RU206989U1

RU206989U1 - Mezzanine analog-to-digital converter (ADC) module

Info

Publication number: RU206989U1
Application number: RU2021119161U
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Филиппов; Андрей Сергеевич Петрушов; Виталий Владимирович Петров
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-10-05

Abstract

Полезная модель относится к области испытательного оборудования техники и предназначена для приема одиночных дифференциальных биполярных аналоговых сигналов и преобразования их в последовательный цифровой код.Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей в части параллельного приема одиночных и дифференциальных биполярных аналоговых сигналов с диапазоном напряжения ±10 В с их независимой обработкой при возможности подключения к одноплатному компьютеру типа Raspberry Pi или к аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что полезная модель выполнена в виде печатной платы, которая содержит интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов, разъем серии PBD для подключения к одноплатному компьютеру Raspberry Pi или аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов, источник питания опорных напряжений, каскады защиты, и отличается тем, что содержит две независимые группы микросхем АЦП, осуществляющие параллельный прием одиночных и дифференциальных биполярных сигналов с диапазоном напряжения ±10 В, при этом упомянутые микросхемы АЦП соединены линиями цифровой связи с разъемом серии PBD, линиями аналоговой связи с каскадами защиты и высокоамперными линиями связи с автономным источником питания, а каскады защиты связаны аналоговыми линиями связи с интерфейсным разъемом для приема аналоговых сигналов.The utility model relates to the field of test equipment and is designed to receive single differential bipolar analog signals and convert them into a serial digital code. The technical result is to expand the functionality in terms of parallel reception of single and differential bipolar analog signals with a voltage range of ± 10 V from their independent processing with the possibility of connecting to a single-board computer such as Raspberry Pi or to a computational module similar to it in terms of a set of interfaces, as well as in the shape and location of connecting contacts. The specified technical result is achieved due to the fact that the utility model is made in the form of a printed circuit board, which contains an interface connector for receiving analog signals, a PBD series connector for connecting to a Raspberry Pi single-board computer or a similar computing module in terms of a set of interfaces, as well as in shape and location connection contacts, a reference voltage power supply, protection cascades, and differs in that it contains two independent groups of ADC microcircuits, carrying out parallel reception of single and differential bipolar signals with a voltage range of ± 10 V, while the mentioned ADC microcircuits are connected by digital communication lines with a series connector PBD, analog communication lines with protection stages and high-current communication lines with an autonomous power supply, and protection stages are connected by analog communication lines with an interface connector for receiving analog signals.

Description

Полезная модель относится к области испытательного оборудования техники и предназначена для приема одиночных и дифференциальных биполярных аналоговых сигналов и преобразования их в последовательный цифровой код.The utility model relates to the field of test equipment and is intended for receiving single and differential bipolar analog signals and converting them into a serial digital code.

При разработке и испытаниях самолетного оборудования на комплексах полунатурного моделирования возникает необходимость интеграции данных с широкой номенклатурой авиационных интерфейсов, состав и количество авиационных интерфейсов может меняться, соответственно, требуется многоуровневая система, в которой физические интерфейсы выполнены в виде мезонинов с внешними выводами, а вычислительный модуль имеет унифицированный способ их подключения.When developing and testing aircraft equipment on semi-natural modeling complexes, it becomes necessary to integrate data with a wide nomenclature of aviation interfaces, the composition and number of aviation interfaces can change, respectively, a multi-level system is required in which physical interfaces are made in the form of mezzanines with external outputs, and the computational module has a unified way to connect them.

Предлагаемая полезная модель позволяет принимать аналоговые сигналы, преобразовывать их в цифровой код и выдавать данный код через последовательный интерфейс на одноплатный компьютер типа Raspberry Pi или аналогичный ему вычислительный модуль по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов. Предлагаемая полезная модель может осуществлять параллельный прием четырех аналоговых биполярных сигналов и двух пар аналоговых дифференциальных биполярных сигналов с диапазоном входных напряжений ±10 В.The proposed utility model allows you to receive analog signals, convert them into a digital code and issue this code through a serial interface to a single-board computer such as Raspberry Pi or an analogous computing module in terms of the set of interfaces, as well as the shape and location of the connecting pins. The proposed utility model can simultaneously receive four analog bipolar signals and two pairs of analog differential bipolar signals with an input voltage range of ± 10 V.

