تكييف الإشارة الرقمية وقطار النبض

“يعد الاتصال باستخدام الإشارات الرقمية أكثر أشكال الاتصال شيوعًا بين أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الطرفية والأدوات والأجهزة الإلكترونية الأخرى ، حيث يعد هذا عنصرًا أساسيًا في كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر. يجب تحويل أي إشارة إلى إشارة رقمية قبل إدخالها في الكمبيوتر ومعالجتها.

“

واجهة الإدخال والإخراج الرقمية

الإشارات الرقمية

يعد الاتصال باستخدام الإشارات الرقمية أكثر أشكال الاتصال شيوعًا بين أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الطرفية والأدوات والأجهزة الإلكترونية الأخرى ، حيث يعد هذا عنصرًا أساسيًا في كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر. يجب تحويل أي إشارة إلى إشارة رقمية قبل إدخالها في الكمبيوتر ومعالجتها.

عندما تتدفق إشارة رقمية إلى النظام أو خارجه ، إما إشارة واحدة أو سلسلة من النبضات ، يمكن أن تمر فقط عبر منفذ واحد ، أو يمكن أن تمر عبر منافذ متوازية متعددة. يمثل كل خط إشارة على المنفذ المتوازي قليلاً في الشخصية. غالبًا ما يستخدم خط إشارة الإخراج الرقمي للكمبيوتر للتحكم في المرحل للتحكم بشكل غير مباشر في تبديل المعدات الأخرى. وبالمثل ، يمكن أن يمثل خط إشارة الإدخال الرقمي إحدى حالتين لجهاز استشعار أو مفتاح ، بينما يمكن أن يشير قطار النبضات إلى الوضع الحالي أو السرعة اللحظية للجهاز. قد تأتي إشارات الإدخال من المرحلات أو أجهزة الحالة الصلبة الأخرى.

التيار العالي ، الجهد العالي الرقمي IO

باستخدام المرحلات ، يمكنك التحكم في الفولتية أو التيارات التي تتجاوز ما يمكن للكمبيوتر التعامل معه داخليًا ، ولكن السرعة التي تستجيب بها الإشارة أو الحالة تكون محدودة بسبب استجابة التردد للملف وحركة جهات الاتصال. في الوقت نفسه ، عندما يتم تبديل الحمل الاستقرائي من مغلق إلى مفتوح ، يجب قمع القوة الدافعة الذاتية الحثية العكسية عند كلا الطرفين ، ويمكن توصيل الصمام الثنائي الحر بشكل عكسي عند طرفي الحمل لتوفير مسار لـ تيار النبض لإطلاق الطاقة. بدون هذا الصمام الثنائي ، فإن الانحناء عبر التتابع سيقصر من عمره (انظر الشكل 11.01).

غالبًا ما تُستخدم أجهزة TTL و CMOS للتفاعل مع إشارات الجهد المنخفض عالية السرعة ، مثل إشارات خرج السرعة أو مستشعرات الموضع. ولكن في التطبيقات التي تتطلب جهاز كمبيوتر لتنشيط ملفات الترحيل ، قد لا تتمكن أجهزة TTL أو CMOS من تلبية متطلبات الجهد والتيار. لذلك ، من الضروري توصيل مخزن مؤقت من المستوى الأول بين إشارة TTL والمرحل لتوفير قدرة قيادة تبلغ 30 فولت و 100 مللي أمبير.

مثال على مثل هذا النظام هو لوحة لأداة IO رقمية مع وحدة تضخيم / توهين على متن الطائرة تتكون من ترانزستور PNP ، وديود حر ، ومقاوم (انظر الشكل 11.02). من أجل التحكم في مرحل قياسي 24 فولت ، يجب إدخال مصدر طاقة 24 فولت من الخارج. عندما يخرج TTL الداخلي مستوى مرتفعًا ، يتم تشغيل الترانزستور ويخرج مستوى منخفض (حوالي 0.7 فولت) ؛ عندما يخرج TTL مستوى منخفض ، يدخل الترانزستور منطقة القطع ويتم سحب الإخراج إلى 24 فولت. نظرًا لأن ملف الترحيل عبارة عن حمل استقرائي ، يجب توصيل الصمام الثنائي الحر في الاتجاه المعاكس لحماية المرحل عند تبديل المفتاح.

