CC BY
135
УДК 538.971
Якушов Д.В., Аверин И.А.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ПЕРЕДАЧА ЦИФРОВОГО СИГНАЛА ЧЕРЕЗ РАЗВЯЗЫВАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР
Проведен краткий обзор по методам передачи цифрового кода через изолирующий барьер. Разработана методика передачи цифрового сигнала по интерфейсу SPI через развязывающий трансформатор. Разработана схема электрическая принципиальная аппаратной части устройства. Проведено моделирование схемы электрической принципиальной в системе Multisim 14 Blue. Осуществлен анализ полученных в программе моделирования осциллограмм. Ключевые слова:
ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА, ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА, ЦИФРОВОЙ КОД, ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ТРАНСФОРМАТОР, ИНТЕРФЕЙС
В настоящее время цифровая техника интенсивно применяется в электронике. Это обусловлено большим количеством преимуществ перед аналоговым способом передачи данных. Так, аналоговый сигнал подвержен влиянию помех, которые впоследствии достаточно сложно отфильтровать. Более того, фильтрация такого сигнала требует наличия сложных аппаратных ресурсов, в случае с цифровым кодом все необходимые операции можно реализовать посредством программных средств. Цифровой сигнал содержит всего лишь два устойчивых состояния, из-за чего его можно передать на большие расстояния [1].
Безусловно, цифровые технологии не обошли стороной и измерительную технику. Зачастую измеренную аналоговую величину требуется передать на определенное расстояние, однако это приводит к увеличению погрешности измерений и чем больше расстояние, тем выше погрешность. Все эти проблемы можно устранить, передавая информацию в цифровом виде.
При всех приведенных выше достоинствах цифрового метода передачи данных, также существуют недостатки. При измерениях в высоковольтных цепях, во избежание выхода из строя измерительной техники, требуется гальваническая развязка силовых и сигнальных цепей. Наиболее распространенный цифровой интерфейс БР1 содержит в себе минимум два канала - канал данных и канал синхронизации. Канал синхронизации необходим для обеспечения выполнения всех операций обработки цифровых данных синхронно и последовательно [24
Два канала передачи информации требуют соответственно и два развязывающих элемента. Если в измеряемой цепи амплитудное напряжение не превышает 5 кВ, то трудностей не возникает. В настоящее время выпускается большое количество электронных компонентов, развязывающих дискретные сигналы [5-7]. Силовая электроника не ограничивается напряжением 5 кВ, зачастую мощные потребители электроэнергии требуют более высокого напряжения. Поскольку готовые решения развязывающих элементов ограничены напряжением 5 кВ действующего значения, то наиболее подходящим решением является использование трансформатора. Однако при передаче цифрового кода возникает необходимость в двух трансформаторах, это заметно увеличивает стоимость измерительной системы. Более того, высоковольтные разделяющие трансформаторы обладают большими размерами. Отсюда вытекает необходимость передавать один сигнал, содержащий в себе данные и синхроимпульсы. Безусловно, передачу данных можно осуществлять Манчестерским кодом, однако это потребует программного обеспечения для его расшифровки, из-за чего применение стандартных ЦАП без микроконтроллеров будет невозможным. Предлагается альтернативный вариант передачи цифровых данных через один трансформатор.
На рисунке 1 представлена схема электрическая принципиальная узла, предназначенного для передачи цифровых данных через развязывающий трансформатор.
Рисунок 1 - Схема узла передачи цифровых данных через трансформатор
Структурно узел содержит в себе элементы: инверторы (Ш1.1, Ш1.2, Ш2.3, Ш2.4), одновиб-ратор (Ш1.3, Ш1.6), КБ - триггер (Ш2.1, ПЛ2.2). Логические элементы ДЛ1.4, ПЛ1.5 предназначены для непосредственного формирования сигнала на трансформаторе.
Импульсы синхронизации, формируемые ЦАП обладают скважностью 50%, а это означает, что в таком сигнале содержится постоянная составляющая, которую требуется устранить. Применение разделительных конденсаторов в данной схеме недопустимо, поскольку произойдет смещение импульсного сигнала вниз (прямоугольный сигнал), что
повлечет за собой потерю входных логических уровней микросхем. Эту проблему можно решить, уменьшив скважность синхронизирующего импульсного сигнала в десятки раз, для чего введен укорачивающий одновибратор. Фактически, через трансформатор передаются лишь передние фронты импульсов сигнала синхронизации. Таким образом, обеспечивается корректность посылаемой информации без потери устойчивых логических уровней. Поскольку ПЛ1.5 представляет собой логический элемент ИЛИ-НЕ, то для того, чтобы нивелировать его инверсию, после одновибратора установлен инвертор ДЛ1.2.
