CC BY
32
УДК 621.37+681.51
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ ШИРОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ ИМПУЛЬСОВ ПО НЕСОГЛАСОВАННОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ Иванов Юрий Борисович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Казачкин Антон Владимирович, сотрудник (e-mail: [email protected]) Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
г. Орёл, Россия
В статье раскрываются особенности процесса передачи импульсных сигналов по длинной несогласованной линии связи, а также оцениваются предельная частота и скорость передачи широтно-модулированных импульсов на микромощные датчики контроля.
Ключевые слова: широтно-импульсная модуляция, длинная линия связи, микромощные датчики, модель искусственной линии связи
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) нашла широкое применение не только при реализации отдельных электронных устройств (импульсных источников питания, стабилизаторов, преобразователей напряжения, усилителей звуковой частоты и др.), но и активно используется при построении систем управления. Широтно-модулированными импульсами осуществляется обмен информацией по проводным линиям связи при мониторинге воздушной среды, контроле параметров микроклимата в теплицах, а также в системах охранной и пожарной сигнализации [1].
Применение микромощных интеллектуальных датчиков с током питания менее 100 мкА позволяет значительно увеличить длину линий связи. Сопротивление микромощных датчиков по цепям питания значительно превышает сопротивление проводов линии связи. Это позволяет передавать информационные сигналы на такие датчики без применения дополнительных усилителей и упрощает согласование уровней аналоговых и цифровых сигналов [2].
Обмен информацией широтно-модулированными импульсами можно осуществить следующим простым способом. Для передачи бита «Лог. 1» формируются импульсы с длительностью 75 % от периода тактовой частоты, а передача бита «Лог. 0» выполняется импульсами короткой длительности, составляющей до 25 % от периода тактовой частоты.
При обмене ШИМ сигналами с микромощными датчиками в первом байте блок обработки данных формирует последовательный код с номером опрашиваемого датчика, а во втором байте от блока обработки данных подаются ШИМ импульсы только максимальной длительности. При формировании ответного кода опрашиваемый датчик замыкает линию связи с задержкой на 25 % длительности от начала импульса для бита «Лог. 0», а для
бита «Лог. 1» линия связи не замыкается, поэтому длительность импульса не изменяется [3].
Применение микромощных датчиков эквивалентно подключению к длинной линии связи высокоомной нагрузки, что приводит к отражению от нее ШИМ сигнала [4]. Теоретически для устранения эффекта отражения принято устанавливать сопротивление нагрузки или выходное сопротивление блока обработки данных равным волновому сопротивлению длинной линии связи. Однако при этом в два раза уменьшается амплитуда импульсов на датчиках по сравнению с выходными импульсами блока обработки данных, а также резко возрастает ток в линии связи при ее коммутации ключами датчиков.
Учитывая сложность теоретического анализа процессов передачи импульсных сигналов по несогласованной линии связи для оценки предельной частоты и скорости передачи импульсов на микромощные датчики целесообразно использовать программу схемотехнического моделирования Ми/^шт-12. В качестве исходных данных можно использовать типовые значения удельных параметров ЛУд, ЬУд, СУд кабелей связи, по которым
легко определить волновое сопротивление р = л/^УД /СУД линии связи и время задержки импульсов в зависимости от длины /ЛС линии связи ^Зд =
уд/ с уд
/
ЛС
В модели линии связи длиной /ЛС = 2 км применена искусственная линия на основе 20 одинаковых ЛЬС-звеньев с типовыми параметрами: АЬ = 30 мкГн, АЛ = 30 Ом, АС = 5 нФ, обеспечивающими волновое сопротивление р = л/^/АС - 245 Ом (рис. 1). При таких параметрах время задержки импульсов в каждом звене теоретически составляет тЗд = 'АС - 1,22 мкс, а суммарное время их задержки на линии связи длиной /ЛС = 2 км должно быть не менее ^Зд = 20тЗд - 24,5 мкс.
