Проектирование аппаратной части МПС

Введение.

Поведение транзистора, как и любого другого прибора, в электрической цепи определяется его статическими характеристиками, то есть уравнениями, связывающими входные и выходные токи и напряжения.

Рис.1. Эквивалентная схема транзистора

Наиболее часто применяются зависимости входных и выходных токов и напряжений, выраженные в h - параметрах:

U₁ = h₁₁ I₁ + h₁₂ U₂ ;

I ₂ = h₂₁ I₁+ h₂₂ U₂ ;

h - параметры имеют следующий физический смысл :

1) h₁₁ = U₁ / I₁ , при U₂ = 0 – входное сопротивление при коротком замыкании выходной цепи;

2) h₁₂ = U₁ / U₂ , при I₁ = 0 – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе во входной цепи;

3) h₂₁ = I₂ / I₁ , при U₂ = 0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи;

4) h₂₂ = I₂ / U₂ , при I₁ = 0 – выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи.

Итак, для определения h - параметров необходим режим короткого замыкания в выходной цепи и режим холостого хода во входной. Это достаточно просто осуществляется экспериментально, поскольку указанные режимы близки к режимам работы транзистора в реальных схемах.

Функциональное проектирование

Для определения h - параметров в качестве входных данных для МПС будут выступать входной ток БТ I₁ (для определения h₁₁ и h₂₁) и выходное
напряжение БТ U₂ (для определения h₁₂ и h₂₂). Алгоритм функционирования МПС показан далее на рис.2.

Инициализация

Ввод начальный условий (НУ): I1 и U2

Подача на вход БТ I1, U2 = 0, снятие I2 и U1, вычисление h11 и h21

Подача на вход БТ U2 , I1 = 0, снятие I2 и U1, вычисление h12 и h22

Вывод h - параметров на внешнее устройство

Рис.2. Алгоритм функционирования МПС

Переход от h-параметров схемы с общим эмиттером (ОЭ) к h-параметрам схемы с общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК) можно осуществить по формулам табл.1.

Табл.1. Переход от h-параметров схемы с ОЭ к схемам ОБ или ОК

Структурное проектирование

Для построения МПС необходимо составить перечень необходимых аппаратных средств. Для подачи I₁ на вход транзистора понадобится цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с токовым выходом, а для подачи U₂ на выход транзистора нужен ЦАП, преобразующий цифровой сигнал в напряжение. Для измерения выходного тока I₂ понадобится аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с токовым входом, а для измерения входного напряжения U₁ нужен АЦП с входом по напряжению. Для хранения управляющей программы микропроцессора (МП) понадобится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), для хранения промежуточных результатов понадобится оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), реализующее функции оперативной памяти.

Рис.3. Общая блок-схема МПС

Проектирование аппаратной части МПС

Подбор необходимых компонентов буду вести с помощью каталога [2], в котором представлена продукция более 500 ведущих мировых производителей компонентов и комплектующих, приборов и инструмента для разработки, производства, сервиса современной электронной техники.

Так как особенные требования к МПС отсутствуют, то выбираем следующие компоненты:

1) В качестве АЦП1, измеряющего выходной ток БТ, выбираем микросхему ADC0820, преобразующую напряжение в цифровой 8 битный сигнал. Диапазон измеряемых напряжений U = 0 ÷ 10 В, шаг квантования 40 мВ. Для снятия тока микросхема будет снимать напряжение с резистора номиналом
1 Ом, включенного в цепь коллектора БТ. Напряжение на резисторе, прямопропорциональное току, будет мало, следовательно понадобится дополнительное усиление сигнала. Используем усилитель напряжения с коэффициентом усиления 10 на микросхеме ADA4899-1 компании Analog devices с соответствующей обвязкой резисторами R2, R3.

