Устройство сбора, хранения и выдачи информации

Задание на курсовой проект

Вариант № 2

Спроектировать устройство для  сбора и хранения информации:

- количество измерительных каналов…………………………….………………4

-напряжение на выходах первичных  преобразователей каждого измерительного канала………………………………….……………......-1…+1В

- период опроса каждого измерительного  канала…………………..........100 мс

- время сбора информации……………………………………………………100 с

- разрядность с контрольным  разрядом……….………………….………………8

- включение устройства каждые………………………………………………...1 ч

- выдача информации через 1 мин.  после окончания измерений по  запросным сигналам с ЭВМ

- напряжение питания……………………………………………………….. ̴ 220 В

- частота питающего напряжения…………………………………………..50 Гц

КНФУ ХХХХХХ.001

Устройство  для сбора и хранения информации.

Пояснительная записка.

Литера

Масса

Масштаб

Изм

Лист

№докум.

Подпись

Дата

Разраб.

Ганжа О.

Проверил

Лаврентьев

Т.контр.

Лист 1

Листов 21

МарГТУ  РТФ

УИТС-31

Н.контр.

Утв.

Содержание

Перечень сокращений………………………………………………………………... 3

Введение…………………………………………………………………….................4

Техническое задание…………………………………………………………………. 5

Аналитический обзор технической  и периодической литературы……………….. 7

1. Анализ технического задания…………………………………………………...... 8

2. Выбор элементной  базы и принципиальной схемы  …………………................ 10

2.1  Расчет многоканального АЦП................................................................ 10

2.2  Расчет БЗУ................................................................................................ 13

2.3. Расчет блока управления......................................................................... 15

2.4. Выбор источника  питания....................................................................... 16

Заключение…………………………………………………………………………... 18

Список используемой литературы…………………………………………………. 19

м

КНФУ ХХХХХХ.001ПЗ

Лист

2

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

Перечень сокращений

ИС - интегральная схема;

ОУ - операционный усилитель;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ТЗ - техническое задание;

ПИП - преобразователь  измеряемого параметра;

КР - контрольный разряд;

БЗУ - буферное запоминающие устройство;

ИИС - информационно-измерительная  система

КНФУ ХХХХХХ.001ПЗ

Лист

3

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

           Введение

            Проектируемое устройство для сбора и хранения информации представляет собой информационно-измерительную систему (ИИС), предназначенную для экспериментальных исследований среды или какого-либо объекта. К таким устройствам относятся, например, ИИС для долговременного исследования океана, атмосферы, автоматизированные системы управления технологическими процессами.

            Основными целями курсовой работы  являются:

            – закрепление теоретических знаний по дисциплине "Схемотехника",

            – приобретение навыков анализа электрических принципиальных схем, расчёт режимов работы элементов и решения других схемотехнических задач,

            – приобретение навыков по решению вопросов проектирования электронных устройств.

КНФУ ХХХХХХ.001 П3

Лист

4

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

Наименование и единицы  измерения

Величина

- напряжение на выходах  первичных преобразователей, В

-1В...+1В

- период опроса каждого  измерительного канала, мс

100

- разрядность с контрольным  разрядом, шт

8

- время сбора информации, с

100

- количество измерительных  каналов,шт

4

Общие параметры

- напряжение питания  сети, В

220±10%

- частота напряжения  питания, Гц

50±10%

Аналитический обзор  технической и периодической  литературе по теме:

Цифровые и  аналоговые интегральные микросхемы: Справочное пособие/Под ред. СВ. Якубовского. -М.: Радио и связь, 1985.

Приводятся классификация, условные обозначения основных типов ИС и их корпусов. Рассмотрены структурные схемы и принцип действия всех основных типов базовых логических элементов (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, И Л), комбинационных устройств, микросхем памяти, микропроцессоров, аналоговых ИС и др. Приведены их основные параметры и особенности применения. Издание 1990 г. Содержит данные о новых сериях ИС.

Лаврентьев  Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Уч. пособие.-Йошкар-Ола, МарГТУ, 2001.

Рассмотрена элементная база электроники. Изложены принципы построения аналоговых и импульсных электронных устройств. Основное внимание уделено операционным усилителям и устройствам на их базе. Рассмотрены также основные устройства цифровой электроники.

Опадчий Ю.Ф. и  др. Аналоговая и цифровая электроника; Учебник для вузов/Под ред. О.П. Глудкина.-М.: Радио и связь, 1996.

Рассмотрена элементная база полупроводниковой электроники, характеристики устройств, основные схемы включения и особенности применения. Изложены принципы построения типовых аналоговых, импульсных и цифровых устройств. Подробно рассмотрены расчет, синтез и анализ устройств с заданными техническими характеристиками.

Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. — М.:Мир, 2001.

Рассматриваются основы схемотехники и цифровых устройств, функционирование и взаимодействие всех основных типов микросхем.

КНФУ ХХХХХХ.001 П3

Лист

7

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

1 Анализ технического задания.

Устройство для сбора  и хранения информации является многоканальным.

В состав ИИС входят четыре устройства: многоканальный АЦП, предназначенный для последовательного преобразования в двоичный код входных аналоговых сигналов, буферное запоминающее устройство (БЗУ) для записи, хранения и выдачи информации, блок управления и блок питания.

Структурная схема устройства приведена на рис. 1.

Рис.1. Структурная  схема устройства

                Блок управления, в соответствии с ТЗ, каждый час формирует сигнал «Начало цикла», который устанавливает в «0» схему управления ключами и счётчик адреса БЗУ, а также формирует операцию запись в БЗУ ( /R) и импульсы запуска АЦП  .

В АЦП последовательно преобразуется четыре аналоговых сигнала в цифровой 7-разрядный код, формируется контрольный разряд и все восемь разрядов передаются в БЗУ для записи и хранения.

Запуск БЗУ производится импульсом «конец преобразования» с АЦП.

После заполнения всего  БЗУ (или части БЗУ) с выхода счётчика адреса выдаётся сигнал «Конец цикла  измерений», который поступает в блок управления, где формируется операция «Считывание из БЗУ» ( /R =1) и

запускается схема задержки. Через 1 минуту, после окончания цикла  измерений, схема задержки запускает  «Схему управления выдачей в ЭВМ». Выдача информации из БЗУ в ЭВМ, в соответствии с ТЗ, производится по запросным сигналам с ЭВМ. После выдачи в ЭВМ всей информации формируется сигнал «Конец цикла измерений» и всё устройство переходит в режим ожидания прихода следующего сигнала «Начало цикла».

Временная диаграмма  приведена на рисунке 2.

Рис.2. Временная диаграмма работы устройства

КНФУ ХХХХХХ.001 П3

Лист

9

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

2 Выбор и расчет  элементной базы и принципиальной  схемы

2.1. Расчет многоканального АЦП.

Многоканальное АЦП  предназначено для последовательного  преобразования в двоичный код входных аналоговых сигналов. Многоканальное АЦП содержит аналоговые ключи, предназначенные для коммутации входных каналов, прецизионные усилители для усиления входных сигналов, счётчик каналов для формирования адреса канала и АЦП.

Расчёт сводится к  выбору элементной базы и расчёту  усилителя.

В качестве прецизионных усилителей используем ОУ типа К140УД17, в обратную связь которого нужно поставить прецизионные резисторы С2-14, для преобразования аналогового сигнала в цифровой код выбираем АЦП поразрядного взвешивания – DA4 (ИС К1113ПВ1). Для переключения между каналами АЦП используются аналоговые ключи DA1 (ИС К561КП2). Согласно ТЗ, количество каналов m=4.

В соответствии с ТЗ, напряжение на выходе первичных преобразователей -1В...+1В. В качестве АЦП выбрана микросхема К1113ПВ1А, у которой преобразуемое напряжение для двухполярного сигнала изменяется в пределах -5В...+5В.

Определим коэффицент усиления измерительного тракта:

Кобщ=Uвх/Uвых=5/1=5

Кобщ=К1*К2

Где К1 и К2 – соответственно коэффиценты усиления первого и второго каскадов усилителя.

В качестве одного из усилителей применяем повторитель напряжения, так как коэффицент усиления 5 может обеспечить и один ОУ. Тогда К1=1, а К2=5.

КНФУ ХХХХХХ.001 П3

Лист

10

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

По характеристикам  датчиков примем входное сопротивление  усилителя R_ВХ =10 кОм. Тогда R₄=10 кОм, R₅ = R₄=10 кОм, R₃>R₄ и R₃ »100 кОм

R₇ = К₁* R₄ = 200 кОм

Для второго каскада усилителя также примем R₈=R₉=10 кОм. Тогда R₁₀=К₂* R₈=100 кОм. Для возможности подстройки усиления возьмем R₁₀=110 кОм.

Величину резистора  на выходе DA3 примем 2кОм (для УД17). В качестве этого резистора выбираем построечный резистор R₁₂ и постоянный резистор R₁₃. Обычно R₁₃ @0,1*R₁₂, R₁₂ =2 кОм,

т.е. R₁₃ =200 Ом,

В качестве R₆ применяется построечный резистор, который обеспечивает подстройку коэффициента усиления К₁ усилительного каскада примерно на ±5%.