Рисунок 1 - Схема модели искусственной длинной линии связи
В схеме модели (рис. 1) в качестве источника ШИМ сигнала применен генератор импульсов тока 01 с амплитудой 1ВХ = 50 мА и относительной длительностью 50 % от периода колебаний. Для устранения эффекта отражения применен резистор с сопротивлением, примерно равным половине волнового сопротивления линии связи (ЯВЫХ ~ 0,5р = 120 Ом). Токовый переключатель на диодах ¥01, ¥02 служит для ограничения амплитуды входных импульсов на уровне иВХ ~ 5 В. Ключи на транзисторах ¥Т1 и ¥Т2, управляемые выходными импульсами генераторов 01 и 02, служат для замыкания добавочного резистора Яд >> ЯВЫХ в начале и по окончанию импульса входного тока.
Согласно временным диаграммам работы модели (рис. 2) амплитуда импульсов напряжения в середине линии связи и на нагрузке не превышает входного напряжения, т. е. эффект отражения сигнала от несогласованной нагрузки линии связи отсутствует. При этом время задержки сигнала на нагрузке составляет ^д ~ 32,9 мкс, т. е. примерно в 1,5 раза превышает теоретическое значение.
Х7......^7..
Рисунок 2 - Осциллограммы работы модели длинной линии связи
В схеме модели длительность фронтов импульсов на нагрузке теоретически зависит от постоянной времени заряда суммарной емкости линии связи через выходное сопротивление источника сигнала и активное сопротивление проводов, составляющей
ТЗАР « Слс(Явых + 0,5Ялс) « 100 10-9 (120 + 300) = 42 мкс, и практически ограничивает скорость передачи информации ШИМ сигналом. В системах контроля время заряда емкости линии связи и накопительных конденсаторов в цепях питания датчиков не должно превышать 25 % периода тактовой частоты передачи ШИМ сигнала. Поэтому при оценке предельной частоты и максимальной скорости передачи ШИМ сигнала кроме емкости линии связи СЛС необходимо учитывать общую емкость конденсаторов СН всех датчиков.
Для оценки влияния емкости СН датчиков на частоту передачи и длительность фронтов импульсов в схеме модели изменялись значения емкостей в середине и на конце линии связи при разных амплитудах импульсов входного тока.
В результате моделирования установлено, что увеличение емкости конденсаторов в датчиках, суммарная емкость которых значительно превышает распределенную емкость линии связи СН >> СЛС, приводит к возрастанию времени задержки ^д импульсов (рис. 3).
0л 0,2
0,5 КО 2,0 5Д)
Слс + Сн, мкФ
Рисунок 3 - Зависимость времени задержки импульсов от общей емкости линии связи
Практически это приводит к уменьшению максимальной скорости передачи широтно-модулированных импульсов на микромощные датчики по линии связи и снижению частоты опроса датчиков в распределенных системах контроля [5].
При исследовании схемы модели также установлено, что увеличение амплитуды импульсов входного тока /ВХ позволяет примерно на 10 % уменьшить задержку импульсов на нагрузке и несколько увеличить крутизну фронтов импульсов при различных значениях емкости нагрузки. Однако при этом повышается мощность источника ШИМ сигнала, поэтому практическое использование такого решения является нецелесообразным.
При оценке времени задержки импульсов следует учитывать постоянную времени заряда общей емкости линии связи, которая с учетом конденсаторов, применяемых в цепях питания датчиков, определяется выражением
ТЗАР - (Слс + Сн)(Лвых + 0,5Ллс).
При этом для заряда конденсаторов в блоках питания датчиков до напряжения иН > 0,95 ипИТ необходимо ограничивать максимальную частоту передачи широтно-модулированных импульсов на уровне [6]
_/шим < 1 / 4*ЗАР = 1 / 12^ЗАР.
Применение в цепях питания микромощных датчиков накопительных конденсаторов большой емкости СН >> СЛС приводит к снижению частоты
и скорости передачи ШИМ сигналов в системах распределенного контроля при разной длине линии связи.
Для повышения скорости обмена информацией по несогласованной линии связи необходимо, прежде всего, уменьшать токи питания /ПИТ датчиков. Понижение тока позволяет применять в цепях питания датчиков конденсаторы малой емкости, которая при допустимой пульсации питающего напряжения ДЦжг = const определяется выражением
СН > 0,75-/пит / (Д^пит ■ ,/шим).
