bez problemu dala sobie rade w sredniej wielkosci firmie wypelniajac formularze.
Gdy komputery PC i inne sa realnie dla nas drogie powinny byc stosowane przede wszystkim w "obszarach trudnych" do zarabiania pieniedzy – kontrolowanie instalacji przemyslowych, linii produkcyjnych, CNC, roboty ale takze optymalizowanie zsynchronizowanych systemow drogowej sygnalizacji swietlnej, automatyczne systemy nadzoru i bezpieczenstwa, centrale telefoniczne itp. Trzeba zarabiac pieniadze aby bylo co dzielic !
Tymczasem wobec niemoznosci opracowania ( nasza "nauka" z mchu i paproci ) krajowej lini do automatycznego Ciaglego Odlewania Stali COS wysuwane sa zadania aby budzet za dolary kupil hutnikom taka linie aby byli "nowoczesni". Wobec trwajacego embarga trzeba by ja "przemycic" i ze 2-3 razy przeplacic co polozy od razu rentownosc takiej huty z ta linia COS na zawsze.
Miniona "Propaganda sukcesu" zachwycala sie "komputeryzacja" zupelnie milczac o tym ze nie bylo z niej faktycznie literalnie zadnego pozytku a tylko szkody.
Najgorsze jest to ze po komputeryzacji wzrasta zatrudnienie do wykonania tych samych zadan ! W sumie wszyscy na tym sporo tracimy.
Od zakonczenia ery fordyzmu swiatowy rynek coraz slabiej placi za prosta produkcje i prace fizyczna. Polska jest czastka swiata i zadne protesty nic tu nie pomoga. Nie przyjmujac wiesci ze swiata do wiadomosci tylko sobie szkodzimy.
Proste jest napisanie programu komputerowego do ksiegowosci a bardzo trudne do wymienionych wyzej zastosowan gdzie zarabia sie prawdziwe pieniadze.
Od tego gdzie jestesmy w swiatowym podziale pracy zaleza nasze realne wynagrodzenia. Gdy bedziemy robic rzeczy proste to bedziemy nadal nedznie zarabiac.
Czasy gdy robotnicy zarabiali rekami juz minely. Teraz zarabia sie glowa ! Potrzbni sa naukowcy ale nie z "polskiej nauki z mchu i paproci". Trzeba dobrze placic inzynierom i od nich wymagac pracy.
Hardware kontrolerów to jest w Polsce wiedza tajemna. Tu się nic nie projektuje i nie produkuje. Ale temat jest bardzo interesujący.
OdpowiedzUsuńWitam. To był wiedza tajemna a teraz jest jeszcze bardziej tajemna.
Usuń