Логические элементы ДЛ1.4, ВА1.5 формируют сигнал, передаваемый через развязывающий элемент, причем, когда на входе ИСБТ логическая единица, то через трансформатор передаются стро-бирующие фронты отрицательной полярности, а при логическом нуле - положительной. Сигнал такого вида получается следующим образом: при подаче на вход данных логического нуля, этот логический ноль поступает на один из входов элемента ДА1.4, на другой его вход подаются синхроимпульсы с инверсией. У синхросигнала с инверсией ширина импульса составляет почти 100%. Таким образом, на выходе элемента ПА1.4 будут присутствовать стро-бирующие фронты, поскольку происходит инверсия сигнала. Синхросигнал подается на верхний конец обмотки трансформатора. После инвертора ПА1.1 логический ноль обращается в единицу и подается на один из входов ПА1.5. Из-за наличия инверсии в элементе ПА1.5, на выходе будет нулевое напряжение. Точно такая же ситуация происходит и в случае подачи на вход данных логической единицы, однако в этом случае на выходе логического элемента ПА1.5 будут присутствовать фронты, а на элементе ПА1.4 будет логический ноль. Таким образом, на нижний конец обмотки подается синхросигнал, а к верхнему концу приложено нулевое напряжение. Фактически, это означает, что с изменением состояния на входе данных схемы, изменяется фаза включения развязывающего трансформатора и сигнал, поданный на него, содержит в себе канал данных и синхроимпульсы.
После прохождения сигнала через трансформатор, это напряжение поступает на выходную часть схемы, где происходит обратное восстановление канала данных и канала синхронизации, входящих в состав интерфейса SPI. Вторичные обмотки развязывающего трансформатора нагружены резисторами R2 и R3, что уменьшает выбросы на трансформаторе. Затем установлены выпрямительные диоды, обеспечивающие прохождение сигнала определенной полярности, резисторы R4 и R5 ограничивают входной ток установленной в схеме логики. На компонентах DA2.1 и DA2.2 собран асинхронный RS-триг-гер. Сопротивления R6 и R7 необходимы для задания нулевого потенциала (подтягивающие резисторы). На триггере происходит восстановление сигнала данных. Когда поступает стробирующий импульс на вход RESET, то на неинверсном выходе состояние равно логическому нулю. Логический ноль поддерживается до тех пор, пока не поступит строб на вход .SET RS-триггера. После перехода триггера в состояние логической единицы, оно поддерживается до тех пор, пока не придет синхроимпульс на вход RESET и так далее. Таким образом, сигнал на выходе триггера соответствует сигналу, приходящему по каналу данных MOSI по входной части устройства.
Работа схемы промоделирована в системе Mul-tisim 14 Blue. Сигналы данных MOSI на входе схемы и на ее выходе представлены на рисунке 2. Стро-бирующие импульсы SCK на входе схемы и после восстановления продемонстрированы на рисунке 3.
240ц 360ц
Время, с
Рисунок 2 — Входной (а) и восстановленный (б) сигналы данных
40ц 60ц
Веремя, С
Рисунок 3 — Входной (а) и восстановленный (б) синхросигнал
Как видно из рисунков 9 и 10 и канал данных MOSI и канал синхронизации SCK полностью идентичны входным сигналам. Синхроимпульсы не восстановлены до скважности 50%, но этого и не требуется, поскольку для синхронизации достаточно
фронтов. Если возникает необходимость в обнулении счетчика ведомого устройства сигналом SS, то схему можно дополнить одновибратором, выдающим один импульс и запускающийся синхросигналом.
ЛИТЕРАТУРА
1 Пономарев А. Приемопередатчик интерфейса 4-20 мА // Программные системы: теория и приложения, 2015. - № 76. - С. 441-453.
2 Anant S., Kannan S. Hight-voltage reinforced isolation: definitions and test methodologies // Texas Instruments, 2017.
3. Кочегаров, И.И., Трусов В.А. Развитие систем изучения микроконтроллеров и ПЛИС // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. - Т. 2.- С. 166-167.
4. Гришко А.К., Зорькин А.С., Баннов В.Я., Трусов В.А. Структурные компоненты геоинформационных систем и их основные области применения // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. -Т. I. - С. 287-288.
5 Кондрашова К. Решения для гальванической развязки компании .Silicon labs // Компоненты и технологии, 2016. - № 3.
6 Raymond H. Формирование дифференциального сигнала с помощью трансформатора и сплиттера // Радиолоцман, 2017, № 76.
7 Кондрашова К. Цифровые изоляторы Silicon labs // Компоненты и технологии, 2015. - № 10.