Из уровня техники известен аналог - многофункциональный адаптер PCI-1602FU/S для работы с аналоговыми сигналами от фирмы ICP DAS (URL: https://icp-das.ru/catalog/pci-1602fu_s), широко применяющийся на целевых стендах моделирования. Данный адаптер выполнен в виде печатной платы, которая содержит интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов, разъем PCI, каскады защиты, источник питания опорных напряжений, микросхемы приема одиночных или дифференциальных сигналов с диапазоном входных сигналов по напряжению ±10 В, способных осуществлять аналогово-цифровые преобразования 16 одиночных или 8 дифференциальных сигналов с разрядностью до 16 бит.An analogue is known from the prior art - a multifunctional adapter PCI-1602FU / S for working with analog signals from ICP DAS (URL: https://icp-das.ru/catalog/pci-1602fu_s), which is widely used on target simulation stands. This adapter is made in the form of a printed circuit board, which contains an interface connector for receiving analog signals, a PCI connector, protection stages, a reference voltage power supply, microcircuits for receiving single or differential signals with a voltage input range of ± 10 V, capable of performing analog-to-digital conversions 16 single or 8 differential signals up to 16 bits wide.

Основными недостатками данной платы являются:The main disadvantages of this board are:

- отсутствие возможности установки на одноплатный компьютер типа Raspberry Pi или аналогичный ему вычислительный модуль по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов, ввиду несовместимости соединителей и интерфейсных шин, поскольку в аналоге используется интерфейсная шина PCI, а в модуле Raspberry Pi -штыревые соединители серии PLD.- the inability to install on a single-board computer such as Raspberry Pi or a computational module similar to it in terms of the set of interfaces, as well as the shape and location of the connecting contacts, due to the incompatibility of connectors and interface buses, since the analogue uses the PCI interface bus, and the Raspberry Pi module uses the pin PLD series connectors.

- отсутствие возможности независимого приема дифференциальных и одиночных сигналов: переключение режимов «одиночный/дифференциальный» осуществляется вручную с помощью перемычек на плате, при этом оба типа сигналов поступают по одним и тем же физическим линиям, хотя критерии оптимизации физических линий для одиночных и дифференциальных сигналов противоположны.- no possibility of independent reception of differential and single signals: switching between modes "single / differential" is carried out manually using jumpers on the board, while both types of signals arrive on the same physical lines, although the optimization criteria for physical lines for single and differential signals are opposite ...

Также известно устройство - мезонин аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADC Pi (URL: https://www.abelectronics.co.uk/p/69/adc-pi-raspberry-pi-analogue-to-digital-converter) для одноплатного компьютера Raspberry PI от фирмы Abelectronics. Данный аналог выполнен в виде печатной платы, которая содержит интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов, разъем серии PBD, источник питания опорных напряжений, каскады защиты микросхемы приема одиночных сигналов с диапазоном входного сигнала по напряжению от 0 до 5 В. Мезонин осуществляет аналогово-цифровые преобразования 8 одиночных входов с разрядностью до 24 бит.Also known is a device - mezzanine analog-to-digital converter (ADC) ADC Pi (URL: https://www.abelectronics.co.uk/p/69/adc-pi-raspberry-pi-analogue-to-digital-converter) for single-board computer Raspberry PI from Abelectronics. This analogue is made in the form of a printed circuit board, which contains an interface connector for receiving analog signals, a PBD series connector, a reference voltage power supply, protection stages for a microcircuit for receiving single signals with an input voltage range from 0 to 5 V. The mezzanine carries out analog-to-digital conversions 8 single inputs up to 24 bits wide.

Основные недостатки данной платы: отсутствие возможности приема дифференциальных биполярных сигналов.The main disadvantages of this board: the lack of the ability to receive differential bipolar signals.