2) В качестве АЦП2, измеряющего входное напряжение на клеммах БТ, выбираем аналогично микросхему ADC0820, преобразующую входное напряжение БТ в цифровой 8 битный сигнал. Диапазон измеряемых напряжений U_вх= 0 ÷ 10 В, шаг квантования 40 мВ. Для обеспечения бесконечного входного сопротивления перед входом микросхемы АЦП поставим повторитель напряжения. В качестве повторителя используем операционный усилитель, предназначенный специально для использования в качестве повторителя, обладающий улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), LM310 компании National Semiconductor Corporation.

На рис.4 можно увидеть график функции перехода от напряжений к двоичному 8-миразрядному коду для микросхемы ADC0820,
где FS=10В – опорное напряжение, 1LSB = 40 мВ – шаг квантования,
V_IN = 0 ÷ 256LSB – входное напряжение, выраженное в шагах квантования (LSB).

Рис.4. График функции перехода от напряжения к двоичному коду

3) В качестве ЦАП1, подающего ток на вход БТ, выбираем микросхему DAC0830, преобразующую цифровой 8 битный сигнал в ток (микросхема имеет токовый выход). Диапазон токов I_вх= 0 ÷ 10 мА, шаг квантования 0,04 мА. При необходимости можно увеличить диапазон токов и шаг квантования соответственно. Микросхема совместима с МП 8080, 8048, 8085, Z80 и др. популярными микропроцессорами.

4) В качестве ЦАП2, подающего напряжение на выход БТ, выбираем микросхему AD7302, преобразующую цифровой 8 битный сигнал в напряжение. Диапазон выходных напряжений U_вых= 0 ÷ 10 В, шаг квантования 40 мВ. Микросхема совместима с МП 8080, 8048, 8085, Z80 и др. популярными микропроцессорами. Для обеспечения нулевого выходного сопротивления микросхемы ЦАП поставим после неё повторитель напряжения на микросхеме LM310, после которого напряжение с ЦАП будет подаваться на выход транзистора.

5) В качестве ОЗУ, где после вычислений будут храниться значения
h-параметров и значения входных/выходных токов и напряжений, выберем микросхему IDT71256SA - CMOS STATIC RAM 256K (32K x 8-bit) – статическое ОЗУ, емкостью 32000 x 8-бит. Емкость памяти более чем достаточна, даже избыточна, но выбор сделан в связи с стоимостью - микросхемы с меньшим объемом памяти (4 Кбит, 64 Кбит) стоят в 5-6 раз дороже.

6) В качестве ПЗУ используем микросхему M27C256B - EPROM 256K
(32K x 8-bit) - перепрограммируемое ПЗУ. Микросхема выбрана, как и микросхема оперативной памяти, из соображений минимальной стоимости.

7) Выбран МП Z84C0010– производитель Zilog, семейство Z80C. Это 8 битный микропроцессор на КМОП технологии, за счет чего обладает высокой нагрузочной способностью, высоким быстродействием.

8) В качестве тактового генератора для МП использован кварцевый генератор IQXO-350C на 10 МГц фирмы IQD.

9) В качестве устройств ввода/вывода (УВВ) используем 3 порта параллельного ввода/вывода PIO Z84C2010, семейства Z80C, совместимые с выбранным микропроцессором. Выходы которых подсоединяются к периферийным устройствам (клавиатуры, светодиодные индикаторы и др.)

10) Выборку кристалла будем производить с помощью дешифратора 4x16 на микросхеме 74154.

Принципиальная электрическая схема МПС показана на рис.5.

Программирование

Адресное пространство

С помощью выборки кристалла на основе дешифратора DD3 формируется адресное пространство - см. табл.2, в которой так же указаны адреса промежуточных и конечных результатов:

Табл.2. Адресное пространство

Устройства	Адрес, диапазон адресов (HEX)
ячейки ПЗУ	0000-0FFF
ячейки ОЗУ	1000-1FFF
ЦАП1
ЦАП2
АЦП1
АЦП2
PIO1 канал A / B
PIO2 канал C / D
PIO3 канал E / F
Переменные
Входной ток I1
Выходное напряжение U2
h11
h12
h21
h22
Регистр управляющего слова (РУС)