6 Выпрямители среднего значения

Выпрямители среднего значения дают на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного напряжения. Работа подобных выпрямителей, как правило, основывается на том, что при одной полярности входное напряжение с некоторым масштабным коэффициентом подается на выход, а при другом – выходное напряжение поддерживается равным нулю (однополупериодный выпрямитель) или инвертированному входному напряжению (двухполупериодный выпрмитель). В последнем случае, если обеспечено равенство масштабных напряжений для прямого и инвертированного входных сигналов, то устройство может применяться в качестве формирователя моделя входного сигнала: выходное напряжение оказывается пропорциональным абсолютному значению входного. Использование ОУ в точных выпрямителях преследует цель уменьшить погрешности преобразования, обусловленные неидеальными вольт-амперными характеристиками диодов.

Рисунок 18 - Схема активного выпрямителя среднего значения напряжения.

На рисунке 18 показана схема простого выпрямителя среднего значения напряжения. Выпрямитель построен на основе инвертирующего усилителя, ОУ1 содержащнго диоды в цепи обратной связи. При положительной полярности входного сигнала открыт диод VD1 и обратная связь замыкается через резистор R2. При отрицательной полярности U_вх ток обратной связи течет через диод VD2 и резистор R3. Таким образом, при синусоидальном входном сигнале на зажимах U_вых1 будут присутствовать положительные полуволны напряжения, а на зажимах U_вых2 – отрицательные, соответствующие однополупериодному выпрямлению входного сигнала. Поскольку открытый диод входит в прямую цепь замкнутого контура, то падение напряжения на нем практически не сказывается на выходном напряжении. Поэтому при U_вх>0 получаем U_вых=0, U_вых2=- U_вхR2/R1, а при U_вх<0 и R4=∞ соответственно U_вых1= U_вхR3/R1 и U_вых2=0.

При присоединении нагрузки к выводам U_вых1 и U_вых2 нужно учитывать непостоянство выходного сопротивления выпрямителя. Когда открыт диод, присоединенный к данному выходному зажиму, то выходное сопротивление устройства близко к нулю. Когда же диод закрыт, то выходное сопротивление становится равным R2 для U_вых2 и R3 для U_вых1 если к такому выходу присоединить усредняющий фильтр, имеющий заметную реактивную составляющую входного сопротивления, то непостоянство выходного сопротивления выпрямителя приведет к изменению среднего значения его выходного напряжения.

Дополнение выпрямителя операционным усилителем ОУ2, как показано на рисунке 18 дает возможность получить двухполупериодное выпрямление и постоянное, близкое к нулю выходное сопротивление. Если открыт диод VD1 (U_вх>0), то справедливо равенство .

Если же открыт диод VD2 (U_вх<0), то . Принимая R2= R3= R4= R5= R, получим

.

7 Выбор интерфейсов управления и обмена данными

Выбор интерфейсов зачастую оказывается для разработчиков проблемой на фоне удавшейся реализации сложных алгоритмов или в построенном высокопроизводительном вычислительном устройстве. На этапе эксплуатации интерфейсы являются источником головной боли из-за нарушений правильного функционирования устройств.

Все интерфейсы можно разбить на две большие группы - последовательные и параллельные. В первую очередь были разработаны более простые последовательные интерфейсы, затем появились и параллельные интерфейсы для работы с внешними устройствами на высоких скоростях обмена. Однако совершенствование последовательных интерфейсов привело к тому, что они по целому ряду функциональных параметров превзошли параллельные, и в настоящее время для большинства внешних подключений применяются в основном именно последовательные интерфейсы.

Интерфейс RS-232C [8-12] был принят в 1969 г. и до сих пор активно используется для синхронной и асинхронной связи, при двухточечном и многоточечном соединении, в полудуплексном и дуплексном режимах обмена. При передаче используются разнополярные уровни сигналов 12 В. Скорость передачи данных составляет до 19,2 кбит/с на расстояние до 15 м.