Задача, на которую направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании мезонинного модуля, способного принимать биполярные аналоговые сигналы с диапазоном входного напряжения не менее ±10 В, как одиночные, так и дифференциальные, и передавать их в цифровом виде через последовательный интерфейс на одноплатный компьютер типа Raspberry Pi или аналогичный ему вычислительный модуль по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов для решения задач, возникающих при разработке и проведении испытаний самолетных систем на комплексах полунатурного моделирования.The task to which the claimed technical solution is directed is to create a mezzanine module capable of receiving bipolar analog signals with an input voltage range of at least ± 10 V, both single and differential, and transmit them in digital form through a serial interface to a single-board computer of the type Raspberry Pi or a similar computing module for a set of interfaces, as well as for the shape and location of connecting contacts for solving problems arising in the development and testing of aircraft systems on semi-natural simulation complexes.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей в части параллельного приема одиночных и дифференциальных биполярных аналоговых сигналов с диапазоном напряжения ±10 В с их независимой обработкой при возможности подключения к одноплатному компьютеру типа Raspberry Pi или к аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов для решения задач, возникающих при разработке и проведении испытаний самолетных систем на комплексах полунатурного моделирования.The technical result of the claimed utility model is to expand the functionality in terms of the parallel reception of single and differential bipolar analog signals with a voltage range of ± 10 V with their independent processing if it is possible to connect to a single-board computer such as Raspberry Pi or to a similar computing module by a set of interfaces, and also in the form and location of connecting contacts for solving problems arising in the development and testing of aircraft systems on semi-natural modeling complexes.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемый мезонинный модуль АЦП, выполненный в виде печатной платы, которая содержит интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов, разъем серии PBD для подключения к одноплатному компьютеру Raspberry Pi или аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов, источник питания опорных напряжений, каскады защиты и отличается тем, что содержит две независимые группы микросхем АЦП, осуществляющие параллельный прием одиночных и дифференциальных биполярных сигналов с диапазоном напряжения ±10 В, при этом упомянутые микросхемы АЦП соединены линиями цифровой связи с разъемом серии PBD, линиями аналоговой связи с каскадами защиты и высокоамперными линиями связи с автономным источником питания, а каскады защиты связаны аналоговыми линиями связи с интерфейсным разъемом для приема аналоговых сигналов.The specified technical result is achieved due to the fact that the proposed mezzanine ADC module, made in the form of a printed circuit board, which contains an interface connector for receiving analog signals, a PBD series connector for connecting to a Raspberry Pi single-board computer or a similar computing module in terms of a set of interfaces, as well as the shape and location of the connecting contacts, the reference voltage power supply, protection cascades and differs in that it contains two independent groups of ADC microcircuits, carrying out parallel reception of single and differential bipolar signals with a voltage range of ± 10 V, while the mentioned ADC microcircuits are connected by digital communication lines with PBD series connector, analog communication lines with protection stages and high-current communication lines with an autonomous power supply, and protection stages are connected by analog communication lines with an interface connector for receiving analog signals.

Полезная модель поясняется следующим чертежами:The utility model is illustrated by the following drawings:

Фиг.- Структурная схема мезонинного модуля АЦП. На фигуре представлены:Fig. - Block diagram of the mezzanine ADC module. The figure shows:

1 - интерфейсный разъем для приема аналоговых сигналов;1 - interface connector for receiving analog signals;

2.1, 2.2 - каскады защиты;2.1, 2.2 - protection cascades;

3.1, 3.2 - микросхемы АЦП, позволяющие осуществлять параллельный прием одиночных и дифференциальных сигналов с диапазоном напряжения ±10 В с независимым управлением по сигналам Chip Select интерфейса SPI;3.1, 3.2 - ADC microcircuits, allowing parallel reception of single and differential signals with a voltage range of ± 10 V with independent control by signals from Chip Select of the SPI interface;

4 - автономный источник питания;4 - autonomous power source;

5 - разъем серии PBD для подключения к одноплатному компьютеру Raspberry Pi или аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов.5 - PBD series connector for connecting to a single-board computer Raspberry Pi or a similar computing module in terms of the set of interfaces, as well as the shape and location of the connecting pins.

Полезная модель выполнена в виде печатной платы, которая включает: интерфейсный разъем 1 для приема аналоговых сигналов, каскады защиты 2.1, 2.2, две независимые группы микросхем АЦП 3.1, 3.2, источник питания опорных напряжений 4, разъем серии PBD 5. Микросхемы АЦП 3.1, 3.2 соединены линиями цифровой связи с разъемом серии PBD 5, линиями аналоговой связи с каскадами защиты 2.1, 2.2 и высокоамперными линиями связи с автономным источником питания 4. Каскады защиты 2.1, 2.2 связаны аналоговыми линиями связи с интерфейсным разъемом 1 для приема аналоговых сигналов.The utility model is made in the form of a printed circuit board, which includes: interface connector 1 for receiving analog signals, protection stages 2.1, 2.2, two independent groups of ADC microcircuits 3.1, 3.2, reference voltage power supply 4, PBD series connector 5. ADC microcircuits 3.1, 3.2 are connected by digital communication lines with PBD 5 series connector, analog communication lines with protection stages 2.1, 2.2 and high-ampere communication lines with an autonomous power supply 4. Protection stages 2.1, 2.2 are connected by analog communication lines with interface connector 1 for receiving analog signals.

