Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №2

Способы цифро-аналогового преобразования

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить основные способы цифро-аналогового преобразования, способы построения цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и их основные параметры. Освоить принципы программно-управляемого обмена информацией через параллельный порт и реализовать генератор сигналов специальной формы на основе ЦАП.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Макет ЦАП, два регулируемых источника питания 0-15 В, мультиметр, осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода.

Рис. 1. Простейший ЦАП с суммированием весовых токов

Рис. 2. Схема ЦАП с R-2R матрицей постоянного импеданса

Рис. 3. Схема инверсного включения ЦАП с R-2R матрицей

Рис. 4. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

Рис. 5. Структурная схема лабораторной установки по изучению ЦАП

Рис. 6. Принципиальная схема лабораторной установки по изучению ЦАП

Способы аналого-цифрового преобразования

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить основные способы аналого-цифрового преобразования, виды аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и их основные параметры. Освоить построение программно управляемых АЦП, работающих по методу последовательных приближений.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Макет АЦП последовательных приближений, два регулируемых источника питания 0-15 В, мультиметр, осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода.

Рис. 1. Сравнение различных видов АЦП по разрешению и производительности

Рис. 2. Структурная схема макета лабораторной установки по изучению АЦП последовательных приближений

Рис. 3. Принципиальная схема макета лабораторной установки по изучению АЦП последовательных приближений

Аналоговые ключи. Устройство выборки-хранения

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить устройство, принцип действия, основные параметры и область применения аналоговых ключей на полевых транзисторах, а также устройство выборки-хранения, построенное на их основе.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Макет устройства выборки-хранения, три регулируемых источника питания 0-15 В, мультиметр, двухлучевой осциллограф, генератор низкочастотных импульсов, часы-секундомер, набор конденсаторов, соединительные провода.

КЛЮЧИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Очень часто полевые транзисторы (ПТ) применяются в качестве аналоговых ключей. В силу таких свойств, как малое сопротивление в проводящем состоянии, крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки, малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, и предназначенными для аналоговых сигналов.

Рис. 1. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы ключей

Идеальный последовательный аналоговый ключ (рис. 1,а) ведет себя как совершенный механический выключатель: во включенном состоянии пропускает сигнал U_вх к нагрузке без ослабления или нелинейных искажений, в выключенном — ведет себя как разомкнутая цепь. Он имеет пренебрежимо малую емкость относительно земли и вносит ничтожно малые наводки в сигнал от переключающего его уровня, приложенного к управляющему входу. В схеме параллельного ключа (рис. 1,б) выходное напряжение равно входному при разомкнутом ключе. В этой схеме сопротивление R используется для ограничения тока, протекающего через замкнутый ключ.

Известно, что ПТ в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться на много порядков при изменении управляющего напряжения затвор-исток. На рис. 2,а показана схема аналогового ключа на ПТ с управляющим р-n переходом. Если для этой схемы управляющее напряжение U_упр установить меньше, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере, на величину порогового напряжения ПТ — транзистор закроется, и выходное напряжение станет нулевым.

Рис. 2. Аналоговый ключ на ПТ с р-n переходом

Для того чтобы ПТ был открыт, напряжение затвор-исток следует поддерживать равным нулю, обеспечивая тем самым минимальное сопротивление канала сток-исток. Если это напряжение вдруг окажется большим нуля, управляющий р-n переход откроется и выход ключа окажется соединенным с цепью управления. Равенство нулю напряжения затвор-исток реализовать достаточно сложно, так как потенциал истока изменяется с изменением входного потенциала. Способ преодоления этой проблемы показан на рис. 2,б.

Если напряжение U_ynp установить большим, чем входное напряжение, диод закроется и напряжение затвор-исток будет равным нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а ПТ закрыт. В этом режиме ток через резистор R1 течет в цепь управляющего сигнала.

Описанная проблема не имеет места при использовании в качестве ключа ПТ с изолированным затвором (МОП-транзистора). Его можно переводить в открытое состояние, подавая на затвор управляющее напряжение, большее чем максимальное входное напряжение, причем ток затвора будет равен нулю (рис. 3). В этой схеме отпадает необходимость использования R1 и диода, как на рис. 2.

Рис. 3. Схема ключа на МОП-транзисторе

Показанный на рис. 3 n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при заземленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление сток-исток (R_выкл) как правило, больше 10 ГОм, и сигнал не проходит через ключ (хотя на высоких частотах будут некоторые наводки через емкость сток-исток, рассмотренные нами далее). Подача на затвор значительного положительного напряжения относительно истока приводит канал сток-исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 6 до 500 Ом (R_вкл) для ПТ, используемых в качестве аналоговых ключей.

Схема, показанная на рис. 3, будет работать при входных сигналах, которые по крайней мере на 5 В меньше, чем U_ynp. При более высоком уровне входного сигнала напряжение затвор-исток будет недостаточным для поддержания ПТ в открытом состоянии, а отрицательные входные сигналы вызовут включение ключа даже при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал-подложка). Если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, в диапазоне от -10 до +10 В), то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым напряжением -15 В (ВЫКЛ) и +15 В (ВКЛ); подложка ПТ при этом должна быть подсоединена к напряжению -15 В.

Для любого ключа на ПТ сопротивление нагрузки должно быть не слишком высоким, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в разомкнутом состоянии, которое имело бы место при большом сопротивлении. Сопротивление нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление входного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего ПТ R_вкл и сопротивлением нагрузки. Так как R_вкл меняется с изменением входного сигнала (при изменении напряжения затвор-исток), это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая источник входного сигнала.

Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая схема (рис. 3) работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь смещения в прямом направлении. Переключение таких сигналов обеспечивают переключатели на комплиментарных МОП-транзисторах (КМОП, рис. 4). Здесь на подложку VT1 подается положительное напряжение питания +U, а на подложку VT2 отрицательное напряжение —U. При высоком уровне (лог. 1) управляющего сигнала VT1 пропускает сигналы с уровнями от —U до U минус несколько вольт (при более высоких уровнях сигнала R_вкл начинает сильно расти). Аналогично VT2 при заземленном затворе (на входе управления лог. 0) пропускает сигнал с уровнями от U до значения на несколько вольт выше уровня —U.

Рис. 4. Ключ на комплиментарных МОП-транзисторах

Таким образом, все сигналы в диапазоне от —U до U проходят через схему с малым сопротивлением (рис. 5). Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба ПТ, размыкая цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от —U до U. Это основа схемы большинства КМОП-ключей. Эта схема работает в двух направлениях — любой ее зажим может служить входным.

Рис. 5. Зависимость сопротивления ключа на КМОП транзисторах от входного напряжения

Выпускается большое количество интегральных КМОП-ключей в разных конфигурациях (например, несколько секций с несколькими полюсами каждая). Многие интегральные ключи очень удобны в употреблении. Они используют управляющий сигнал с уровнями ТТЛ, оперируют аналоговыми сигналами до ±15 В и имеют малое сопротивление (у некоторых — до 6 Ом). Типичными примерами отечественных микросхем аналоговых ключей являются микросхемы К176КТ1, К561КТ3 и ряд других.

ПАРАМЕТРЫ АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Аналоговые ключи на ПТ имеют сопротивление во включенном состоянии от 6 до 500 Ом, а иногда даже больше. В комбинации с емкостью подложки и паразитными емкостями это сопротивление образует фильтр нижних частот (рис. 6), ограничивающий рабочие частоты значениями порядка 10 МГц и даже ниже. Полевые транзисторы с меньшим R_вкл обычно имеют большую емкость (у некоторых ключей до 50 пФ и более), так что выигрыша в скорости нарастания сигнала они не дают.

Рис. 6. Эквивалентная схема аналогового КМОП-ключа в замкнутом состоянии

Значительная доля ограничения частотной характеристики вызвана элементами защиты — последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами, присутствующими в структуре КМОП-микросхем. Существуют варианты аналоговых ключей, обеспечивающих пропускание сигналов более высокой частоты, что достигается за счет отказа от некоторых видов защиты. Например, избранные КМОП-ключи оперируют аналоговыми сигналами в обычном диапазоне ±15 В и имеют полосу пропускания 400 МГц.

Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (скажем, 15 В), будут иметь относи тельно малые значения R_вкл во всем диапазоне значений сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное по крайней мере половине напряжения питания (рис. 5). Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа будет расти, и максимум его имеет место при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей (или между двумя напряжениями питания при двуполярном питании).

При уменьшении напряжения питания сопротивление ПТ во включенном состоянии становится значительно выше, так как для достижения малых значений R_вкл требуется напряжение затвор-исток не меньше чем 5-10 В. Параллельное сопротивление двух ПТ растет при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей. Пик сопротивления при напряжении входного сигнала, равном половине напряжения источника питания, будет увеличиваться по мере уменьшения напряжения питания. Поэтому при достаточно низком напряжении питания ключ для сигналов с уровнем около половины напряжения питания будет представлять разомкнутую цепь.

Имеются различные приемы, которые разработчики интегральных аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение R_вкл малым и примерно постоянным во всем диапазоне измерения сигналов. На рис. 7 и 8 представлены типовые зависимости сопротивления во включенном состоянии аналогового ключа от напряжения его источника питания при одно- и двуполярном питании соответственно.

Рис. 7. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при однополярном напряжении питания V

Рис. 8. Зависимость R_вкл типичного серийно выпускаемого ключа от входного напряжения U_вх при двуполярном напряжении питания V

Паразитные ёмкости. Ключи на ПТ обладают следующими паразитными емкостями: между входом и выходом (С_си), между каналом и землей (С_с, С_и), между затвором и каналом С_з, между двумя ПТ в пределах одного кристалла (С_сс, С_ии); см. рис. 9. Рассмотрим, какие эффекты они вызывают.

Рис. 9. Паразитные ёмкости аналоговых ключей

С_си (емкость сток-исток/вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению входного сигнала переменного тока через разомкнутый ключ. В большинстве низкочастотных применений сквозное емкостное прохождение не создает проблем. Если они все же возникают, наилучшим решением является использование пары каскадно-включенных ключей (рис. 10,а) или, что еще лучше, комбинации из последовательного и шунтирующего ключей, включаемых попеременно (рис. 10,б).