يوضح الشكل 11.03 دائرة تنحي لمدخل رقمي عالي الجهد. هذا يسمح لدارات TTL بمعالجة الفولتية حتى 48 فولت. يتم توصيل إشارة الجهد العالي بدائرة مقسم المقاوم ليتم تخفيفها. اختر المقاوم R بقيمة مقاومة مناسبة للتعامل مع إشارات الجهد العالي بدرجات مختلفة. يقدم الجدول في الشكل 11.04 بعض السيناريوهات الشائعة.

المدخلات الرقمية

تمتلك أجهزة الكمبيوتر مجموعة متنوعة من الطرق لمعالجة المدخلات الرقمية ، سواء كانت صعبة أو سهلة. يناقش هذا الفصل بإيجاز مشغل البرامج ، قراءة أحادية البايت ، التحكم في سرعة الأجهزة ، الإدخال الرقمي ، المشغل الخارجي ، الإدخال الرقمي.

القراءة غير المتزامنة للمدخلات الرقمية

عندما يقوم الكمبيوتر بشكل دوري بأخذ عينات من المسامير الرقمية ، فإنه يحتاج إلى استخدام طريقة القراءة غير المتزامنة التي يطلقها البرنامج. في بعض الأحيان ، تكون سرعة قراءة المدخلات الرقمية وتوقيتها أمرًا بالغ الأهمية ، ولكن مع عمليات القراءة أحادية البايت التي يتم تشغيلها بواسطة البرامج ، يصعب الحفاظ على استقرار الفاصل الزمني للقراءة ، خاصةً عندما يعمل التطبيق في ظل نظام تشغيل متعدد المهام ، مثل التشغيل على جهاز الكمبيوتر. والسبب هو أن الفاصل الزمني للقراءة يتأثر بسرعة الكمبيوتر والمهام المتزامنة الأخرى. يمكن تعويض عدم استقرار الفاصل الزمني للقراءة بواسطة مؤقت البرنامج ، ولكن يصعب ضمان دقة الوقت التي تقل عن 10 مللي ثانية على جهاز الكمبيوتر.

القراءة المتزامنة للمدخلات الرقمية

توفر بعض الأنظمة طريقة قراءة المدخلات الرقمية التي يتم التحكم فيها عن طريق الأجهزة ، ويمكن للمستخدم ضبط تردد القراءة لمنفذ الإدخال الرقمي. على سبيل المثال ، يمكن للنظام قراءة منافذ الإدخال والإخراج 16 بت بتردد 100 كيلو هرتز ، ويمكن أن تصل بعض الأنظمة إلى سرعة 1 ميجا هرتز. أكبر ميزة للقراءة التي يتم التحكم فيها عن طريق الأجهزة هي أنها يمكن أن تكون أسرع بكثير من البرامج. أخيرًا ، يمكن لمثل هذه الأجهزة قراءة المدخلات الرقمية في نفس الوقت مع المدخلات التناظرية ، بحيث تكون البيانات من المدخلات التناظرية والرقمية مرتبطة بإحكام.

قراءة الزناد الخارجي للإدخال الرقمي

تقوم بعض الأجهزة الخارجية بإنشاء البيانات في وحدات بت أو بايت أو كلمات بمعدلات مستقلة عن نظام الحصول على البيانات. يتم أخذ القراءات فقط عندما تكون البيانات الجديدة قابلة للقراءة ، وليس بمعدل محدد مسبقًا. لذلك ، عادةً ما تستخدم هذه الأجهزة الخارجية تقنية المصافحة لنقل البيانات. عند حدوث حدث جديد ، مثل البيانات الخارجية جاهزة أو إدخال إشارة التحكم في البوابة ، يقوم الجهاز الخارجي بإنشاء انتقال مستوى على خط إشارة واحد. للتفاعل مع هذه الأجهزة ، يجب أن يحتوي نظام الحصول على البيانات على مزلاج إدخال يمكن التحكم فيه بواسطة إشارة خارجية. بهذه الطريقة ، يتم تقديم إشارة منطقية إلى الكمبيوتر المضيف تشير إلى أن البيانات الجديدة جاهزة للقراءة من المزالج.

