данных, то режим чтения (RD) "жестко" избран неактивным, посред-
ством подключения этого вывода, через токоограничивающий резистор
R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности микросхемы (CS) -
активным, подключением его к общему проводу, так как это един-
ственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес одного
из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт программирования режима
ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А) избирается не-
посредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение команд про-
изводится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала +5В к ну-
левому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Временная диаграмма вывода данных в один из избранных портов
микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а [3]. Микро-
схема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из которых нам
подходил только нулевой режим, при котором однонаправленный вывод
производится через любой из портов без каких либо сигналов сопро-
вождения (без квитирования) и выходная информация защелкивается в
выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на выходе это-
го порта до следующего изменения.
__ t
WR +5В
0В
__ +5В
CS
0В
+5В
D
0В
+5В
A0,A1
0В
+5В
А,В,С,CW
0В
Рис. 1а. Временная диаграмма вывода данных через порт
А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А
На этой диаграмме черточкой сверху обозначены сигналы, актив-
ные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов означает,
что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены сдесь. Вре-
мя t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не менее 2-х
микросекунд, точное время между остальными сигналами не имеет ника-
кого значения - важна лишь их точная последовательность.
БЛОК ПИТАНИЯ
В настоящей работе мы стремились к максимальному использованию
известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок, доступных нам
через открытые литературные источники. Так например, электрическая
принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована
нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы бытового теле-
визионного приемника [6], включая также и простое заимствование бло-
ка питания из списанного накопителя на пятидюймовых гибких магнитных
дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно мощного и на-
дежного, принципиальная электрическая схема которого представлена на
рис. 2.
В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель и
предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку трансформа-
тора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого трансфор-
матора набираются выходные напряжения переменного тока в 19 и 7
Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных из кремни-
евых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем выпрямленные
постоянные напряжения со значительными пульсациями, для подавления
которых в цепь параллельно мостам диодов включены электролитические
емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В момент времени
когда с выхода диодного моста напряжение возрастает емкости заряжа-
ются, а когда напряжение начинает снижаться стекание заряда с обкла-
док электролитического конденсатора сглаживает проявление этих пуль-
саций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах R1, R2 (1 Ом),
емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ), микро-
схемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8 (200 маФ).
Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема D1 (D2)
управляет током, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тем
самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора VT1 (VT2)
и поддерживая на его выходе стабильное значение требуемого для наг-
рузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт. Наличие мощных
транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения больших то-
ков, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках [7] при
запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее оптимально под-
ходит и для аналитических весов, в которых также наблюдается крат-
ковременные всплески потребления больших токов протекающих через
катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового преобразова-
теля.
Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных пульсаций
нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра высокочастот-
ных помех.
Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока от перегру-
зок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках трансформа-
тора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в питаемых через
них схемах.
ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Наиболее оптимальным было бы использование в качестве цифро-
аналогового преобразователя спецализированной микросхемы, что су-
щественно упростило бы электрическую принципиальную схему аналити-
ческих весов и избавило нас от проблемы решения множества проблем,
связанных с этим преобразованием. Например, микросхемы К572ПА1,
К594ПА1 [2] советского производства или импортного производства:
DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola),
HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и AD-7520 (Analog
Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535, MX7536, MX7538
(Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют разрешение с
точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для обеспе-
чения аналитической точности взвешивания в диапазоне 0...200 грамм.
Для обеспечения указанных требований мы должны разработать
принципиальную электричестую схему 21-го разрядного цифроаналого-
вого преобразователя.
Существует два наиболее широко распространенных метода циф-
роаналогового преобразования: с использованием взвешенных резист-
ров и многозвенной цепочки резистров [8].
На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема
цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными резистора-
ми, которая состоит из n ключей, по одному на каждый разряд, уп-
равляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных резисто-
ров; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего операцион-
ного усилителя, на выходе которого получается аналоговый сигнал,
пропорциональный цифровому коду на входе.
В идеальной ситуации ток, на входе операционного усилите-
ля будет равен
An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп
I = __________ + __________ + . . . + ________ + ________ .
R R R R
В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового преоб-
разователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов должен
будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576 Ом. У нас
не было возможности точного подбора такого широкого ряда резис-
торов тем более, что они должны быть все изготовленны по одной
технологии, в связи с чем этот метод построения цифроаналогово
преобразователя - неприемлем.
На рис. 4 представлена принципиальная электрическая схема
цифроаналогового преобразователя с многозвенной цепочкой резис-
торов. В этой схеме использование цепочки резисторов R-2R, при-
водит к тому, что вклад каждого разряда в выходной сигнал про-
порционален его двоичному весу.
Поскольку эта цепочка резисторов является линейной цепью,
то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, то есть
вклад в выходное напряжение от каждого источника рассматривать
независимо от других источников. Окончательно все вклады от каж-
дого разряда суммируются для получения на выходе результата в
виде напряжения Uвых [8].
Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преоб-
разователя пропорционально сумме напряжений со своими весами,
обусловленных лишь теми ключами, которые подключены к источнику
Uоп.
Для нашего 21-разрядного цифроаналогового преобразователя
простое механическое копирование этой схемы невозможно, так как
самые лучшие чипы операционных усилителей LM101A, LF156A или
LM118 не способны обеспечить требуемого разрешения - их предел
14-ть разрядов и 8...12 разрядов - для микросхем операционных
усилителей советского производства (К153УД2, К140УД18 и других).
Можно было бы разработать двухплечевую схему с использованием
на выходе одного из плеч делителя напряжения, но такой подход
приведет к множеству проблем, связанных с обеспечением идентич-
ности плеч и тому подобных. Поэтому мы решили удалить из схемы
приведенной на рис. 4 операционный усилитель, заменив предшест-
вующий ему резистор 2R, многозвенной цепи, катушкой устройства
взвешивания.
Тогда для обеспечения изменения тока на выходе цифроана-
логового преобразования достаточно больших номиналов тока, до
3,5 А, мы должны подобрать пары 2R/R с таким расчетом, чтобы ве-
личина R составляла значение немного большее 1 Ома, при этом ре-
зисторы 2R должны иметь коэффициент деления как можно ближе к
двум, особенно в старших значащих разрядах. Кроме этого, резис-
торы должны быть мощными МЛТ-1 или МЛТ-2, чтобы избежать их вы-
горания при прохождении больших токов.
Подбор номиналов резисторов мы производили с использовани-
ем цифрового измерителя L, C, R Е7-8 из нескольких тысяч резис-
торов, номинала 1,4 и 2,7 Ом, во всех организациях города, в
которых нам удалось их найти: АО ССГПО (6 подразделений), Руд-
ненский индустриальный институт, Рудненский политехнический кол-
ледж и других. Тип и номиналы этих резисторов определяли их ред-
кое использование и поэтому по причине их отсутствия или дефицит-
ности нам не отказали ни в одной из упомянутых организаций.
После продолжительной и утомительной работы нам удалось по-
добрать многозвенную 21-разрядную цепочку сопротивлений, значения
сопротивлений которых сведены в табл. 1.
Таблица 1
Подобранные номиналы резисторов многозвенной цепочки
цифроаналогового преобразователя
Разряд Номиналы резисторов Коэффициент Средние зна-
NN цепи, Ом делимости чения, Ом
20 2,246 1,123 2,000