Например, при допустимой пульсации напряжения не более 1 % от напряжения питания ипит = 5 В в датчике с током потребления /ПИТ = 100 мкА и частотой ШИМ сигнала /ШИМ = 1 кГц необходимо применять конденсатор Сн > 0,75 100 10-6 / 50 103 > 1,5 нФ. Если ток потребления датчика уменьшить в 10 раз, то при аналогичной пульсации питающего напряжения ДЦПИТ < 50 мВ можно на порядок понизить значение накопительной емкости до уровня СН > 150 пФ и, соответственно, повысить частоту передачи ШИМ сигнала.
Таким образом, передачу информации ШИМ сигналом по линии связи без отражения импульсов от несогласованной нагрузки можно обеспечить при выполнении следующих условий [6]:
1) выходное сопротивление источника сигнала должно быть равно примерно половине волнового сопротивления линии связи;
2) в начале каждого импульса необходимо выполнять быстрый заряд распределенной емкости линии связи;
3) амплитуду импульсов в линии связи необходимо стабилизировать на уровне напряжения питания блока обработки данных;
4) для ограничения тока в линии связи необходимо увеличивать выходное сопротивление формирователя ШИМ сигнала.
Выполнение данных условий позволяет обеспечить автоматическое согласование ШИМ сигналов, формируемых в блоке обработки данных системы контроля, с напряжением питания микромощных датчиков.
Список литературы
1. Зайцев О. Модули технологических датчиков для распределенных систем сбора информации / О. Зайцев, Ю. Троицкий // Компоненты и технологии. - 2007. - № 1. - С. 47-52.
2. Колдунов А. Для портативной техники: микромощные схемы обработки аналоговых сигналов / А. Колдунов // Новости электроники. - 2014. - № 7. - С. 10-16.
3. Пат. 2561454 Российская Федерация, МПК7 H04B 3/54. Способ сопряжения устройств распределенного контроля по совмещенной двухпроводной линии связи и питания / Ю. Б. Иванов : заявитель и патентообладатель Академия ФСО России. - № 201434556/24 ; заявл. 26.04.14 ; опубл. 31.07.2015. Бюл. № 21. - 6 с.
4. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами / С. И. Баскаков. - Москва : Высшая школа, 2000. - 156 с.
5. Иванов Ю. Б. Система распределенного контроля по двухпроводной линии связи и питания / Ю. Б. Иванов, А. В. Казачкин // Современные материалы, техника и технологии. - 2015. - № 3. - С. 113-118.
6. Пат. 2534026 Российская Федерация, МПК7 H04B 3/54. Способ сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи / Ю. Б. Иванов : заявитель и патентообладатель Академия ФСО России. - № 201313784/08 ; заявл. 26.04.14 ; опубл. 26.09.2014. Бюл. № 27. - 5 с.
Ivanov Yuri Borisovich, PhD, Tech., Associate Professor
(e-mail: [email protected])
Federal Guard Service Academy of the Russian Federation, Oryol
Kazachkin Anton Vladimirovich, Employee
(e-mail: [email protected])
Federal Guard Service Academy of the Russian Federation, Oryol TRANSMISSION FEATURES OF PULSE WIDTH MODULATION SIGNALS IN THE UNCOORDINATED COMMUNICATION LINE
This article describes the features pulse signals transmission over a long uncoordinated communication line and estimated the limiting frequency and the transmission rate of pulse-width modulated to micropower sensors.
Keywords: pulse-width modulation, long communication line, micropower sensors, model of an artificial communication line
МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ НАВЫКОВОЙ САПР МАРШРУТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕХАНООБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН Комарова Карина Валерьевна, магистрант (е-mail:[email protected] ) Шацких Игорь Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Липецкий государственный технический университет, Россия
В данной статье рассматривается алгоритм методики обучения навы-ковой системы автоматизированного проектирования (САПР) маршрутных технологий механообработки деталей машин; раскрывается содержание основных этапов методики обучения (построения) системы.
Ключевые слова: САПР, навыковая, методика обучения, маршрут механообработки.
Технологическая подготовка современного производства (ТПП) базируется на применении систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП), систем поддержки принятия решений (СППР), автоматизированных систем принятия решений (АСПР). САПРТП, СППР, АСПР призваны решать не только рутинные, но и труд-ноформализуемые задачи: выбор технологического оснащения, выбор технологии и т.д. Современным направлением автоматизированного решения трудноформализуемых технологических задач является применение обучаемых навыковых систем, на основе которых строятся и могут быть построены САПР, СППР, АСПР [1,2,3,4 ].