على سبيل المثال ، يحتوي الجهاز الذي يعمل بهذه الطريقة على أحد خطوط إشارة التحكم الستة التي تخبر الجهاز الخارجي أن المضيف يقرأ البيانات الموجودة في مزلاج الإدخال. يتيح هذا الإجراء للجهاز الخارجي الاحتفاظ بالبيانات الجديدة حتى اكتمال القراءة الحالية.

العزلة الرقمية

غالبًا ما تحتاج الإشارات الرقمية إلى عزلها لعدة أسباب ، مثل حماية أحد طرفي النظام من إشارات الجهد العالي التي قد تظهر في الطرف الآخر في أي وقت ، مما يتيح الاتصال العادي بين جهازين لا يشتركان في أرضية مشتركة ، أو ضمان سلامة المستخدم في التطبيقات الطبية. حل العزل الشائع هو optocoupler. يتكون optocoupler من LED أو صمام ثنائي ليزر لإرسال إشارة رقمية ، وثنائي ضوئي أو ترانزستور ضوئي لاستقبال الإشارة (انظر الشكل 11.05). على الرغم من صغر حجم أداة optocoupler ، إلا أنها تستطيع عزل الجهد العالي بجهد 500 فولت ، ويمكن أيضًا استخدام هذه التقنية للتحكم في المعدات التي لا تشترك في نفس الأرض ومراقبتها.

تكييف إشارة قطار النبض

في العديد من تطبيقات قياس التردد ، تُحسب الإشارات النبضية أو تُقارن ببعض الوحدات الثابتة للقاعدة الزمنية. يمكن أيضًا استخدام النبضات كإشارة رقمية لأنه يتم حساب الحواف الصاعدة أو الهابطة فقط. في كثير من الحالات ، قد يأتي قطار النبض حتى من مصدر إشارة تمثيلي ، مثل التقاط مغناطيسي.

على سبيل المثال ، توفر بطاقة الحصول على التردد المستخدمة على نطاق واسع في نظام الحصول على البيانات 4 قنوات إدخال تردد وتتضمن دائرتين أماميتين مستقلتين ، واحدة لإدخال الإشارات الرقمية والأخرى لإدخال الإشارة التناظرية. تقسم بطاقة الالتقاط الإدخال الرقمي إلى حالات منطقية مختلفة وتحول الإدخال التناظري إلى تسلسل نقي متغير بمرور الوقت من النبضات الرقمية.

يوضح الشكل 11.06 مخطط الكتلة: إجمالي جزأين ، إدخال تناظري وتكييف إشارة. توفر شبكة RC الأمامية اقتران تيار متردد ، مما يسمح للإشارات التي تزيد عن 25 هرتز بالمرور. تعمل المخففات القابلة للتعديل على تقليل السعة الإجمالية لشكل الموجة ، مما يقلل من تأثيرات ضوضاء الجهد المنخفض غير المرغوب فيه. توفر وحدة الدائرة هذه للمستخدم وقتًا للارتداد قابلًا للتكوين عند الحاجة إلى قطار نبضي من إغلاق المرحل. تراقب الدائرة الرقمية قطار النبض المكيف ، مما يجعله مرتفعًا أو منخفضًا. بدون ارتباط debounce ، ستؤدي الحواف الإضافية في الإشارة إلى قراءات تردد عالية وغير منتظمة.