•   Подсчитаем частоту  опроса АЦП f_АЦП.

f_АЦП = m / T_ОПР =8 / 0,01= 800 Гц,

где m – количество измерительных каналов,

T_ОПР – время опроса каждого канала.

Сигнал опроса представляет собой импульс прямоугольной  формы низкого уровня длительностью  Т_АЦП >T_{ОБР.К БЗУ}, где

T_{ОБР.К БЗУ} – время обращения к БЗУ,

Т_АЦП - рассчитывается после расчета БЗУ.

Для получения контрольного разряда к выходу АЦП подключается микросхема сравнения К561СА1 DD5. Дифференцирующая цепочка C₁R₁₀ и ИС DD4.4. формирует сигнал «Конец преобразования». Время преобразования для ИС К1113 составляет 30 мксек.

Временная диаграмма  работы АЦП приведена на рис.3.

КНФУ ХХХХХХ.001 П3

Лист

11

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

Рис.3. Временная диаграмма работы АЦП

2.2. Расчет буферного запоминающего устройства.

Буферное ЗУ предназначено  для записи, хранения и выдачи измеряемой информации. В соответствии с ТЗ время сбора информации Тсбора=100 сек. Тогда при частоте опроса fацп=40Гц количество ячеек памяти (количество измерений) N=40*100=4000.

Разрядность шины данных с учётом контрольного разряда n=8, согласно ТЗ.

4000(10)=111110100000(2)

Разрядность шины адреса равна двенадцати.

БЗУ можно построить  на статических ИС серии К537РУ. Для  проектируемого устройства в БЗУ используем одну микросхемыу К537РУ17 (8К ´ 8р) с совмещенным входом и выходом.

Для работы БЗУ необходимо сформировать адрес А, сигнал выборки`CS, сигнал операции`W/R. Счётчик адреса на 4000 чисел включает в себя 2 суммирующих счётчика (ИС DD7, DD8).

Схема управления БЗУ  включает в себя триггер DD14 и распределитель импульсов DD13. Микросхемы DD1, DD2 формируют адрес БЗУ.

В исходном состоянии  триггер DD14.1 находится в состоянии «0», на входе R DD13 будет «1» и счётчик распределитель DD13 установлен в «0». В момент прихода с АЦП сигнала «Конец преобразования» триггер DD14.1 устанавливается в состояние «1» и счётчик DD13 начинает считать тактовые импульсы f_ТИ. На выходе DD13 формируется последовательность тактовых импульсов (0-8), которая формирует управляющие сигналы:`CS, строб, увеличение адреса БЗУ. Девятый импульс последовательности устанавливает триггер DD14.1 в исходное состояние (на входе R DD13 будет «1»).

КНФУ ХХХХХХ.001 П3

Лист

13

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата

Весь цикл обращения  к БЗУ составляет максимум 10 периодов частоты f_ТИ, т.е. время записи в БЗУ (Т_БЗУ) равно Т_{ОБР К БЗУ} =10 / f_ТИ.

Частота тактовых импульсов с кварцевого генератора fти=32768Гц, то Тобр.к БЗУ=305 мкс.

Вычислим длительность импульса запуска АЦП:

Тацп>Тпреобр.ацп + Тобр.к БЗУ = 335 мкс для fти=32768Гц. Примем Тацп=500 мкс.

Для формирования Тацп используется одновибратор на тригере.

Временные диаграммы работы БЗУ приведены на рис.4.

Рис.4. Временные диаграммы  работы БЗУ

2.3. Расчет блока  управления.

Блок управления предназначен для формирования сигналов «Начало цикла», «Запуск АЦП», «Выдача в ЭВМ», «`W/R», а также для формирования времени задержки.

В качестве генератора тактовых импульсов используется ИС К176ИЕ12 DD21 ; триггер DD24.1 формирует сигнал записи-чтения; ИС DD2972 – одновибратор, который формирует сигнал запуска АЦП с частотой fацп.

Тацп=0,69*RC

Выбираем R13=100кОм, Тацп выбран равным 500мкс. Тогда С4= Тацп / 0,69*R=7,24нФ. Из ряда Е24 выбираем С4=7,5нФ.

В соответствии с ТЗ выдача информации производится через 1 минуту после окончания измерений. Схема задержки включает в себя суммирующий счётчик (ИС DD25) и триггер DD24.2.

Временные диаграммы работы блока управления приведены на рис.5.

Рис.5. Временные диаграммы  работы блока управления

КНФУ ХХХХХХ.001 П3

Лист

15

Изм.

Лист

№докум.

Подпись

Дата