Рис. 10. Использование пары каскадно-включенных ключей (а) и шунтирующего ключа (б)

Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибеллах) ценой дополнительного R_вкл, в то время как последовательно-параллельная схема с шунтирующим ключом уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до R_вкл, когда последовательный ключ разомкнут.

Однополярные двусторонние КМОП-ключи с управлением, гарантирующим размыкание перед замыканием, выпускаются отдельными модулями. На практике можно встретить несколько таких ключей в одном корпусе. Высокочастотные ключи всегда имеют такую схему.

С_с, С_и (емкость стока и истока относительно земли) приводит к спаду частотной характеристики. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигналов, однако даже при фиксированном сопротивлении источника сопротивление ключа в сочетании с шунтирующей емкостью образует уже упоминавшийся нами фильтр нижних частот (рис. 6).

Емкость затвор-канал (С_з). Емкость между управляющим затвором и каналом вызывает еще один эффект — наводку переходных помех на цепь сигнала при замыкании или размыкании ключа. Скачок управляющего сигнала, поданный на затвор, может создавать емкостную наводку в канале и исказить коммутируемый сигнал до неузнаваемости. Это наиболее серьезно при уровнях входного сигнала, соответствующих высокому сопротивлению ключа. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала. Кроме этого, в мультиплексоре возможно кратковременное соединение входов через открытые ключи, если задержка выключения канала превосходит задержку включения.

С_сс, С_ии (емкость между ключами). Если разместить несколько ключей на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров, то не следует удивляться, заметив наводки между каналами (так называемые перекрестные помехи). Виновницей является емкость между каналами ключей. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения полного сопротивления источника сигнала, к которому подключен канал. Именно поэтому для большинства широкополосных радиочастотных схем применяются низкоомные источники сигналов, обычно сопротивлением 50 или 75 Ом.

Другие параметры ключей. Вот некоторые дополнительные параметры аналоговых ключей, которые могут быть важными в том или ином применении: время переключения, время установления, задержка размыкания перед замыканием, максимальный ток через канал, ток утечки канала (как в замкнутом, так и в разомкнутом состоянии), согласованность R_вкл между каналами, температурный коэффициент R_вкл, допустимые диапазоны изменения сигнала, напряжение питания и др.

ЗАЩИТА ВХОДОВ

Большинство интегральных КМОП-схем имеют ту или иную схему защиты входа от действия статического электричества, так как в противном случае изоляция затвора легко разрушается при превышении допустимых значений напряжения. Однако необходимо быть осторожными и не подавать на аналоговые входы напряжение, превышающее напряжение питания. Это означает, что мы всегда должны обеспечить подачу напряжения питания прежде, чем поступит, какой бы то ни было, сигнал, способный вызвать ток значительной величины. Неприятности, связанные с цепями защиты входов и выходов КМОП-схем, состоят в том, что они ухудшают параметры ключа, увеличивая R_вкл, паразитные емкости и приводят к дополнительным утечкам.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕЙ

Аналоговые мультиплексоры. Хорошим применением ключей на ПТ являются мультиплексоры — схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Аналоговый сигнал с этого выбранного входа будет проходить на единственный выход. На рис. 11 показана функциональная схема такого устройства и его обозначение на принципиальных схемах. Каждый из четырех ключей представляет аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор адреса декодирует двоичный адрес и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е (рис. 11,б) необходим для наращивания числа коммутируемых сигналов путем объединения выходов нескольких мультиплексоров. Такой мультиплексор обычно используется в сочетании с цифровыми схемами, вырабатывающими адрес.

Рис. 11. Устройство мультиплексора на аналоговых ключах (а) и его обозначение на принципиальных схемах (б)

Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и демультиплексором, т. е. сигнал может быть подан на выход и снят с избранного входа. Аналоговый мультиплексор может применяться в качестве цифрового мультиплексора-демультиплексора, поскольку цифровые логические уровни — это значения напряжения, воспринимаемые как двоичные единицы и нули.

Типичные отечественные аналоговые мультиплексоры — схемы серий К590КН1-К590КН9, воспринимающие в качестве кода адреса логические уровни ТТЛ и КМОП и работающие с аналоговыми сигналами до 15 В. Приборы К561КП1 (КП2), которые входят в семейство цифровых КМОП-схем, являются аналоговыми мультиплексорами-демультиплексорами, имеющими до 8 входов. Предельный уровень коммутируемого сигнала ограничен 15 В. Однако, у них есть вывод — U (внутренний уровень смещения), так что их можно использовать для работы с биполярными аналоговыми сигналами и однополярными управляющими сигналами с уровнями цифровых логических схем.

Рис. 12. Схемы интеграторов:

_{а) на RC-цепи, б) с переключаемыми конденсаторами}

В качестве еще одного примера рассмотрим конструкцию интегратора с применением переключаемого конденсатора. На рис. 12,а приведена схема обычного интегратора, а на рис. 12,б — схема с переключаемым конденсатором. Ключ периодически переключается из положения 1 в положение 2 и обратно с периодом Т. Накопленный конденсатором С1 заряд, пропорциональный входному напряжению и периоду Т, передается на инвертирующий вход операционного усилителя с конденсатором С2 в цепи обратной связи. Поскольку входное дифференциальное напряжение и входные токи идеального операционного усилителя равны нулю, С1 разрядится полностью, и его заряд суммируется с зарядом, накопленным С2. Коммутируемый конденсатор как бы имитирует входной резистор схемы, показанной на рис. 12,а. Уменьшая период переключения Т, мы уменьшаем эквивалентную постоянную времени интегрирования.

Интегратор на переключаемом конденсаторе имеет ряд преимуществ перед стандартным RC-интегратором. Во-первых, его коэффициент передачи зависит только от соотношения емкостей двух конденсаторов. Это свойство широко используется в микросхемах, содержащих интеграторы: на подложке достаточно просто получить пару однотипных согласованных конденсаторов, в то время как получение разнотипных элементов (резистора и конденсатора) с точными значениями обходится намного дороже, а иногда и вовсе невозможно (например, из-за различных значений температурных коэффициентов емкости и сопротивления). Во-вторых, подстройка интегратора с переключаемым конденсатором осуществляется с помощью изменения тактовой частоты сигнала, управляющего ключом.

Рассматриваемый интегратор не лишен недостатков. При его работе наблюдается сквозное прохождение сигнала тактовой частоты на выход. Однако это редко имеет значение, так как частота тактового сигнала обычно на один-два порядка превышает частоту входных сигналов. Еще одна проблема связана с наложением спектров. Любые компоненты входного сигнала, которые отстоят по частоте от частоты тактового сигнала на величину, соответствующую частотам полосы пропускания интегратора, не будут подавлены. Эта проблема имеет место в случае, когда в спектре входного сигнала есть заметные компоненты частот, близких к тактовой частоте.

Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором. Существует интересный способ (рис. 13) создавать нужное нам напряжение питания отрицательной полярности в схеме, запитанной от однополярного положительного источника питания. Пара левых по схеме ключей подключает С1 к положительному источнику питания, заряжая его до U_вх, в то время как правые ключи разомкнуты. Вслед за тем входные ключи размыкаются, а правая пара ключей замыкается, подключая заряженный С1 к выходу, при этом часть его заряда передается на С2. Схема организована так, что С1 как бы "переворачивается", выдавая на выход напряжение отрицательной полярности. Данная схема выпускается в виде готовых микросхем конвертера напряжения. Это устройство также называют инвертором напряжения, поскольку оно превращает положительное напряжение в напряжение отрицательное, и наоборот.

Рис. 13. Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором

Приведенные примеры составляют ничтожно малую часть схем, использующих аналоговые ключи. Одной из наиболее значимых областей применения ключей являются рассматриваемые нами далее устройства выборки-хранения (УВХ).

УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ

При сборе аналоговой информации, и ее последующем преобразовании, бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в определенный момент времени. Некоторые типы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) могут давать непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал изменяется за время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) некоторых типов из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются флуктуации выходного напряжения. Для устранения этих явлений необходимо зафиксировать значение входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП на время преобразования.

Устройства выборки-хранения, выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения — сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки.

Рис. 14,а демонстрирует, как можно сделать простейшую схему выборки-хранения. Когда ключ S замкнут, выходное напряжение повторяет входное (состояние 1, рис. 14,б). Чтобы запомнить уровень аналогового сигнала в любой заданный момент, вы просто размыкаете ключ (состояние 2). Высокое полное входное сопротивление буфера на основе операционного усилителя (ОУ, у которого на входе должны быть полевые транзисторы, чтобы входной ток не слишком отличался от нуля) предотвращает нагрузку конденсатора С_хр, так что напряжение на нем "хранится" до тех пор, пока ключ не замкнется снова.

Рис. 14. Схема простейшего УВХ (а) и сигналы на его входах и выходах (б)

Рассмотренная нами схема УВХ имеет ряд принципиальных недостатков. Во-первых, при замкнутом ключе источник сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Во-вторых, операционные усилители с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве выходных повторителей, имеют значительное смещение нуля.

Рассмотрим подробнее схемотехнику устройства выборки-хранения на примере выполненного в виде интегральной микросхемы УВХ типа К1100CК2, выпускаемой отечественной промышленностью (рис. 15). ОУ1 — это повторитель, предназначенный для формирования низкоомного аналога входного сигнала. Ключ S пропускает сигнал во время выборки и блокирует его прохождение в момент хранения. Конденсатор С_хр запоминает сигнал таким, каким он был в момент выключения ключа. ОУ2 — это повторитель с большим входным сопротивлением, благодаря чему минимизируется ток через конденсатор во время хранения. Величина С_хр выбирается, исходя из компромисса: ток утечки в ключе, и повторителе вызывает спад напряжения на конденсаторе С во время запоминания в соответствии с выражением dU/dt = I_утечки/С

Рис. 15. Функциональная схема промышленно выпускаемой интегральной схемы УВХ К1100CК2

В связи с этим для минимизации спада напряжения конденсатор С должен быть большой емкости. Однако сопротивление ключа во включенном состоянии образует в сочетании с этим конденсатором фильтр низких частот. В связи с этим С_хр должен быть небольшой емкости, тогда высокочастотные сигналы, проходящие на выход схемы при замкнутом ключе, не будут искажаться.