УДК 538.971
Якушова1 Н.Д. , Пронин1 И.А., Сычев2 М.М., Мараева3 Е.В., Мошников3 В.А., Карманов1 А.А., Аверин1 И.А., Зарывахина1С.А.
1ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
2ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», Санкт-Петербург, Россия
3ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», Санкт-Петербург, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДА ЦИНКА
Рассмотрено влияние высокоэнергетического размола порошка оксида цинка на распределение центров адсорбции на его поверхности, которое определялось индикаторным методом. Показано, что механическое воздействие влияет на кислотно-основной спектр поверхности порошка оксида цинка: размол в течение часа приводит к общему уменьшению кислотности поверхности, с увеличением времени механообработки усиливаются основные свойства, причем при времени размола пять часов происходит двукратное уменьшение количества активных центров поверхности Ключевые слова:
ОКСИД ЦИНКА, КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ ИНДИКАТОРЫ, ИНДИКАТОРНЫЙ МЕТОД, ФУНКЦИИ КИСЛОТНОСТИ ГАММЕТА
Введение
Поверхность твердых тел химически и энергетически неоднородна, характеризуется наличием различных дефектов, дислокации и изломов. Расположение атомов на поверхности твердых тел отличается от объемного, причем на состояние поверхности повлиять гораздо проще, чем на объем материала. Поэтому на этапе изготовления можно сформировать и изменять структуру поверхности, воздействуя на нее различными внешними факторами: механическими, химическими, радиационными и температурными.
Свойства активных центров поверхности твердых тел также чувствительны к внешним воздействиям. Активные центры образуют собой спектр, модификации которого обеспечивает изменение химических свойств поверхности [1,2].
Основная часть
Для исследования влияния механических воздействий на поверхность оксидов металлов, использовался индикаторный метод, посредством которого можно определить кислотно-основное состояние поверхности, а именно, получить значение интегральной кислотности и спектр распределения центров адсорбции.
В качестве исследуемого образца использовался коммерческий порошок оксида цинка. С помощью лабораторного аттритора получены образцы оксида цинка с различным размером частиц. Оксид цинка перемалывался в среде изопропилового спирта при постоянной скорости в 400 об/мин., в течение пяти часов. Для исследования выбраны четыре вида образцов: исходный образец без размола, через один, три и пять часов размола. В течение суток образцы сушились при температуре 70 °С, при этом перетирались в агатовой ступке для предотвращения агломераций [3].
Для определения расположения донорно-акцеп-торных центров на поверхности полученных образцов, использовался набор кислотно-основных индикаторов с различными значениями рКа и А (длина волны соответствующая максимуму поглощения), представленными в таблице 1.
С помощью спектрометра на длине волны А определили оптическую плотность растворов каждого из индикаторов - По. Затем получали суспензии диспергированных образцов в данных растворах и измерили их оптическую плотность (Пг) после декан-
тации. Оптическую плотность П2измерили для растворов, которые получили путем приготовления суспензии из образцов и дистиллированной воды, затем декантированных, и только на этом этапе смешанных с растворами индикаторов.
Для определения содержания активных центров использовали формулу:
Таблица 1 Кислотно-основные индикаторы
Индикатор pKa А, нм
Этиленгликоль 14.2 340
Индигокармин 12.8 610
Нильский голубой А 10.5 640
Тимоловый синий 8.8 430
Бромтимоловый синий 7.3 430
Бромкрезоловый пурпурный 6.4 540
Метиловый красный 5.0 430
Бромфеноловый синий 4.1 590
Метиловый оранжевый 3.5 460
Метанитроанилин 2.5 340
Фуксин (основание) 2.1 540
Бриллиантовый зеленый 1.3 610
Кристаллический фиолетовый 0.8 580
О-нитроаналин -0.3 410
4-хлор-2-нитроанилин -0.9 330
Динитроанилин -4.4 340
Q( рКа) = -
D
Do - aL Do -D
m
m
где знаки «-» и «+» - это однонаправленное и разнонаправленное изменение оптической плотности Пг и П2 относительно По , тг и Ш2 - массы отобранных проб (при получении значений Пг и П2), У±Пс1 и о±пГ2 объем и концентрация индикаторов. Рассчитав значение удельной площади поверхности образцов оксидов цинка (Бзр), мы построили график спектра распределения центров адсорбции, который представлен на рисунке 1. Цветовые обозначения столбцов соответствуют различным временам диспергирования образца оксида.
Значения функции кислотности поверхности порошков оксида цинка рассчитали по формуле:
Е рКа ■ в(рКа)
' Е в( РКа) '
Все полученные значения кислотно-основных параметров занесены в таблицу 2.