يقوم عدد كبير من أجهزة الاستشعار بإخراج إشارات معدلة التردد بدلاً من إشارات السعة المشكلة. عادةً ما تندرج المستشعرات مثل تلك المستخدمة لقياس الدوران ومعدلات تدفق السوائل ضمن هذه الفئة. تُستخدم الأنابيب المضاعفة الضوئية وكاشفات الجسيمات المشحونة بشكل شائع في مجال القياس وإخراج إشارات التردد. من حيث المبدأ ، يمكن أيضًا الحصول على هذه الإشارات باستخدام AD ، ولكن هذه الطريقة ستولد الكثير من البيانات الزائدة عن الحاجة ، مما يجعل التحليل صعبًا. يعتبر قياس التردد المباشر أكثر كفاءة.

تردد تحويل الجهد

يمكن لنظام الحصول على البيانات قياس التردد بعدة طرق: من خلال دمج إشارة التيار المتردد المستمرة أو قطار النبض ، أو توليد جهد تيار مستمر متناسب مع التردد ، أو استخدام AD لتحويل جهد التيار المتردد إلى إشارة رقمية ثنائية ، أو عن طريق حساب النبضات الرقمية .

تكامل قطار النبض

تقنية تحويل شائعة لتكييف الإشارة المعيارية أحادية القناة: تدمج نبضة الإدخال وتخرج إشارة جهد متناسب مع التردد. أولاً ، تمر إشارة التيار المتردد عبر سلسلة من أدوات التوصيل السعوية لتصفية التردد المنخفض للغاية ومكونات التيار المستمر. وفي كل مرة تمر إشارة الإدخال عبر نقطة الصفر ، يولد المقارنة نبضة ذات عرض ثابت ، وتمر النبضة عبر تكامل الدائرة ، مثل مرشح تمرير منخفض ، ومن ثم إخراج إشارة متغيرة ببطء ، سيكون جهد الإشارة متناسبًا مع تردد إشارة الدخل (انظر الشكل 11.08).

يكون وقت استجابة محول التردد إلى الجهد بطيئًا نسبيًا ، حول عكس تردد القطع لمرشح التمرير المنخفض. يجب أن يكون تردد القطع أقل بكثير من تردد الإشارة المراد قياسها ، ولكنه مرتفع بما يكفي لضمان وقت الاستجابة المطلوب. إذا كان تردد الإشارة قيد الاختبار قريبًا من تردد القطع ، فسيصبح التموج الكبير مشكلة خطيرة ، كما هو موضح في الشكل 11.09.

يحدد المكثف الخارجي ثابت الوقت IC للتحويل المخصص للتردد إلى الجهد ، مما يسمح للدائرة بقياس الإشارات على مدى تردد واسع ، ولكن عندما يتغير التردد ، يجب أن يتغير المكثف أيضًا. لسوء الحظ ، يعمل محول التردد إلى الجهد هذا بشكل سيئ عند ترددات أقل من 100 هرتز ، لأن مرشحات التمرير المنخفض بترددات قطع أقل من 10 هرتز تتطلب مكثفات فائقة.

عدد النبضات الرقمية

تقنية أخرى تستخدم لقياس تردد النبضات الرقمية أو الإشارات التناظرية المقترنة بالتيار المتردد. يمكنه إخراج جهد تيار مستمر متناسب مع تردد إشارة الدخل ، على غرار طريقة التكامل المذكورة أعلاه ، باستثناء أن جهد التيار المستمر هنا يأتي من DAC. تقوم الدائرة الأمامية بتحويل الإشارة التناظرية أو الرقمية الواردة إلى قطار نبضي خالص ، وخالي من الأخطاء ، وضوضاء عالية التردد ، وإشارات أخرى غير مرغوب فيها من المرحلات قبل الدخول إلى DAC (انظر الشكل 11.10).

