Методы разработки электронных устройств с применением технических средств автоматизации

Содержание

 

Исходные данные 2

Введение 3

1. Расчёт элементов  системы 4

1.1. Компаратор (К) 6

1.2. Генераторы тактовых  импульсов (ГТИ1, ГТИ2) 8

1.3. Переключатель диапазонов (ПД) 10

1.4. Счётчик импульсов  (СЧ) 11

1.5. Блок сохранения  числа (БСЧ) 12

1.6. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 15

1.7. Стрелочный индикатор  (СИ) 17

Заключение 18

Литература 19

Приложение 1: Схема принципиальная электрическая

Приложение 2: Перечень элементов

Приложение 3: Чертёж печатной платы

Приложение 4: Сборочный  чертёж

 

 

 

Исходные данные

 

Разработать измеритель частот синусоидального сигнала, выдающий результат на стрелочный прибор. Параметры измерителя частот показаны в таблице 1.

Таблица 1.

Диапазон частот (Гц)	0,01…100
Величина входного сигнала (В)	–10…+10

 

 

Введение

 

Целью курсовой работы является изучение методов разработки электронных устройств с применением технических средств автоматизации, а именно — программы Micro-Cap. Для достижения поставленной цели будет решена задача разработки измерителя частот синусоидального сигнала, состоящая из следующих подзадач:

– разработка функциональной схемы измерителя частот;

– изучение специализированной литературы на предмет поиска типовых решений для каждого блока функциональной схемы;

– моделирование блоков функциональной схемы в программе  
Micro-Cap, коррекция их по результатам работы модели;

– разработка принципиальной электрической схемы;

– разработка печатной платы;

– разработка сборочного чертежа.

В настоящее время  для реализации подобной задачи в  промышленности, как правило, используют готовые устройства, называемые программируемыми логическими контроллерами. В состав таких устройств входят центральные процессорные устройства, а также специализированные модули ввода/вывода. Однако цена таких решений в случае малого количества сигналов оказывается непомерно высокой. В этом случае эффективнее применить простое устройство, реализованное на нескольких элементах. В частности к таким случаям относится и задача, поставленная в этом курсовом проекте.

 

1. Расчет элементов системы

 

По заданию, входным сигналом измерителя частоты является синусоида с частотой 0,01…100 Гц и амплитудой –10…+10 В. Результатом работы схемы должно быть отклонение стрелки на стрелочном индикаторе, индицирующее частоту на входе схемы.

Форма входного сигнала  показана на рис. 1.

 

Рис. 1. Форма входного сигнала.

 

Обычным способом измерения  частоты является подсчёт периодов за какой-то промежуток времени.

Для этого следует  выполнить следующие задачи:

1) Преобразовать входной  сигнал так, чтобы его можно  было обработать цифровыми микросхемами, например, семейства ТТЛ. Для этого используется компаратор.

2) Посчитать число  импульсов за определённый промежуток  времени. Для этого можно использовать  счётчик, период счёта которого  определяет тактовый генератор.

3) Сохранит результат — число импульсов.

4) Преобразовать число  импульсов в напряжение.

5) Подать напряжение  на стрелочный индикатор.

Диапазон измерения  импульсов — 0,001…100 Гц — шириной  в 10000, это слишком много, так как  снизится точность индикации. Поэтому необходимо разбить диапазон на два — 0,001…10 Гц и 0,01…100 Гц.

Таким образом, измеритель частоты будет состоять из следующих  блоков:

1) Компаратор (К).

2) Счётчик импульсов (СЧ).

3) Генератор тактовых импульсов для первого диапазона (ГТИ1).

4) Генератор тактовых импульсов для второго диапазона (ГТИ2).

5) Переключатель диапазонов (ПД).

6) Блок сохранения числа (БСЧ).

7) Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

8) Стрелочный индикатор (СИ).

Структурная схема устройства показана на рис. 2.

 

  Рис. 2. Структурная схема устройства.

1.1. Компаратор (К)

 

В качестве компаратора  используется микросхема компаратора LM111 фирмы National Semiconductor. Этот компаратор имеет одно напряжение питания. Внешний вид микросхемы показан на рис. 3.