ОУ1 должен обеспечивать ток заряда конденсатора равный I = C(dU/dt) и должен обладать достаточной скоростью нарастания для повторения входного сигнала. На практике скорость нарастания всей схемы обычно ограничивается выходным током первого ОУ и сопротивлением ключа во включенном состоянии.

ОУ1 управляет емкостной нагрузкой. Поэтому используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и большой емкостной нагрузке (до 0,1 мкФ).

Заметьте, что схема на рис. 15 имеет общую отрицательную обратную связь (ООС): с выхода ОУ2 на инвертирующий вход ОУ1. Когда ключ замкнут, потенциал выхода ОУ1, вследствие действия ООС, устанавливается таким, что U_вых отличается от U_вх на величину напряжения смещения ОУ2. При этом смещение, возникающее из-за наличия ключа и ОУ2 компенсируется. Диоды D1 и D2 в этом состоянии заперты, так как напряжение на них, равное указанному смещению, достаточно мало (1-20 мВ).

При размыкании ключа управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R1 и диоды предотвращают насыщение ОУ1, которое могло бы возникнуть из-за разрыва петли ООС в этом режиме. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.

К точностным характеристикам УВХ относится напряжение смещения нуля, определяемое смещением ОУ1 (обычно не очень велико, в пределах 5 мВ, если применяется ОУ с биполярными транзисторами на входе) и дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости конденсатора хранения (для различных УВХ от 10^-3 до 10^-1 В/с при емкости С_хр = 1000 пФ). Величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости С_хр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

К динамическим характеристикам УВХ относят: время выборки, показывающее как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения с заданным уровнем допуска; и апертурную задержку — период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием ключа.

Существует множество интегральных схем выборки-хранения, обладающих хорошими характеристиками. Ряд схем включает в себя внутренний конденсатор хранения и гарантирует максимальное время выборки в десятки или сотни наносекунд при точности 0,01 % для сигнала величиной 10 В. Величина апертурной задержки для популярных УВХ не превышает 100 нс.

Проблемы выбора конденсаторов для построения схем выборки-хранения. Конденсаторам присущи недостатки. Прежде всего, это утечка (отличное от бесконечного параллельное сопротивление), последовательное сопротивление и индуктивность, ненулевой температурный коэффициент емкости. Реже вспоминают про диэлектрическое поглощение (ДП) — явление, которое очень сильно проявляет себя в следующей ситуации: возьмем конденсатор большой емкости, заряженный до напряжения в несколько вольт, и быстро его разрядим, подключив к выводам резистор сопротивлением в несколько десятков Ом. Удалим резистор и понаблюдаем за напряжением на конденсаторе с помощью вольтметра с большим входным сопротивлением. Напряжение на конденсаторе будет восстанавливаться, и за несколько секунд достигнет примерно 5-10 % от величины начального напряжения.

Данное явление недостаточно изучено. Полагают, что оно связано с остаточной поляризацией диэлектрического вещества между обкладками конденсатора. Особенно плохим в этом отношении является такой диэлектрик, как слюда с присущей ей слоистой структурой. С точки зрения схемы добавочная поляризация проявляет себя так, как если бы к выводам конденсатора подключили ряд последовательных RC-цепочек с постоянными времени в диапазоне от микросекунд до нескольких секунд. Этот неприятный эффект может порождать серьезные ошибки в УВХ, интеграторах и других аналоговых схемах, которые рассчитаны на идеальные характеристики конденсаторов.

По свойству ДП диэлектрики конденсаторов существенно отличаются друг от друга. Поэтому конденсаторы нужно выбирать как можно тщательней (с этой точки зрения наилучшим диэлектриком является фторопласт). В особых случаях можно прибегнуть к компенсационным схемам, в которых влияние диэлектрического поглощения электрически устраняют с помощью тщательно настроенных RC-цепочек, включенных в комплекс с запоминающим конденсатором. Этот метод очень сложен в расчете и иногда используется в высококачественных модулях УВХ.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 16. По своему принципу работы данная схема не отличается от рассмотренной ранее схемы УВХ К1100CК2 (рис. 16). В основе схемы лежат два повторителя напряжения: на ОУ DA1 реализован входной, а на DA2 — выходной повторитель. Применены операционные усилители К544УД2 с внутренними цепями частотной коррекции, имеющие вход на полевых транзисторах с очень высоким (свыше 1 ГОм) входным сопротивлением. Данные ОУ характеризуются очень низким уровнем собственных шумов.

Рис. 16. Принципиальная схема макета лабораторной установки

Вся схема охвачена отрицательной обратной связью через резистор R2, позволяющей скомпенсировать напряжение смещения ОУ DA2. Диоды VD3 и VD4 так же, как и в схеме на рис. 15, служат для предотвращения насыщения ОУ DA1 при размыкании ключа DD1.1.

В качестве ключа используется один из четырех аналоговых двунаправленных ключей, размещенных в корпусе микросхемы К176КТ1. Данный ключ способен коммутировать двуполярные сигналы, так как он оснащен входом для подключения источника отрицательного напряжения питания к подложке (на схеме не показан). Для данного ключа паспортная величина сопротивления открытого канала менее 500 Ом, неидентичность сопротивлений каналов в пределах одного корпуса не превышает 10 Ом. При нагрузке 10 кОм на частоте 10 кГц отношение сигналов на выходе ключа в замкнутом и разомкнутом состоянии должно превышать 65 дБ. Сопротивление разомкнутого ключа достигает 100 ГОм.

Конденсатор хранения С7* подключается к специальным подпружиненным контактам на плате, что позволяет быстро его заменять. Конденсаторы С1-С6, С8-С11 служат для фильтрации напряжения питания и защиты ОУ от помех. Диоды VD1 и VD2 предохраняют схему от подключения напряжения питания в обратной полярности. VD5 и VD6 служат защитой входа управления от подачи на него управляющего напряжения, превышающего напряжение источника питания, либо отрицательного напряжения (естественно, в обоих случаях необходимо сделать поправку на величину падения напряжения на диоде). Резистор R1 обеспечивает уровень лог. 0 на неподключенном входе управления, исключая включение ключа от сигнала помехи, наведенного на этот вход.

Устройство питается от двуполярного источника стабилизированного напряжения ±15 В, подключаемого к разъему Х2. На входной разъем X1 допустимо подавать сигналы, не превышающие напряжения источника питания минус 2 В. К выходу схемы Х3 может быть подключена любая нагрузка сопротивлением не менее 1 кОм и емкостью не более 0,1 мкФ. На вход управления Х4 допустима подача управляющих сигналов КМОП-логики, работающей от напряжения источника питания 15 В.

ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ

1. Изучите теоретический материал, посвященный аналоговым ключам и областям их использования. Ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце работы.

2. Используя справочную литературу [3, 4], рассмотрите внутреннее устройство и параметры промышленно выпускаемых аналоговых ключей К176КТ1 и К561КТ3, а также мультиплексоров К561КП1 и К561КП2.

3. Изучите электрическую схему макета лабораторной установки и принципы ее работы.

4. Используя справочную литературу [5], проведите анализ типов конденсаторов, выданных преподавателем (в данной работе будут использованы конденсаторы КМ5, КМ6, К10-7В, КСО, МБМ, К73-11, К73-9, К73-17, емкостью 1-68 нФ), и выберите 3 конденсатора, наиболее пригодных по своим характеристикам для использования в качестве запоминающих в схемах УВХ.

5. Подключите макет установки к источнику питания ±15 В. Подайте на вход УВХ постоянное напряжение в несколько вольт. К выходу схемы подключите вольтметр. Экспериментально определите величину входного сопротивления ОУ DA2 на основании измеренного с помощью секундомера времени полного разряда конденсатора хранения С7*. Для управления УВХ используйте ручную подачу управляющего напряжения положительной полярности от источника питания. Эксперимент повторить 3 раза. Результат усреднить.

6. Подключив вместо конденсатора хранения С7* резистор известного сопротивления (1–6,8 кОм), измерьте напряжение на выходе схемы при замкнутом ключе. На основании измеренного напряжения, сопротивления резистора, и напряжения, поданного на вход схемы, определите сопротивление ключа. Повторите эксперимент 3 раза для резисторов разного сопротивления. Усредните полученный результат.

7. Подключите ко входу управления УВХ регулируемый генератор прямоугольных импульсов низкой частоты. Один из входов двухканального осциллографа подключите к выходу генератора, а другой — к выходу УВХ. Определите максимальное время хранения напряжения с точностью 10 %, 5 %, 1 %, 0,5 %. Для проведения этого эксперимента на вход УВХ подается постоянное напряжение в несколько вольт. Частота импульсов генератора выбирается таким образом, чтобы спад выходного напряжения, наблюдаемый на экране осциллографа в период хранения, не превысил заданной точности. Период следования импульсов генератора будет являться неизвестным временем. Эксперимент проводится 3 раза для всех отобранных конденсаторов, результаты усредняются.

СПИСОК КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

_{СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:}

_{1. Волович Г. Аналоговые коммутаторы // Схемотехника.- 2001.-№ 3–4.}

_{2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 1993. -Т.1.}

_{3. Богданович М.И., Грель И.Н., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. — Минск: Беларусь, 1991.}

_{4. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. — М.: Радио и связь, 1990.}

_{5. В помощь радиолюбителю. Сборник. Вып. 109/Сост. Алексеева И.Н. — М.: Патриот, 1991.}

_{6. Булычев А.А., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. Справочник. — Минск: Беларусь, 1993.}

Управление шаговыми двигателями

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить устройство, принцип действия, основные параметры шаговых двигателей и способы управления их обмотками. Освоить методы программной реализации различных способов управления обмотками шагового двигателя.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Устройство управления шаговыми двигателями (контроллер), шаговый двигатель, регулируемый источник питания 0-30 В, мультиметр, двухлучевой осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода.

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Шаговый двигатель (ШД) — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Внешне он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов. Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми в некоторых областях.

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных к надежности применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель — дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует калибровки с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между обычным и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами выпускаются промышленностью в малых объемах. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий ему люфт.