على سبيل المثال ، بطاقة الحصول على البيانات القياسية مع إدخال التردد ، وقناة الإدخال التناظري هي مرشح تمرير منخفض مسبقًا ، ويمكن ضبط تردد القطع على 100 كيلو هرتز ، أو 300 هرتز ، أو 30 هرتز ، ونطاق قياس التردد من 1 هرتز إلى 100 كيلو هرتز ، وذروة الإشارة – القيمة إلى الذروة هي 50mV إلى 80V. يتم توصيل جزء الإدخال الرقمي بالتيار المستمر إلى مشغل Schmitt بمستوى TTL ، والذي يمكنه قياس الإشارات من 0.001 هرتز إلى 950 كيلو هرتز ، ± 15 فولت تيار مستمر. غالبًا ما تحتوي بطاقات الالتقاط على مقاومات سحب للترحيل أو تبديل التطبيقات.

يقوم المتحكم الدقيق بقياس مجموع فترة النبضات المتعددة بدقة ، ويتم تحديد دقة التردد من خلال عرض النبضة الأدنى القابل للتكوين بواسطة المستخدم. يمكن تحويل التردد من البيانات الدورية المقاسة ، وبعد ذلك وفقًا لقيمة التردد ، يتم التحكم في DAC لإخراج الإشارة التناظرية المقابلة إلى نظام الحصول على البيانات ، وتتدفق الإشارة إلى دائرة تكييف التيار المستمر. وأخيرًا ، يقوم البرنامج بالتحويل الجهد في قيمة التردد. يمكن لهذه الطريقة قياس الإشارات بمدى واسع من السعات والترددات مع وقت استجابة سريع. يمكن أن يتطابق نطاق التردد القابل للبرمجة بشكل أفضل مع نطاق ADC ، مما يحسن أداء القياس.

نطاق إخراج DAC هو ± 5V ، أقل تردد تكوينه من قبل المستخدم يتوافق مع -5V ، وأعلى تردد يتوافق مع + 5V. في الواقع ، يمكن للمستخدم تكوين نطاق نطاق التردد بشكل تعسفي ، مثل 500 هرتز -10 كيلو هرتز ، 59.5 هرتز -60.5 هرتز. ولكن تم إصلاح ADC بدقة 12 بت ، بغض النظر عن عرض النطاق الترددي ، سيتم تقسيم الجهد من -5V إلى + 5V إلى 4096 مستوى بشكل متناسب ، لذلك كلما كان عرض النطاق الترددي أضيق ، زادت دقة التردد. على سبيل المثال ، عرض النطاق الترددي 1 هرتز مقسم إلى 4096 جزء ، الدقة عالية مثل 1/4096 هرتز (0.00244 هرتز) ، وعرض النطاق الترددي 100 هرتز ، يتم تقليل الدقة إلى 24.41 هرتز.

على الرغم من أن الدقة ثابتة عند 12 بت في نطاقات مختلفة ، فإن سرعة القياس مختلفة. من 1 هرتز إلى الحد الأعلى للتردد الذي يحدده المستخدم ، يكون وقت تحويل الجهد من 2 إلى 4 مللي ثانية ، والأطول لا يتجاوز فترة إشارة الإدخال. بالنسبة للإشارات التي تتراوح من 0 إلى 10 كيلو هرتز ، يكون معدل التحديث من 2 إلى 4 مللي ثانية ؛ من 0 إلى 60 هرتز ، يستغرق 16.6 مللي ثانية. نظرًا لأن نطاق الإدخال يصبح أضيق ، مثل 49 إلى 51 هرتز ، فإن دقة 12 بت للتعامل مع عرض النطاق الترددي 2 هرتز تستغرق وقتًا أطول وأطول ، مع وقت تحويل يبلغ حوالي 59 مللي ثانية.

بالإضافة إلى مرشح الترددات المنخفضة ، تعمل وظيفة التخلف المدمجة أيضًا على منع التعداد الخاطئ بسبب الضوضاء عالية التردد. يمكن تكوين وقت التنبيه عن طريق البرنامج من 0.6 مللي ثانية إلى 10 مللي ثانية ، والذي يستخدم للتعامل مع الأجهزة الكهروميكانيكية ، مثل المفاتيح والمرحلات والأجهزة الأخرى التي تولد مواطن الخلل عند تبديل الحالات.