 

 

Рисунок 3. Компаратор LM111.

 

Схема включения компаратора, позволяющая формировать сигнал с уровнями ТТЛ, показана на рис. 4.

 

 

Рисунок 4. Схема включения  компаратора.

На вход (+) компаратора  подаётся входное напряжение.

Резисторы R1 и R2 представляют из себя делитель напряжения, который должен защитить компаратор от перенапряжений по входу. Так как максимальная амплитуда составляет 15 В, а напряжение источника питания 5 В, делитель напряжения должен обеспечивать коэффициент деления не меньше 1:3. Принимаю резистор R1=210 кОм, R2=100 кОм.

Резистор R3 = 1 кОм предназначен для формирования на выходе логического сигнала, совместимого с ТТЛ-логикой.

Так как напряжение на входе изменяется от –10 В до +10 В, это значит, что оно переходит через нулевую точку. Поэтому на вход (–) компаратора подаётся напряжение 0 В. Это напряжение сравнивается с сигналом, поданным на вход (+) компаратора. При положительной полуволне входного напряжения на выходе компаратора появляется высокий логический уровень, а при отрицательной полуволне — низкий логический уровень. Таким образом синусоидальный входной сигнал преобразуется в прямоугольные импульсы. Диаграмма работы компаратора показана на рис. 5.

Рисунок 5. Диаграмма работы компаратора.

 

1.2. Генераторы тактовых импульсов (ГТИ1, ГТИ2)

 

Для подсчёта импульсов  базовый период, на котором ведётся  счёт, должен быть в два раза больше максимального периода сигнала. Следовательно, частоты ГТИ должны быть в два раза ниже минимальной частоты входного сигнала:

f_гти1 = f_мин1/2 = 0,001/2 = 0,0005 Гц;

f_гти2 = f_мин2/2 = 0,01/2 = 0,005 Гц.

Автогенераторы на микросхемах  ТТЛ не способны обеспечить такую  низкую выходную частоту. Поэтому ГТИ дожжен состоять из двух блоков:

1) Высокочастотный автогенератор.

2) Делитель частоты.

Структурная схема ГТИ  показана на рис. 5.

 

 

Рисунок 5. Структурная  схема генератора тактовых импульсов.

 

В качестве высокочастотного автогенератора использую автогенератор на микросхеме К155ЛА3, описанный в [6], стр. 49. Схема автогенератора показана на рис. 6.

Частота сигнала на выходе автогенератора определяется формулой:

 

.

 

Рис. 6. Автогенератор.

 

Делитель частоты собираю  на четырёх счётчиках К155ИЕ5. Эти счётчики обеспечивают коэффициент деления 1:16, таким образом последовательное включение четырёх счётчиков позволит получить коэффициент деления 1:65536.

Схема делителя частоты показана на рис. 7.

 

Рисунок 7. Делитель частоты  на К155ИЕ5.

 

Так как коэффициент делителя частоты  k_д = 65536, тактовые частоты генераторов:

f_тг1 = f_гти1∙k_д = 0,0005 ∙ 65536 = 32,768 ≈ 33 Гц;

f_тг2 = f_гти2∙k_д = 0,005 ∙ 65536 = 327,68 ≈ 330 Гц.

 

Принимаю для обоих генераторов  сопротивление резистора R1=1 кОм. Тогда:

Ф ≈ 10 мкФ.

Ф ≈ 1 мкФ.

 

1.3. Переключатель диапазонов (ПД)

 

Назначение переключателя  диапазонов — подключить к делителю частоты первый или второй тактовый генератор. Переключатель диапазонов выполняю на микросхеме К155ЛА3. Схема переключателя диапазонов показана на рис. 8.

 

Рисунок 8. Переключатель  диапазонов.

 

1.4. Счётчик импульсов (СЧ)

 

Счётчик импульсов выполняю на микросхемах К155ИЕ5. Микросхема К155ИЕ5 представляет из себя двоичный четырёхразрядный счётчик. Входным параметром для счётчика импульсов являются импульсы после обработки их компаратором, а выходным — число, подаваемое на вход ЦАП. Так как период подсчёта входных импульсов составляет 2 с, а максимальная частота входных импульсов — 1000 Гц, то счётчик импульсов может посчитать до 2000 импульсов. Это значит, что для формирования выходного числа необходимо использовать 3 счётчика К155ИЕ5.