Возможность получения низкой частоты вращения часто является причиной того, что разработчики, будучи не в состоянии спроектировать редуктор, применяют шаговые двигатели неоправданно часто. В то же время коллекторный двигатель имеет более высокую удельную мощность, низкую стоимость, простую схему управления, и вместе с одноступенчатым червячным редуктором он способен обеспечить тот же диапазон скоростей, что и шаговый двигатель. К тому же при этом обеспечивается значительно больший момент. Приводы на основе коллекторных двигателей очень часто применяются в технике военного назначения, а это косвенно говорит о хороших параметрах и высокой надежности таких приводов. Да ив современной бытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании, коллекторные двигатели распространены достаточно широко. Тем не менее, для шаговых двигателей имеется своя, хотя и довольно узкая, сфера применения, где они незаменимы.

ШД обладают следующими особенностями:

1. Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;

2. Двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны);

3. Прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3–5 % от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу;

4. Возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;

5. Высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;

6. Однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи;

7. Возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;

8. Может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Шаговые двигатели также имеют недостатки:

1. Им присуще явление резонанса;

2. Возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи;

3. Потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;

4. Затруднена работа на высоких скоростях;

5. Невысокая удельная мощность;

6. Относительно сложная схема управления.

ТИПЫ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

1. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением;

2. Двигатели с постоянными магнитами;

3. Гибридные двигатели.

Определить тип двигателя можно "на ощупь": при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное со противление вращению, двигатель вращается как бы со щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Двигатели с переменным магнитным сопротивлением. Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 1). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имеет шаг 30 градусов.

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т. е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель нечувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.

Рис. 1. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Двигатели с постоянными магнитами. Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рис. 2). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Рис. 2. Двигатель с постоянными магнитами

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 градусов. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48–24 шага на оборот (угол шага 7.5 — 15 градусов).

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рис. 3.

Рис. 3. Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами

Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость.

Гибридные двигатели. Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6–0.9 градуса). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рис. 4).

Рис. 4. Гибридный шаговый двигатель

Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок.

Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 и 8 основных полюсов. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага двигателя.

Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов — 200, а шаг, соответственно, 1,8 градуса.

Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рис. 5. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана сплошной черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Рис. 5. Продольный разрез гибридного шагового двигателя

Как видно, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой черной линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку и поэтому не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его «видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая — обычно около 100 мкм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его срок службы может закончиться. Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться с осторожностью.

Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Такие двигатели имеют малый момент инерции ротора, что в ряде случаев важно.

Большинство современных шаговых двигателей являются гибридными. По сути, такой двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. Чаще всего на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3,6 или 1,8 градуса. Большинство контроллеров позволяют работать в полушаговом режиме, где этот угол вдвое меньше, а некоторые контроллеры обеспечивают микрошаговый режим (см. следующую часть работы).

Биполярные и униполярные шаговые двигатели. В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться коммутатором, называемым также драйвером ШД. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двуполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис. 6,а).

Униполярный двигатель (рис. 6,б) также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема коммутатора, который должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов. Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рис. 6,в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.

Рис. 6. Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в)

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.

Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля — это увеличение тока или числа витков обмоток. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности ШД.

Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствие потерь в обмотках. Этот факт демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т. е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а их сопротивление — соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте около 40 %. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками.

УПРАВЛЕНИЕ ФАЗАМИ

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутацией фаз, при этом они не перекрываются, а в один момент времени включена только одна фаза (рис 7,а). Этот способ называют "one phase on" full step или wave drive mode (полношаговый режим, включена одна фаза). Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с "естественными" точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50 % обмоток, а для униполярного — только 25 %. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Второй способ — управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют "two-phase-on" full step или просто full step mode (полношаговый режим, включены две фазы или просто — полношаговый режим). При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. 7,б) и обеспечивается примерно на 40 % больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, "one and two-phase-on" half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рис. 7,в). В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные коммутаторы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Рис. 7. Различные способы управления фазами шагового двигателя:

_{а) полношаговый однофазный, б) полношаговый двухфазный, в) полушаговый.}

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима требуются значительно более сложные схемы управления, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания обмоток, поэтому часто реализуется.

В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на половину шага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на полшага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания. То же справедливо и для полушагового и микрошагового режимов. Следует отметить, что если в выключенном состоянии ротор двигателя поворачивался, то при включении питания возможно смещение ротора и на большую, чем половина шага величину.

В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на половину шага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на полшага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания. То же справедливо и для полушагового и микрошагового режимов. Следует отметить, что если в выключенном состоянии ротор двигателя поворачивался, то при включении питания возможно смещение ротора и на большую, чем половина шага величину.

ПРОДОЛЖЕНИЕ

Ток удержания может быть меньше номинального, так как от двигателя с неподвижным ротором обычно не требуется большого момента. Однако есть применения, когда в остановленном состоянии двигатель должен обеспечивать полный момент, что для шагового двигателя возможно. Это свойство шагового двигателя позволяет в таких ситуациях обходиться без механических тормозных систем. Поскольку современные коммутаторы позволяют регулировать ток питания обмоток двигателя, задание необходимого тока удержания обычно не представляет проблем. Задача обычно заключается просто в соответствующей программной поддержке для управляющего микроконтроллера или ЭВМ.

Полушаговый режим. Основным принципом работы шагового двигателя является создание вращающегося магнитного поля, которое заставляет ротор поворачиваться. Вращающееся магнитное поле создается статором, обмотки которого соответствующим образом запитываются.

Для двигателя, у которого запитана одна обмотка, зависимость момента от угла поворота ротора относительно точки равновесия является приблизительно синусоидальной. Эта зависимость для двухобмоточного двигателя, который имеет N шагов на оборот (угол шага в радианах S = 2π/N), показана на рис. 8.

Реально характер зависимости может быть несколько другой, что объясняется неидеальностью геометрии ротора и статора.

Рис. 8. Зависимость момента от угла поворота ротора для одной запитанной обмотки

Если к ротору приложить внешний момент, который превышает момент удержания, ротор провернется. Если внешний момент не превышает момента удержания, то ротор будет находится в равновесии в пределах угла шага. Нужно отметить, что у обесточенного двигателя момент удержания не равен нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора. Этот момент обычно составляет около 10 % максимального момента, обеспечиваемого двигателем.

Иногда используют термины «механический угол поворота ротора» и «электрический угол поворота ротора». Механический угол вычисляется исходя из того, что полный оборот ротора составляет 2π радиан. При вычислении электрического угла принимается, что один оборот соответствует одному периоду угловой зависимости момента. Электрический угол фактически определяет угол поворота магнитного поля статора.

Если запитать одновременно две обмотки двигателя, то момент будет равен сумме моментов, обеспечиваемых обмотками по отдельности (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость момента от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток

При этом, если токи в обмотках одинаковы, то точка максимума момента будет смещена на половину шага. На половину шага сместится и точка равновесия ротора (точка е на рисунке). Этот факт и положен в основу реализации полушагового режима. Пиковое значение момента (момент удержания) при этом будет в корень из двух раз больше, чем при одной запитанной обмотке. Именно этот момент обычно и указывается в характеристиках шагового двигателя.

Величина и направление магнитного поля показаны на векторной диаграмме (рис. 10).

Рис. 10. Величина и направление магнитного поля для разных режимов питания фаз

Оси X и Y совпадают с направлением магнитного поля, создаваемого обмотками первой и второй фазы двигателя. Когда двигатель работает с одной включенной фазой, ротор может занимать положения 1, 3, 5, 7. Если включены две фазы, то ротор может занимать положения 2, 4, 6, 8. К тому же, в этом режиме больше момент, так как он пропорционален длине вектора на рисунке. Оба эти метода управления обеспечивают полный шаг, но положения равновесия ротора смещены на полшага. Если комбинировать два этих метода и подать на обмотки соответствующие последовательности импульсов, то можно заставить ротор последовательно занимать положения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, что соответствует половинному шагу.

По сравнению с полношаговым режимом, полушаговый режим имеет следующие преимущества: более высокая разрешающая способность без применения более дорогих двигателей; меньшие проблемы с явлением резонанса. Резонанс в таком режиме приводит лишь к частичной потере момента, что обычно не мешает нормальной работе привода.

Недостатком полушагового режима является довольно значительное колебание момента от шага к шагу. В тех положениях ротора, когда запитана одна фаза, момент составляет примерно 70 % от полного, когда запитаны две фазы. Эти колебания могут явиться причиной повышенных вибраций и шума, хотя они всё равно остаются меньшими, чем в полношаговом режиме.

Для полушагового режима очень важным является переход в состояние с одной выключенной фазой. Чтобы заставить ротор принять соответствующее положение, ток в отключенной фазе должен быть уменьшен до нуля как можно быстрее. Длительность спада тока зависит от напряжения на обмотке в то время, когда она теряет свою запасенную энергию. Замыкая в это время обмотку, может обеспечивается максимально быстрый спад тока.

Микрошаговый режим. Микрошаговый режим обеспечивается путем получения поля статора, вращающегося более плавно, чем в полно- или полушаговом режимах. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование. Существует много различных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше.

Шаговый двигатель является синхронным электродвигателем. Это значит, что положение равновесия неподвижного ротора совпадает с направлением магнитного поля статора. При повороте поля статора ротор тоже поворачивается, стремясь занять новое положение равновесия.

Чтобы получить нужное направление магнитного поля, необходимо выбрать не только правильное направление токов в катушках, но и правильное соотношение этих токов.

Смещение точки равновесия ротора е (рис. 11) говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима.

Рис. 11. Зависимость момента от угла поворота ротора в случае разных значений тока фаз

В пределе, шаговый двигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Для этого токи его фаз должны быть синусоидальными, сдвинутыми друг относительно друга на 90 градусов.

Результатом использования микрошагового режима является намного более плавное вращение ротора на низких частотах. На частотах в 2–3 раза выше собственной резонансной частоты ротора и нагрузки, микрошаговый режим дает незначительные преимущества по сравнению с полу- или полношаговым режимами. Причиной этого является фильтрующее действие инерции ротора и нагрузки. Система с шаговым двигателем работает подобно фильтру нижних частот. В микрошаговом режиме можно осуществлять только разгон и торможение, а основное время работать в полношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий контроллер. Для предотвращения переходных процессов и потери шагов, переключения режимов работы двигателя (из микрошагового режима в полношаговый и т. п.) необходимо производить в те моменты, когда ротор находится в положении, соответствующем одной включенной фазе.