Полезная модель осуществляется следующим образом.The utility model is implemented as follows.

Мезонинный модуль АЦП подключается к цифровому электропитанию (+3.3 В) одноплатного компьютера Raspberry Pi или аналогичного ему вычислительного модуля по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов (на фиг. не показан). Напряжение +12 В подается на мезонинный модуль через интерфейсный разъем 1 для приема аналоговых сигналов.The mezzanine ADC module is connected to the digital power supply (+3.3 V) of the Raspberry Pi single-board computer or a computational module similar to it in terms of the set of interfaces, as well as the shape and location of the connecting contacts (not shown in the figure). +12 V voltage is supplied to the mezzanine module through interface connector 1 for receiving analog signals.

После подключения цифрового питания включается автономный источник питания 4 и генерирует опорные биполярные сигналы, приводящие микросхемы АЦП 3.1, 3.2 в рабочий режим.After connecting the digital power, an autonomous power supply 4 is turned on and generates bipolar reference signals that bring the ADC 3.1, 3.2 microcircuits into the operating mode.

От самолетного оборудования на интерфейсный разъем 1 подаются аналоговые сигналы, при этом используется до 8 линий связи. Далее аналоговые сигналы поступают на каскады защиты 2.1, 2.2, включающие в себя токоограничительные резисторы и диоды для ограничения напряжения как верхнего (+10 В), так с нижнего (-10 В) порога, причем в каскадах защиты одиночных каналов ограничивается напряжение относительно общего провода, в каскадах дифференциальных каналов ограничивается разность напряжений. Каждый каскад защиты соединен линиями аналоговой связи с соответствующей ему микросхемой АЦП 3.1, 3.2.Analog signals are supplied from the aircraft equipment to interface connector 1, with up to 8 communication lines being used. Further, analog signals are fed to protection stages 2.1, 2.2, which include current-limiting resistors and diodes to limit the voltage of both the upper (+10 V) and the lower (-10 V) threshold, and in the protection stages of single channels, the voltage relative to the common wire is limited , in the stages of differential channels the voltage difference is limited. Each cascade of protection is connected by analog communication lines with the corresponding microcircuit ADC 3.1, 3.2.

Микросхемы АЦП 3.1, 3.2 принимают параллельно одиночные и дифференциальные сигналы с диапазоном напряжения ±10 В с независимым управлением по сигналам Chip Select интерфейса SPI и осуществляют процесс конвертации аналоговых сигналов в цифровой код. В предпочтительном варианте осуществления полезной модели используются микросхемы АЦП AD7323. Данные микросхемы АЦП 3.1, 3.2 сконфигурированы отдельно для одиночных и дифференциальных сигналов и реализуют логику интерфейса SPI в режиме Slave. Полученный цифровой код подается на разъем серии PBD 5, который подключается к одноплатному компьютеру Raspberry Pi или аналогичному ему вычислительному модулю по набору интерфейсов, а также по форме и расположению соединительных контактов.Microcircuits ADC 3.1, 3.2 accept in parallel single and differential signals with a voltage range of ± 10 V with independent control by signals from Chip Select of the SPI interface and carry out the process of converting analog signals into digital code. The preferred embodiment of the invention uses AD7323 ADC chips. These microcircuits ADC 3.1, 3.2 are configured separately for single and differential signals and implement the logic of the SPI interface in Slave mode. The resulting digital code is fed to the PBD 5 series connector, which is connected to a Raspberry Pi single-board computer or a similar computing module in terms of the set of interfaces, as well as the shape and location of the connecting pins.

Claims

Mezzanine ADC module, made in the form of a printed circuit board, which contains an interface connector for receiving analog signals, a PBD series connector for connecting to a single-board computer Raspberry Pi or a similar computing module in terms of a set of interfaces, as well as in the shape and location of connection pins, a power supply for reference voltage, protection stages, characterized in that it contains two independent groups of ADC microcircuits, carrying out parallel reception of single and differential bipolar signals with a voltage range of ± 10 V, while the mentioned ADC microcircuits are connected by digital communication lines with a PBD series connector, analog communication lines with cascades protection and high-current communication lines with an autonomous power source, and the protection stages are connected by analog communication lines with an interface connector for receiving analog signals.