Схема счётчика импульсов  показана на рис. 9.

 

Рисунок 9. Счётчик импульсов га К155ИЕ5.

 

1.5. Блок сохранения числа (БСЧ)

 

Блок сохранения числа  предназначен для выполнения следующих  действий:

1) Сохранение числа  посчитанных импульсов в регистре  АЦП.

2) Обнуление и перезапуск  счётчиков импульсов.

Чтобы правильно сконструировать  БСЧ, необходимо понимать логику работы регистров АЦП. В устройстве используется АЦП MAX508 (см. п. 1.5). Логика работы входных регистров АЦП показана в таблице 2. Блок-схема регистров показана на рис. 10.

 

Таблица 2.

Логика работы регистров АЦП MAX508

№	____    _________ CLR	_  _____   _____ WR	___________   _____ LDAC	_____  ___ CS	Действие
1	1	0	0	0	Оба регистра доступны на запись
2	1	1	1	–	Оба регистра переведены в режим хранения
3	1	–	1	1	Оба регистра переведены в режим хранения
4	1	0	1	0	Входной регистр доступен на запись
5	1		1	0	Входной регистр переводится  в режим хранения
6	1	0	0	1	Регистр ЦАП доступен на запись, входной регистр в режиме хранения
7	1	1		1	Регистр ЦАП переводится  в режим хранения
8	0	–	–	–	Оба регистра загружаются  нулями
9		1	1	1	Регистр АЦП загружается  нулями, переводится в режим хранения и на выходе устанавливается 0 В либо –5 В.
10		0	0	0	Оба регистра доступны на запись и на выход передаются выходные данные

 

Рисунок 10. Блок-схема входных регистров АЦП

INPUT LATCH — входной регистр-защёлка; DAC LATCH — регистр защёлка АЦП; CS — выбор входного регистра; WR — разрешение записи во входной регистр; CLR — обнуление регистра АЦП; LDAC — запись в регистр АЦП.

 

Логика работы счётчика импульсов показана в таблице 3.

Таблица 3.

Логика работы счётчика импульсов

№	R1	R2	Действие
1	0	0	Счёт импульсов
2	0	1	Счёт импульсов
3	1	0	Счёт импульсов
4	1	1	Обнуление счётчика

 

Блок сохранения числа  выполняю на трёх триггерах К155ТМ2. Схема  блока сохранения числа показана на рис. 11.

Рисунок 11. Схема блока сохранения числа.

 

Описание работы схемы:

На вход CLR АЦП подана логическая единица. На вход WR АЦП подан  логический 0.

1) Когда на линии 0,5 Гц состояние логического нуля, все триггеры переходят в режим RS-триггера и опрокидываются в 0. АЦП переходит в состояние 4 (табл. 2). Счётчик находится в состоянии счёта импульсов.

2) После переключения линии 0,5 Гц в состояние логической единицы, все триггеры переключаются в режим D-триггера (R=S=1), тактируемого по линии 5 кГц. Так как до этого все триггеры были обнулены, в течение трёх тактов будет выполнена последовательная запись в триггеры единиц — сначала в триггер DD9.1, затем в DD9.2, и последним в DD10.1.

3) После переключения триггера DD9.1 в состояние логической единицы, ЦАП перейдёт в состояние 6 (табл. 2). Данные переписываются из входного регистра в регистр ЦАП. Счётчик находится в состоянии счёта импульсов.

4) После переключения  триггера DD9.2 в состояние логической единицы, на входы R1 и R2 счётчика импульсов будет подана логическая единица, что приведёт к его обнулению. ЦАП продолжает находиться в состоянии 6 (табл. 2), поэтому во входной регистр не будет записано никакой информации.

5) После переключения  триггера DD10.1 в состояние логической единицы, счётчик перейдёт в режим счёта импульсов.