Во многих приложениях, где требуются малые относительные перемещения и высокая разрешающая способность, микрошаговый режим способен заменить механический редуктор. Часто простота системы является решающим фактором, даже если при этом придется применить двигатель больших габаритов. Несмотря на то, что коммутатор, обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного, всё равно система может оказаться более простой и дешевой, чем шаговый двигатель плюс редуктор.

Иногда микрошаговый режим используется для увеличения точности величины шага сверх заявленной производителем двигателя. Для повышения точности используется коррекция положения ротора в точках равновесия. Для этого сначала снимают характеристику конкретного двигателя, а затем, изменяя соотношение токов в фазах, корректируют положение ротора индивидуально для каждого шага. Такой метод требует предварительной калибровки и дополнительных ресурсов управляющего контроллера. Кроме того, требуется датчик начального положения ротора для синхронизации его положения с таблицей корректирующих коэффициентов.

На практике при осуществлении каждого шага ротор не сразу останавливается в новом положении равновесия, а осуществляет затухающие колебания вокруг положения равновесия. Время установления стационарного состояния системы зависит от характеристик нагрузки и от схемы коммутатора. Во многих приложениях такие колебания являются нежелательными. Избавиться от этого явления можно путем использования микрошагового режима. На рис. 12 показаны перемещения ротора при работе в полношаговом и микрошаговом режимах.

Рис. 12. Перемещения ротора в полношаговом и микрошаговом режимах

Видно, что в полношаговом режиме наблюдаются выбросы и колебания, в то время как в микрошаговом режиме их нет. Однако и в этом режиме график положения ротора отличается от прямой линии. Эта погрешность объясняется погрешностью геометрии деталей двигателя и может быть уменьшена путем проведения калибровки и последующей компенсации путем корректировки токов фаз.

Обычно производители шаговых двигателей указывают такой параметр, как точность шага. Точность шага указывается для положений равновесия ротора при двух включенных фазах, токи которых равны. Это соответствует полношаговому режиму с перекрытием фаз. Для микрошагового режима, когда токи фаз не равны, никаких данных обычно не приводится.

Идеальный шаговый двигатель при питании фаз синусоидальным и косинусоидальным током должен вращаться с постоянной скоростью. У реального двигателя в таком режиме будут наблюдаться некоторые колебания скорости. Связано это с нестабильностью воздушного зазора между полюсами ротора и статора, наличием магнитного гистерезиса, что приводит к погрешностям величины и направления магнитного поля и т. д. Поэтому положения равновесия и момент имеют некоторые отклонения. Эти отклонения зависят от погрешности формы зубцов ротора и статора и от примененного материала магнитопроводов.

Конструкция некоторых двигателей оптимизирована для наилучшей точности в полношаговом режиме и максимального момента удержания. Специальная форма зубцов ротора и статора спроектирована так, чтобы в положении равновесия для полношагового режима магнитный поток сильно возрастал. Это приводит к ухудшению точности в микрошаговом режиме. Лучшие результаты в микрошаговом режиме позволяют получить двигатели, у которых момент удержания в обесточенном состоянии меньше.

Отклонения можно разделить на два вида: отклонения величины магнитного поля, которые приводят к отклонениям момента удержания в микрошаговом режиме и отклонения направления магнитного поля, которые приводят к отклонениям положения равновесия. Отклонения момента удержания в микрошаговом режиме обычно составляют 10–30 % от максимального момента. Нужно отметить, что и в полношаговом режиме момент удержания может колебаться на 10–20 % вследствие неидеальной геометрии ротора и статора.

Если измерить положения равновесия ротора при вращении двигателя по и против часовой стрелки, то получатся несколько разные результаты. Этот гистерезис связан в первую очередь с магнитным гистерезисом материала сердечника, хотя свой вклад вносит и трение. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный поток зависит не только от тока обмоток, но и от предыдущего его значения. Погрешность, создаваемая гистерезисом может быть равна нескольким микрошагам. Поэтому в высокоточных приложениях при движении в одном из направлений нужно проходить за желаемую позицию, а затем возвращаться назад, чтобы подход к нужной позиции всегда осуществлялся в одном направлении.

Естественно, что любое желаемое увеличение разрешающей способности наталкивается на какие-то физические ограничения. Как будет показано ниже, если в системе есть трение, то вследствие появления мертвых зон точность позиционирования будет ограничена.

Большинство коммерческих двигателей не обладают прецизионной конструкцией, и зависимость между моментом и углом поворота ротора не является в точности синусоидальной. Вследствие этого зависимость между фазой синусоидального тока питания и углом поворота вала будет нелинейной. В результате ротор двигателя будет точно проходить положения каждого шага и полушага, а между этими положениями будут наблюдаться довольно значительные отклонения.

Эти проблемы наиболее ярко выражены для двигателей с большим количеством полюсов. Существуют двигатели, ещё на этапе разработки, оптимизированные для работы в микрошаговом режиме. Полюса ротора и статора таких двигателей менее выражены благодаря специально скошенной форме зубцов.

Иногда контроллеры шаговых двигателей позволяют корректировать форму выходного сигнала путем добавления или вычитания из синуса его третьей гармоники. Однако такая подстройка должна производится индивидуально под конкретный двигатель, характеристики которого должны быть перед этим измерены.

Из-за этих ограничений микрошаговый режим используется в основном для обеспечения плавного вращения (особенно на очень низких скоростях), для устранения шума и явления резонанса. Микрошаговый режим также способен уменьшить время установления стационарного состояния механической системы, так как в отличие от полношагового режима отсутствуют осцилляции ротора. Однако в большинстве случаев для обычных двигателей нельзя гарантировать точного позиционирования в микрошаговом режиме.

Синусоидальный ток фаз может быть обеспечен применением специальных схем коммутации. Некоторые из них содержат ЦАП и требуют от микроконтроллера или ЭВМ только управляющих цифровых кодов. Другие же требуют внешних опорных напряжений синусоидальной формы, которые должен формировать микроконтроллер или ЭВМ с помощью ЦАП. Нужно сказать, что слишком большое количество дискретов синусоидального сигнала не приводит к повышению точности позиционирования, так как начинает доминировать ошибка, связанная с неидеальностью геометрии полюсов двигателя. Тем более, в этом случае отсчеты должны следовать с большой частотой, что может быть проблемой при их программном формировании. При работе на больших скоростях разрешающую способность ЦАП можно уменьшить.

Более того, при очень больших скоростях вообще рекомендуется работать в обычном полношаговом режиме, так как управление гармоническим сигналом теряет преимущества. Происходит это по причине того, что обмотки двигателя представляют индуктивность, соответственно любая конкретная схема коммутатора обеспечивает вполне определенную максимальную скорость нарастания тока. Из-за этого при повышении частоты управляющих импульсов на обмотках форма тока начинает отклоняться от синусоидальной и на очень больших частотах становится треугольной.

ЗАВИСИМОСТЬ МОМЕНТА ОТ СКОРОСТИ. ВЛИЯНИЕ НАГРУЗКИ

Момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от нескольких факторов: скорости; тока в обмотках; схемы коммутатора. На рис. 13,а показана зависимость момента от угла поворота ротора.

У идеального шагового двигателя эта зависимость синусоидальная. Точки S являются положениями равновесия ротора для ненагруженного двигателя и соответствуют нескольким последовательным шагам. Если к валу двигателя приложить внешний момент, меньший момента удержания, то угловое положение ротора изменится на некоторый угол Ф, зависящий от внешнего приложенного момента и от момента удержания двигателя.

Угловое смещение Ф является ошибкой позиционирования нагруженного двигателя. Если к валу двигателя приложить момент, превышающий момент удержания, то под действием этого момента вал провернется. В таком режиме положение ротора является неконтролируемым.

Рис. 13. Возникновение мертвых зон в результате действия трения

На практике всегда имеется приложенный к двигателю внешний момент, хотя бы потому, что двигателю приходится преодолевать трение. Силы трения могут быть разделены на две категории: статическое трение или трение покоя, для преодоления которого требуется постоянный момент и динамическое трение (вязкое трение), которое зависит от скорости. Рассмотрим статическое трение. Предположим, что для его преодоления требуется момент в половину от пикового. На рис. 13,а штриховыми линиями показан момент трения. Таким образом, для вращения ротора остается только момент, лежащий на графике за пределами штриховых линий. Отсюда следуют два вывода: трение снижает момент на валу двигателя и появляются мертвые зоны вокруг каждого положения равновесия ротора (рис. 13,б).

Мертвые зоны ограничивают точность позиционирования. Например, наличие статического трения в половину от пикового момента двигателя с шагом 90 градусов вызовет наличие мертвых зон в 60 градусов. Это означает, что шаг двигателя может колебаться от 30 до 150 градусов, в зависимости от того, в какой точке мертвой зоны остановится ротор после очередного шага.

Наличие мертвых зон является очень важным для микрошагового режима. Если, например, имеются мертвые зоны величиной d, то микрошаг менее d вообще не сдвинет ротор с места. Поэтому для систем с использованием микрошагов очень важно минимизировать трение покоя.

Когда двигатель работает под нагрузкой, всегда существует некоторый сдвиг между угловым положением ротора и ориентацией магнитного поля статора. Особенно неблагоприятной является ситуация, когда двигатель начинает торможение и момент нагрузки реверсируется. Нужно отметить, что запаздывание или опережение относится только к положению, но не к скорости. В любом случае, если синхронность работы двигателя не потеряна, это запаздывание или опережение не может превышать величины двух полных шагов.

Каждый раз, когда шаговый двигатель осуществляет шаг, ротор поворачивается на S радиан. При этом минимальный момент имеет место, когда ротор находится ровно между соседними положениями равновесия.

Этот момент называют рабочим моментом, он показывает, какой наибольший момент может преодолевать двигатель при вращении с малой скоростью. Если двигатель делает шаг с двумя запитанными обмотками, то рабочий момент равен моменту удержания для одной запитанной обмотки.

Параметры привода на основе шагового двигателя сильно зависят от характеристик нагрузки. Кроме трения, реальная нагрузка обладает инерцией. Инерция препятствует изменению скорости. Инерционная нагрузка требует от двигателя больших моментов на разгоне и торможении, ограничивая таким образом максимальное ускорение. С другой стороны, увеличение инерционности нагрузки увеличивает стабильность скорости.