قياس التردد على أساس حساب النبضات المسورة

يعد عدد النبضات المبوب أكثر دقة من طريقة تحويل التردد إلى الجهد. تسجل طريقة حساب النبضات المبوبة عدد النبضات التي تظهر في وقت محدد ، وتقسمها على وقت العد ، أي قيمة التردد ، ويمكن أن يكون خطأ التردد منخفضًا مثل مقلوب وقت العد.

تحتوي العديد من أنظمة الحصول على البيانات على دوائر متكاملة للعداد / المؤقت على مستوى TTL والتي يمكنها توليد نبضات بوابات وقياس المدخلات الرقمية ، ولكنها ليست مناسبة للإشارات التناظرية غير المشروطة. لحسن الحظ ، يمكن لمعظم أجهزة إخراج التردد إخراج مستويات TTL. يحتوي IC للعداد / المؤقت في بعض المنتجات على 5 عدادات / مؤقتات ، وعادة ما يستخدم مذبذب بلوري داخلي لنظام الحصول على البيانات ، أو مذبذب بلوري خارجي. عادة ما تستخدم هذه الدوائر المتكاملة قنوات متعددة لإكمال وظيفة العد ، وتشتمل كل قناة على جزء إدخال وجزء تحكم في البوابة وجزء إخراج. أبسط عملية عد تحتاج فقط إلى استخدام جزء الإدخال ، ويقرأ الكمبيوتر قيمة العد في فترة معينة ويعيد تعيين العداد ، وعيوب هذه الطريقة هو أن فترة القراءة غير مؤكدة ، وقد يبدأ الموقف المفاجئ أثناء تنفيذ الوظيفة أو توقف في أي وقت. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد وظائف التأخير ، مثل التأخير بمقدار 50 مللي ثانية ، على مؤقتات البرامج غير الدقيقة. هذان السببان يجعلان قياسات التردد بأوقات عد قصيرة بلا معنى ، ومع ذلك ، فإن هذه التقنية كافية لقياسات التردد مع عدد مرات العد أطول من ثانية واحدة.

تتحكم إشارة البوابة في وقت العد ، لذا فإن تغيير إشارة البوابة يمكن أن يحقق دقة أعلى. بهذه الطريقة ، يصبح قياس التردد مستقلاً عن مشكلات الوقت من جانب البرنامج. يمكن تكوين إشارة البوابة لحساب النبضات فقط عندما تكون عالية. وبالمثل ، يمكن تهيئته لبدء العد عند اكتشاف نبضة وإيقاف العد عند اكتشاف نبضة أخرى.

أحد عيوب هذا الأسلوب هو أنه يتطلب عدادًا إضافيًا للتحكم. ولكن في تطبيق الحصول على تردد متعدد القنوات ، يمكن لعداد واحد التحكم في قنوات متعددة. على سبيل المثال ، في نظام من 5 قنوات ، يتم استخدام 4 قنوات للعد ويتم استخدام قناة واحدة للتحكم.

تطبيق التوقيت

يمكن أيضًا استخدام عدادات / مؤقتات في التطبيقات التي تتطلب التوقيت / التوقيت. إنه اختيار جيد لاستخدام إشارة الساعة المتصلة بقناة الإدخال كإشارة بوابة لتمكين العد عندما تكون الإشارة عالية. يمكن استخدام نفس الطريقة لقياس الفاصل الزمني بين نبضتين ، ما عليك سوى التهيئة لبدء العد عند وصول النبضة الأولى وإيقاف العد عند وصول النبضة التالية.

نظرًا لأن عداد 16 بت على وشك تجاوز السعة عند العد إلى 65535 ، فإن عرض النبضة القابل للقياس لا يتجاوز 65.535 مللي ثانية عند العد بتردد ساعة يبلغ 1 ميجا هرتز ، وسيؤدي النبض الأوسع إلى تجاوز العداد ما لم يتم تقليل تردد الساعة .