В результате дальнейшего развития RS-232 для высокоскоростной передачи данных (до 10 Мбит/с) на более далекие расстояния (до 1200 м) появились разработанный в 1975 году интерфейс RS-423 для несимметричных цепей, а также RS-422 (позже RS-485) для симметричных цепей.

Несимметричные цепи RS-423, так же как и RS-232, имеют низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника 423 дает несколько лучший результат. Существенными преимуществами в этом плане обладают двухточечный интерфейс RS-422 и его магистральный аналог RS-485, получившие более широкое распространение. Большинство электрических характеристик стандартов RS-485 и RS-422 одинаковы и отличаются лишь режимами работы и количеством подключаемых приемников.

Интерфейс RS-485 реализует двунаправленную полудуплексную передачу данных с 32 приемниками для шинных конфигураций, а RS-422 определяет двухсторонний однонаправленный драйвер с 10 приемниками. В этом смысле RS-485 является более универсальным и может работать в паре с RS-422. Конструктивно эти два интерфейса различаются тем, что в RS-422 и приемник и передатчик имеют свои витые пары, а в RS-485 приемник и передатчик делят одну витую пару.

При всех достоинствах усовершенствованных интерфейсов они недостаточно стандартизованы с логической стороны и отсутствуют в стандартной комплектации компьютеров и микроконтроллеров. Поэтому применение RS-422 и RS-485 приводит к необходимости использования дополнительного устройства и программного драйвера со всеми вытекающими последствиями.

Устранить недостатки последовательных интерфейсов была призвана разработка в 1990 году компанией Apple шины FireWire (IEEE–1394) со скоростью передачи до 400 Мбит/с, возможностью "горячего" подключения и питания подключаемых устройств от шины интерфейса. Однако ко времени массового распространения FireWire уже появилась шина USB, составившая ей серьезную конкуренцию [12,13].

Шина USB была разработана сравнительно недавно - в 1996 году. Она обеспечила разработчикам относительно дешевый, высокоскоростной (до 400 Мбит/с для стандарта 2.0) и удобный в использовании интерфейс. Удобство заключается в возможности подключения устройства к работающему компьютеру, автоматическом распознавании их операционной системой, питании маломощных устройств с самой шины, большое количество (до 127) подключаемых устройств, а также простым и существенно более дешевым, чем для FireWire, соединительным кабелем.

Еще одним преимуществом шины USB является ее наличие практически во всех чипсетах РС-контроллеров, а также полной поддержкой этого стандарта в ОС, начиная с Windows 98.

Что касается систем с удаленными устройствами сбора данных и управления, то серьезную конкуренцию RS-422 и RS-485 составляет в настоящее время интерфейс CAN, обладающий за счет изощренного логического протокола чрезвычайно высокой устойчивостью и надежностью, практически исключающей ошибки управления. Причем логическая сложность не беспокоит разработчика, поскольку протокол реализован в виде специальных микросхем "на все случаи жизни".

Интерфейс CAN имеет достаточно высокую производительность (до 1 Мбит/с), допускает использование любой физической среды передачи. Фактическая же скорость передачи по линии связи задается программно. Интерфейс CAN может иметь произвольное количество узлов подключения, простоту изменения состава сети, предоставляет возможность инициативной передачи сообщений любым ее узлом. Система арбитража исключает потери информации и времени при конфликтах на шине. Протокол CAN обеспечивает общую вероятность необнаруженной ошибки менее 4,7x10^-11. Это достигается комплексным применением различных методов - поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверка пакета сообщений CRC-полиномом с Хемминговым интервалом d=6, контроль формы пакета сообщений, подтверждение правильного приема пакета данных.

Наличие большого количества адаптеров (мостов) между разными типами интерфейсов позволяет легко решать проблему совместимости устройств. Часто решение всего комплекса проблем оказывается возможным в рамках номенклатуры микросхем одной фирмы. Так, в каталогах известных компаний STMicroelectronics, Maxim наряду с широким набором интерфейсных схем семейства RS-232 имеется богатый выбор интерфейсных микросхем USB, CAN и упрощенной модификации LIN.

Приложение №1.