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы коммутатора. При конструировании высокоскоростных коммутаторов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 14,а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 14,б). Для того чтобы момент падал как можно меньше, необходимо обеспечить высокую скорость нарастания тока в обмотках, что достигается применением специальных схем для их питания.

Рис. 14. Форма тока в обмотках двигателя на разных скоростях работы

Поведение момента при увеличении частоты коммутации фаз примерно таково: начиная с некоторой частоты момент монотонно падает. Обычно для шагового двигателя приводятся две кривые зависимости момента от скорости (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость момента шагового двигателя от скорости

Внутренняя кривая (кривая старта, или pull-in curve) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен тронуться. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой старта или частотой приемистости. Она определяет максимальную скорость, на которой ненагруженный двигатель может тронуться. На практике эта величина лежит в пределах 100–500 полных шагов в секунду. Инерционность нагрузки сильно влияет на вид внутренней кривой. Большая инерционность соответствует меньшей области под кривой. Эта область называется областью старта. Внешняя кривая (кривая разгона, или pull-out curve) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен поддерживать вращение без пропуска шагов. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой разгона. Она показывает максимальную скорость для данного двигателя без нагрузки. При измерении максимальной скорости нужно иметь в виду, что из-за явления резонанса момент равен нулю еще и на резонансной частоте. Область, которая лежит между кривыми, называется областью разгона.

Нужно отметить, что схема коммутатора в значительной степени влияет на ход кривой момент-скорость.

Разгон двигателя. Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона (рис. 15), необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь больших скоростей — используются скорости до 10000 полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однако высокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлении позиционирования.

При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом на одной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Для нормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой как минимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно. Подробно методы борьбы с этим явлением будут описаны ниже.

При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона — это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время. На практике чаще всего применяют разгон и торможение с постоянным ускорением.

Реализация закона, по которому будет производится ускорение или торможение двигателя, обычно производится программно управляющим контроллером, так как именно он является источником тактовой частоты для коммутатора обмоток шагового двигателя.

Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер, который имеется в составе практически любого микроконтроллера. Когда двигатель вращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер постоянное значение периода повторения шагов (длительность шага). Если же двигатель разгоняется или тормозится, этот период меняется с каждым новым шагом. При разгоне или торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должна изменяться линейно, соответственно значение периода, которое необходимо загружать в таймер, должно меняться по гиперболическому закону.

Явление резонанса. Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.

Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Систему ротор — магнитное поле — статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь к так называемой малоамплитудной частоте, которая достаточно просто вычисляется количественно. Эта частота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличению резонансной частоты.

Необходимо заметить, что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя плюс момент инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая иногда приводится среди параметров, имеет невысокую практическую ценность, так как любая нагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту.

На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Момент на частоте резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговый двигатель не может при разгоне пройти резонансную частоту. В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода.

В системах с низким демпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когда двигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках частоты основного резонанса.

Когда используется не микрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистое вращение ротора. При осуществлении шага ротору толчком сообщается некоторая энергия. Этот толчок возбуждает колебания. Энергия, которая сообщается ротору в полушаговом режиме, составляет около 30 % от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом режиме амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговом режиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге сообщается всего около 0.1 % от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически незаметно.

Для борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Например, применение эластичных материалов при выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Эластичный материал способствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к затуханию паразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения. Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненного вязкой кремнийорганической смазкой, может вращаться металлический диск. При вращении этой системы с ускорением диск испытывает вязкое трение, что эффективно демпфирует систему.

Существуют электрические методы борьбы с резонансом. Колеблющийся ротор приводит к возникновению в обмотках статора ЭДС. Если закоротить обмотки, которые на данном шаге не используются, это приведет к подавлению резонанса.

И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. Если резонансная частота точно известна, то ее можно проходить, меняя режим работы. Если это возможно, при старте и остановке нужно использовать частоты выше резонансной. Увеличение момента инерции системы ротор-нагрузка уменьшает резонансную частоту. Однако самой эффективной мерой для борьбы с резонансом является применение микрошагового режима.

ПИТАНИЕ ОБМОТОК ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателем всё сложнее. Все коммутации должен выполнять внешний контроллер. В настоящее время примерно в 95 % случаев для управления шаговыми двигателями используются микроконтроллеры. В простейшем случае для управления шаговым двигателем в полношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза опережает. Скорость определяется частотой следования импульсов.

В полушаговом режиме всё немного сложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако, это вызовет большую загрузку управляющего микропроцессора контроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют сигнал тактовой частоты, которая является частотой повторения шагов и статический сигнал, который задает направление вращения. Иногда еще присутствует сигнал включения полушагового режима. Для микросхем драйверов, которые работают в микрошаговом режиме, требуется большее количество сигналов. Распространенным является случай, когда необходимые последовательности сигналов управления фазами формируются с помощью одной микросхемы, а необходимые токи фаз обеспечивает другая микросхема. Хотя в последнее время появляется все больше драйверов, реализующих все функции в одной микросхеме.

Мощность, которая требуется от коммутатора, зависит от размеров двигателя и составляет доли ватта для маленьких двигателей и до 10–20 ватт для больших двигателей. Максимальный уровень рассеиваемой мощности ограничен нагревом двигателя. Рабочая температура ШД обычно указывается производителем, но общепринято, что нормальной является температура корпуса 90 градусов. Поэтому при конструировании устройств с шаговыми двигателями, непрерывно работающими на максимальном токе, необходимо принимать меры, исключающие касание корпуса двигателя обслуживающим персоналом. В отдельных случаях возможно применение охлаждающего радиатора. Иногда это позволяет применить двигатель меньших размеров и добиться лучшего отношения мощность/стоимость.

Для данного размера шагового двигателя место, занимаемое обмотками, ограничено. Поэтому очень важно сконструировать коммутатор так, чтобы для заданных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.

Схема коммутатора должна выполнять три главных задачи: иметь возможность включать и выключать ток в обмотках, а также менять его направление; поддерживать заданное значение тока; обеспечивать как можно более быстрое нарастание и спад тока для хороших скоростных характеристик

Способы изменения направления тока в обмотках. При работе шагового двигателя требуется изменение направления магнитного поля независимо для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля может быть выполнено разными способами. В униполярных двигателях обмотки имеют отвод от середины или имеются две отдельные обмотки для каждой фазы. Направление магнитного поля меняется путем переключения половинок обмоток или целых обмоток. В этом случае требуются только два простых ключа А и В для каждой фазы (рис. 16).

Рис. 16. Питание обмотки униполярного двигателя

В биполярных двигателях направление тока меняется путем переполюсовки выводов обмоток. Для такой переполюсовки требуется полный Н-мост (рис. 17). Управление ключами в том и другом случае должно осуществляться логической схемой, реализующей нужный алгоритм работы. Предполагается, что источник питания схем имеет номинальное для обмоток двигателя напряжение. Это простейший способ управления током обмоток биполярного двигателя.

Рис. 17. Питание обмотки биполярного двигателя

Нужно отметить, что при раздельном управлении транзисторами моста возможны ситуации, когда источник питания закорочен ключами. Поэтому логическая схема управления должна быть построена таким образом, чтобы исключить эту ситуацию даже в случае сбоев управляющего контроллера.

Обмотки двигателя представляют собой индуктивность. При подключении обмотки к источнику питания ток будет с некоторой скоростью нарастать, а при отключении обмотки произойдет выброс напряжения, обусловленного ЭДС самоиндукции. Этот выброс способен повредить ключи, в качестве которых используются биполярные или полевые транзисторы. Для ограничения этого выброса устанавливают специальные защитные цепочки. На схемах рис. 16 и 17 эти цепочки образованы диодами, значительно реже применяют конденсаторы или их комбинацию с диодами. Применение конденсаторов может привести к появлению электрического резонанса, что иногда приводит к увеличению момента на некоторой скорости.

На рис. 16 потребовалось 4 диода по той причине, что половинки обмоток униполярного двигателя расположены на общем сердечнике и магнитно связаны между собой. Они работают как автотрансформатор и выбросы возникают на выводах обеих обмоток. Если в качестве ключей применены МОП-транзисторы, то достаточно только двух внешних диодов, так как у них внутри уже имеются диоды (включенные параллельно каналу сток-исток). В интегральных микросхемах, содержащих мощные выходные каскады с открытым коллектором или открытым стоком, также часто имеются такие диоды.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Структурная схема лабораторной установки приведена на рис. 18. Установка состоит из контроллера, управляемого с помощью интерфейса Centronics IBM-совместимого компьютера, и шагового двигателя M1 типа ШДА-1. Используемый ШД является униполярным, с двумя парами обмоток, соединенных одними из выводов попарно. Два таких "общих" вывода соединены вместе и подключены к источнику питания напряжением +U. Оставшиеся четыре вывода обмоток, обозначенных как Ф1-Ф4, подключены к контроллеру.

Рис. 18. Структурная схема лабораторной установки

Контроллер выполнен на двух печатных платах, соединенных вместе плоским кабелем. Первая из них содержит блок управления, вторая — блок ключей, коммутирующих обмотки двигателя и индикаторы. Принципиальные схемы указанных блоков приведены на рис. 19 и рис. 20 соответственно.

Рассмотрим устройство блока управления. На микросхеме DA1 выполнен стабилизатор напряжения, обеспечивающий питание микросхем DD1-DD5 стабилизированным напряжением +5 В. Диод VD1 служит для защиты схемы от выхода из строя при подключении источника питания неправильной полярности. Конденсаторы С1-С3 необходимы для фильтрации напряжения источника питания и для защиты от проникновения помех по цепям питания в схему блока управления.

Тактовый генератор служит источником импульсов для реверсивного счетчика и выполнен по стандартной схеме мультивибратора на двух инверторах DD1.1 и DD1.2. Элемент DD1.3 является буферным. К его выходу подключен индикаторный светодиод HL1 "Такт", который используется для визуального наблюдения за частотой импульсов тактового генератора. Импульсы с выхода тактового генератора также поступают на один из входов "+1" или "-1" реверсивного счетчика на микросхеме DD2. Выбор входа осуществляется перестановкой положения перемычки S1 "Направление", расположенной на плате блока управления. От положения этой перемычки зависит направление вращения ШД в автономном режиме работы установки.

На микросхемах DD2-DD4 выполнен реверсивный счетчик-дешифратор. DD2 представляет собой четырехразрядный реверсивный двоичный счетчик со входами предварительной записи. Данные входы в приведенной схеме не используются. Слово на выходах счетчика инкрементируется или декрементируется по фронту импульса, пришедшего на вход "+1" или "-1". При этом на другом входе должен быть зафиксирован уровень лог. 1. Начальное состояние счетчика не имеет значения, поэтому вход начальной установки R не используется.

Двоичный код с двух младших разрядов счетчика подается на входы микросхемы DD3. Эта микросхема является сдвоенным дешифратором-демультиплексором, преобразующим входной двоичный код в выходной десятичный. Используется только один из встроенных в нее дешифраторов (нижний на схеме). На входы разрешения этого дешифратора Е и С2 постоянно подается активный уровень лог. 0.

Выходы микросхемы DD3 — инверсные. Сигнал с этих выходов следует на входы преобразователя кодов, выполненного на микросхеме DD4, содержащей четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ. Такая схема преобразователя позволила организовать требуемые для обеспечения работы ШД в полношаговом двухфазном режиме последовательности импульсов.

Мультиплексор построен с использованием микросхемы сдвоенного шинного усилителя-формирователя DD5. Назначение мультиплексора — переключение потоков данных с выхода преобразователя (в автономном режиме работы, входы А на рис. 18) и интерфейса Centronics (в режиме управления от компьютера, входы В, рис. 18).

Выходы обоих усилителей-формирователей В0-В3 объединены вместе и подключены ко входам ключей, управляющих обмотками ШД. Выходы могут быть переведены в отключенное Z-состояние путем подачи сигнала с уровнем лог. 1 на вход разрешения Е0 каждого формирователя. Входы Е0 DD5.1 и DD5.2 объединены через инвертор DD1.4. На вход этого инвертора (и, соответственно, на вход Е0 DD5.2) подключена линия данных D4 интерфейса Centronics. Подача уровня лог. 0 на эту линию приводит к отключению схем блока управления от ключей ШД и подключению к этим ключам линий D0-D3 интерфейса Centronics.

Принципиальная схема блока ключей приведена на рис. 20. Блок состоит из четырех одинаковых ключей, выполненных на транзисторах VT1-VT4. Используются мощные составные транзисторы КТ8131А, что позволило обойтись без использования дополнительных каскадов усиления управляющих сигналов.

Обмотки ШД M1 включены в цепь коллектора каждого из транзисторов ключей. Для защиты от выбросов ЭДС самоиндукции обмотки шунтируются обратносмещенными импульсными диодами VD1-VD4, обеспечивающими шунтирование ЭДС самоиндукции, возникающей в моменты размыкания ключа. Параллельно этим диодам включены индикаторные светодиоды HL1-HL4, позволяющие контролировать наличие напряжения на обмотках Ф1-Ф4 шагового двигателя.

Рис. 19. Принципиальная схема блока управления

Рис. 20. Принципиальная схема блока ключей

Для включения контроллера необходимо:

— подключить источник питания установки напряжением 15–24 В к гнездам "+" и на плате блока управления соблюдая полярность;

— подключить кабель интерфейса Centronics к LPT-порту персонального компьютера;

— подключить шаговый двигатель к разъему на плате блока ключей;

— включить источник питания установки;

— включить питание компьютера.

ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ

1. Изучите теоретический материал, посвященный шаговым двигателям, и ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце работы.

2. Изучите устройство и принципы программирования параллельного порта Centronics (см. Приложение). Ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце Приложения.

3. Изучите описание лабораторной установки, ее электрическую схему.

4. Включите лабораторную установку, переведя ее в автономный режим работы (D4 = 1, кабель интерфейса не подключен к адаптеру LPT-порта компьютера).

Напряжение питания установки +15 В. С помощью двухлучевого осциллографа исследуйте используемый в автономном режиме способ формирования импульсов на обмотках ШД. На основании изученного теоретического материала охарактеризуйте этот способ. Определите число шагов ШД, требуемое для поворота вала на 360 градусов.

5. Подключите установку к параллельному порту Centronics персонального компьютера. Используя компилятор языка Паскаль напишите программу, реализующую постоянное вращение ШД в полношаговом однофазном режиме со скоростью 5 шагов в секунду по часовой стрелке без разгона.

6. Выполните задание 5, реализуя вращение вала двигателя на заданное пользователем количество шагов в полношаговом двухфазном режиме против часовой стрелки.

7. Напишите программу, выполняющую вращение вала двигателя в полушаговом режиме против часовой стрелки на 100 шагов и затем на 200 шагов в обратном направлении со скоростью 30 шагов в секунду.

8. Напишите универсальную подпрограмму, выполняющую поворот вала ШД на заданное количество шагов с плавным разгоном до заданной скорости в полушаговом режиме, считая, что частота приемистости используемого двигателя равна 50 Гц. Параметры вращения (количество шагов, скорость, направление) задаются в виде параметров подпрограммы.

9. Плавно увеличивая скорость вращения вала ненагруженного и нагруженного ШД, определите резонансные скорости ШД, на которых работа носит неустойчивый характер.

10. Постройте зависимость максимальной скорости вращения (в шагах в секунду) ненагруженного и нагруженного ШД от напряжения источника питания (в пределах 15–24 В). Объясните полученную зависимость.

СПИСОК КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

_{СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:}

_{1. Ридико Л. Раз-шажок, два-шажок // Схемотехника.- 2001.-№ 7-10.}

_{2. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1985.}

_{3. Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. М.: Энергия,1971.}

_{4. Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики./Под ред. Ю.А.Сабинина. Л.: Политехника, 1994.}

Автоматизированный оптический спектрометр

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить принципы построения, программирования и отладки автоматизированных систем сбора и обработки аналого-цифровой информации на основе оптического спектрометра.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Макет оптического спектрометра (источник света, держатель образца, монохроматор с шаговым двигателем, фокусирующая оптика, фотодетектор с усилителем), макет устройства управления шаговым двигателем, макет АЦП, макет коммутатора портов (демультиплексора), три регулируемых источника питания 0-30 В, мультиметр, двухлучевой осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода, светофильтры-образцы с известными и неизвестными спектрами оптического поглощения.

Рис. 1. Структурная схема макета одноканального оптического спектрометра

Рис. 2. Принципиальная схема макета демультиплексора портов

_{СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:}

_{Ридико Л. Раз-шажок, два-шажок // Схемотехника.- 2001.-№ 7-10.}

_{Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1985.}

_{Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. М. Энергия,1971.}

_{Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики./Под ред. Ю.А.Сабинина. Л.: Политехника, 1994.}

Интерфейс Centronics и его программирование

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС CENTRONICS

Исторически параллельный интерфейс был введен в персональный компьютер (ПК) для подключения принтера (отсюда и аббревиатура LPT — Line Printer — построчный принтер). Однако впоследствии параллельный интерфейс стал использоваться для подключения других периферийных устройств (ПУ). Базовая разновидность порта позволяет передавать данные только в одном направлении (от ПК к ПУ), однако позднее был разработан ряд стандартов двунаправленной передачи данных.

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в адресном пространстве устройств ввода/вывода. Количество регистров зависит от типа порта, однако, три из них стандартны и присутствуют всегда. Это регистр данных, регистр состояния и регистр управления. Адреса регистров отсчитываются от базового, стандартные значения которого 3BCh, 378h, 278h.

Порт может использовать аппаратное прерывание (IRQ7 или IRQ9). Многие современные системы позволяют изменять режим работы порта, его адрес и IRQ из настроек базовой системы ввода-вывода (Base Input Output System — BIOS) Setup.

LPT порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-х битную шину управляющих сигналов. Очевидно, что порт асимметричен — 12 линий работают на вывод и только 5 на ввод.

При начальной загрузке BIOS пытается обнаружить параллельный порт, причем делает это примитивным и не всегда корректным образом — по возможным базовым адресам портов передается тестовый байт, состоящий из чередующегося набора нулей и единиц (55h или AAh), затем производится чтение по тому же адресу, и если прочитанный байт совпал с записанным, то считается, что по данному адресу найден LPT порт. Определить адрес порта LPT4 BIOS не может. Для работы с ПУ в BIOS предусмотрено прерывание INT 17h, предоставляющее возможность передавать данные (побайтно), инициализировать ПУ и получать информацию о его состоянии.

Понятие Centronics относится к набору сигналов, протоколу обмена и 36-контактному разъему, устанавливаемому в принтерах. Большинство современных принтеров совместимы с интерфейсом Centronics. Назначение сигналов и контакты разъема ПУ, на который они выведены приведены в таблице 1.

_{Примечание: столбец "Т" — активный уровень сигнала: "1" — высокий активный уровень, "0" — низкий активный уровень. Столбец "Напр." — направление передачи по отношению к принтеру: I — Input (вход), О — Output (выход).}

Сигнал Auto LF практически не применяется, но его неправильное значение приводит к тому, что принтер либо делает пропуски строк, либо печатает строки поверх друг друга, либо дублирует строки при печати в два прохода.

Отечественным аналогом интерфейса Centronics является ИРПР-М. Кроме него существует интерфейс ИРПР (устаревший), который отличается протоколом обмена, отсутствием сигнала "Error" и инверсией линий данных. Кроме того, ко всем входным линиям ИРПР подключены пары согласующих резисторов: 220 Ом к +5 В и 330 Ом к общему проводу. Это перегружает большинство интерфейсных адаптеров современных ПК.

Рис. 1. Протокол обмена данными по интерфейсу Centronics

Протокол обмена данными по интерфейсу Centronics приведен на рис. 1. Передача начинается с проверки источником сигнала ERROR. Если он установлен, то обмен не производится. Затем проверяется состояние сигнала BUSY. Если он равен "0", то источник приступает к передаче байта данных. Для передачи байта источник выставляет на линии D0-D7 байт данных и выдает сигнал STROBE#. Приемник по сигналу STROBE# (здесь и далее по тексту значок "#" после названия сигнала является признаком того, что сигнал имеет низкий активный уровень) читает данные с шины данных и выставляет сигнал Busy на время его обработки. По окончании обработки приемник выдает сигнал ACK# и снимает сигнал BUSY. Если в течение длительного времени (6-12 сек) источник не получает АСК#, то он принимает решение о ошибке "тайм-аут" (time-out) устройства. Если после приема байта приемник по какой-либо причине не готов принимать данные, то он не снимает сигнал BUSY. При программной реализации обмена по указанному протоколу желательно ограничить время ожидания снятия BUSY (обычно 30–45 сек), иначе возможно зависание программы.

Стандартный параллельный порт называется SPP (Standard Parallel Port). SPP порт является однонаправленным, на его базе программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт обеспечивает возможность генерации IRQ по импульсу ACK# на входе. Сигналы порта выводятся на стандартный разъем DB-25S (розетка), который размещен непосредственно на плате адаптера или соединяется с ним плоским шлейфом (в случае, если адаптер интегрирован с материнской платой).

Названия сигналов соответствуют названиям сигналов интерфейса Centronics (таблица 2), а изображение разъема интерфейсного адаптера со стороны компьютера приведено на рис. 2.

_{Примечание. I/O — направление передачи: I — вход; О — выход; 0(1) — выход, состояние которого может быть считано при определенных условиях, 0/1 — выходные линии, состояние которых читается при чтении из соответствующих регистров порта. * — Вход ACK# соединен с питанием +5 В через резистор 10 кОм. Это сделано для исключения ложных прерываний, т. к. прерывание генерируется по отрицательному перепаду сигнала на входе ACK#.}

Рис. 2. Разъем интерфейсного адаптера Cetronics DB-25S

В качестве недостатков стандартного LPT порта (SPP) следует отметить невысокую скорость передачи данных (100–150 кВ/сек), загрузку процессора при передаче данных, невозможность двунаправленного побайтного обмена. Существует "радиолюбительская" методика двунаправленного обмена, которая состоит в том, что для ввода данных на линии D0-D7 выставляют "1", а в качестве передатчика используют микросхемы с открытым коллектором, которые при открытом транзисторе могут "подсаживать" напряжение логической единицы до уровня порядка 1.5–1.7 В. Ток ограничен на уровне 30 мА. Как очевидно из уровней сигналов, они не соответствуют уровням ТТЛ, поэтому многие порты не работают в таком режиме или работают нестабильно. Кроме того, такой способ может быть опасен для адаптера порта, который будет работать с предельными для него токами.

Стандарт IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет термины SPP, ЕРР и ЕСР. Стандарт определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

— Compatibility Mode — однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному (традиционному) порту SPP;

— Nibble Mode — ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для ввода линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах;

— Byte Mode — ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Туре 1);

— ЕРР (Enhanced Parallel Port) Mode — двунаправленный обмен данными, при котором управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту (чтения или записи в порт). Эффективен при работе с устройствами внешней памяти, адаптерами локальных сетей;

— ЕСР (Extended Capability Port) Mode — двунаправленный обмен с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding), использования FIFO-буферов и DMA. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров.

В современных машинах с LPT-портом на системной плате режим порта — SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация задается в BIOS Setup. Режим Compatibility Mode полностью соответствует SPP и часто установлен по умолчанию. Все остальные режимы расширяют функциональные возможности интерфейса и повышают его производительность. Кроме того, стандарт регламентирует способ согласования режима, доступного как ПК, так и периферийному устройству.

Физический и электрический интерфейс. Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов. IEEE 1284 предусматривает два уровня интерфейсной совместимости: первый уровень — для уст ройств, не требующих высоких скоростей обмена, но использующих возможность смены направления передачи данных; второй уровень — устройства, работающие в расширенных режимах, с высокими скоростями и длинными кабелями. Требования к передатчикам приведены в таблице 3, для приемников — в таблице 4.

Таблица 3. Требования стандарта IEEE 1284 к передатчикам

Таблица 3. Требования стандарта IEEE 1284 к приемникам

_{Примечание: Входные линии соединяются с шиной питания резистором 1.2 кОм.}

Стандарт IEEE 1284 определяет три типа используемых разъемов: A (DB-25S), В (Centronics-36), С (новый малогабаритный 36-контактный разъем). Интерфейсные кабели могут иметь от 18 до 25 проводников (в зависимости от числа проводников GND). Не предъявляется жестких требований к экранировке и прочим параметрам, однако, такие кабели могут работать только на низких скоростях при длине не более 2 метров. Стандарт IEEE 1284 для улучшенных кабелей определяет следующие параметры:

— Все сигнальные проводники должны быть перевиты с отдельными обратными (общими) проводами;

— Каждая пара должна иметь импеданс 62±6 Ом в диапазоне частот 4-16 МГц;

— Уровень перекрестных помех не должен превышать 10 %;

— Кабель должен иметь экран, покрывающий не менее 85 процентов внешней поверхности. На концах кабеля экран должен быть окольцован и соединен с контактом разъема GND.

Кабели, удовлетворяющие этим требованиям, маркируются как "IEEE Std 1284–1994 Compliant". Они могут иметь длину до 10 метров.

Работа с параллельным портом на низком уровне (т. е. на уровне прямого обращения к контроллеру порта) применяется при решении различного круга задач по обмену информацией с нестандартными устройствами, для написания драйверов принтеров и ряда других задач. Прямая работа с контроллером позволяет реализовать любой протокол обмена с устройством и использовать линии порта по своему усмотрению.

Контроллер порта расположен в адресном пространстве устройств ввода-вывода и обращение к нему производится посредством команд IN и OUT ассемблера. Или при помощи специальных команд компиляторов программ, написанных на языках высокого уровня. Информацию о портах LPT1 — LPT3 можно получить, прочитав переменные BIOS, приведенные в табл. 5.

BIOS ищет порты по адресам Base: 3BCh, 378h, 278h. Порт LPT4 BIOS найти не может:

— 378h — параллельный адаптер LPT1;

— 278h — параллельный адаптер LPT2;

— 3BCh — параллельный адаптер LPT3;

Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам, начиная с базового (Base) адреса. Перечень данных регистров приведен в табл. 6.

_{Примечание. W-R — доступные операции (W — запись, R — чтение, W/R — запись/чтение).}

Регистр данных (DR). Записанные в этот регистр данные выводятся на выходные линии интерфейса D0-D7. Результат чтения этого регистра зависит от схемотехники адаптера, и соответствуют либо записанным ранее данным, либо сигналам на линиях D0-D7, что не всегда одно и тоже. При стандартном включении справедлив первый вариант — читаемые данные равны ранее записанным.

Регистр состояния (SR). Представляет собой 5-ти битный порт ввода, на который заведены сигналы состояния от внешнего устройства. Допускает только чтение. Назначение битов данного регистра приведены в табл. 7.

Регистр управления (CR). Регистр управления представляет собой 4-х битный порт вывода, допускающий чтение и запись. Биты 0, 1, 3 инвертируются, т. е. "1" в данных битах регистра управления соответствует "0" на соответствующих линиях порта. Назначение битов регистра управления приведены в табл. 8. Бит 5 используется только двунаправленными портами.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕЙСА

Для разработки прикладных программ необходимо выбрать язык программирования. Если требуется несложная, быстрая и компактная программа, которая не содержит сложных вычислительных операций, то для ее написания лучше выбирать язык низкого уровня (язык ассемблера). Язык ассемблера относится к группе машинно-ориентированных языков, т. е. каждому семейству микропроцессоров соответствует свой язык.

Язык высокого уровня следует выбирать, если необходимо производить сложные вычисления, или в случае, если высокое быстродействие программы не требуется. Объектные коды, полученные в результате трансляции программ, написанных на языке высокого уровня, обычно занимают в памяти ЭВМ намного больше места и исполняются медленнее в сравнении с программами на ассемблере. Часто применяется подход, когда критичные к быстродействию части программы пишутся на ассемблере, а вычислительные процедуры — на языке высокого уровня, например, на Паскале или Си.

Рассмотрим работу с регистрами интерфейса CENTRONICS на языке PASCAL или ассемблере:

X — число типа "byte" (0..255). Например, при посылке 170 (dec) = 10101010 (bin) на линии D0-D7 единичный сигнал будет присутствовать на выводах Dl, D3, D5, D7 (обозначение выводов начинается с D0). Число 170 останется на выводах разъёма до тех пор, пока Вы не перешлёте туда же другое число (это может сделать и другая программа) или не выключите компьютер. Заметьте, что адрес порта в команде задан в шестнадцатиричном (hex) виде, а посылка — в десятичном (dec). Если вместо Паскаль-команды

Вы примените

где d — переменная, то переменная примет значение последнего посланного в порт байта или, при переходе в режим приёма, значение байта, поданного на порт внешним устройством.

Пример чтения статус-регистра на языке Pascal:

В переменной d после выполнения программы будет отображено состояние порта. Допустим, переменная вернула значение 126 (dec). В двоичном (bin) виде оно выглядит как 01111110. Младшие (правые) три бита (нулевой, первый и второй) не используются, и почти равны 1, 1 и 0. Третий бит — 1, значит на ERROR высокий уровень. Та же ситуация на SELECT, PAPER END, ACK и BUSY (не забывайте, что сигнал BUSY является инвертированным).

Приведем пример фрагмента программы, которая считывает байт с линий данных D0-D7:

Как видно из приведенных примеров, программирование LPT-порта является весьма простой задачей, что позволяет в значительной степени облегчить работу разработчика программного обеспечения устройств с обсуждаемым интерфейсом.

СПИСОК КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

_{СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:}

_{1. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия — СПб: Питер Ком, 1999.}

_{2. Е.П. Бененсон, И.М. Витенберг, В.В. Мельников и др. Печатающие устройства персональных ЭВМ: Справочник/Под ред. И.М. Витенберга. — М.: Радио и связь, 1992.}

_{3. Р. Браун, Дж. Кайл. Справочник по прерываниям IBM PC: В 2-х томах: Т.1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1994.}

_{4. Данкан Р. Профессиональная работа в MS-DOS: Пер. с англ.-М.: Мир, 1993.}

_{5. В.Н. Пильщиков. Программирование на языке ассемблера IBM PC. — М.: Диалог — МИФИ, 1997.}

_{6. Фролов А.В., Фролов Г.В. Аппаратное обеспечение IBM PC: В 2-х ч.: — М.: Диалог-МИФИ", 1998.}

_{7. Мячев А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники: Справочник, -М.: Радио и связь, 1992.}