Разработка и моделирование функциональной схемы цифрового генератора импульсов
Принцип работы генератора прямоугольных импульсов. Характеристики генератора импульсов заданной длительности. Трассировка печатной платы, разработка функциональной схемы. Выбор электронных компонентов, применение генератора прямоугольных импульсов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.11.2023 |
| Размер файла | 2,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка 37 с., 13 рис., 5 табл., 12 источников.
ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ, ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, ГЕНЕРАТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ, ГЕНЕРАТОР ТОКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА, ШИМ, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА.
Объектом исследования является цифровой генератор импульсов заданной длительности.
Предметы исследования:
- Определение диапазона частот, в которых работает генератор импульсов;
- Изучение зависимости длительности импульсов от характеристик генератора;
- Исследование возможностей управления длительностью импульсов.
Целью исследования является разработка и моделирование функциональной схемы цифрового генератора импульсов заданной длительности, а также проведение трассировки схемы и проектирование печатной платы.
В ходе работы над курсовой работой был проведен анализ предметной области, установлены задачи и области применения проекта.
Для определения метода реализации проекта поэтапно рассмотрен процесс расчета параметров генератора.
В результате проведенного исследования разработан цифровой генератор импульсов заданной длительности для управления яркостью светодиода с помощью ШИМ, промоделирована работа генератора и создана 3D-модель печатной платы.
СОДЕРЖАНИЕ
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
- 1.1 Основные характеристики генератора импульсов заданной длительности
- 1.2 Принцип работы генератора прямоугольных импульсов
- 1.3 Конструкция генератора прямоугольных импульсов
- 1.4 Примеры применения генератора прямоугольных импульсов
- 2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
- 2.1 Выбор назначения генератора импульсов
- 2.2 Выбор электронных компонентов
- 2.3 Выбор параметров генератора ШИМ и расчет параметров схемы генератора ШИМ
- 3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
- 4. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ
- 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ
- 6. ТРАССИРОВКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
- 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
- 8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Генераторы импульсов (импульсные генераторы) - это устройства для выработки импульсов определенной формы, амплитуды, длительности и скважности.
Импульсные генераторы различных типов интенсивно развивались в радиотехнических системах и особенно в импульсных радиолокационных системах.
В настоящее время их широко применяют в радиоэлектронной аппаратуре, измерительной и вычислительной технике, системах передачи информации, технологических установках и бытовой технике.
Множество типов импульсных генераторов требует их упорядочения и классификации по различным признакам.
В зависимости от функционального назначения и формы вырабатываемых импульсов генераторы подразделяются на следующие классы:
- генераторы прямоугольных импульсов;
- генераторы линейно изменяющихся (пилообразных) напряжений (ГЛИН).
К генераторам прямоугольных импульсов относятся:
- формирователи прямоугольных импульсов из импульсов произвольной формы или синусоидальных напряжений;
- ждущие генераторы, которые срабатывают по подходящему импульсу;
- автоколебательные генераторы (мультивибраторы, блокинг-генераторы и фантастроны);
- генераторы меандровых последовательностей (формирующих последовательность импульсов с длительностью, равной длительности интервала между импульсами);
- генераторы импульсных цифровых последовательностей.
Генераторы видеоимпульсов могут использоваться для генерации (или модуляции) радиоимпульсов такой же формы с высокочастотным заполнением.
Высокочастотную импульсную модуляцию проводят по амплитуде, частоте или фазе.
Основная цель данного проекта - разработка и моделирование функциональной схемы цифрового генератора импульсов заданной длительности, а также проведение трассировки схемы и проектирование печатной платы.
Задачи проекта следующие:
1. Изучить основные характеристики генератора импульсов заданной длительности, конструкцию и принцип его работы.
2. Осуществить выбор и обосновать техническое решение, а именно осуществить выбор назначения генератора импульсов, электронных компонентов, параметров генератора ШИМ и осуществить расчет параметров схемы генератора ШИМ.
3. Осуществить выбор элементной базы разрабатываемого цифрового генератора импульсов заданной длительности.
4. Разработать функциональную схему цифрового генератора импульсов заданной длительности.
5. Осуществить моделирование цифрового генератора импульсов заданной длительности.
6. Осуществить трассировку печатной платы, ее проектирование.
7. Осуществить расчет экономической части сборки цифрового генератора импульсов заданной длительности.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1 Основные характеристики генератора импульсов заданной длительности
На практике генератором импульсов считают либо электронную схему, либо часть электронного испытательного оборудования, которое используется для генерации прямоугольных импульсов. Так, генераторы импульсов на практике в основном используют для работы с цифровыми схемами, а родственные функциональные генераторы используют в основном для аналоговых схем.
Простые генераторы импульсов обычно позволяют управлять такими основными характеристиками импульсного сигнала как:
- Частотой следования импульсов (частотой), которая равняется 1 / T и измеряется в герцах (Гц, где 1 Гц - это одно колебание в секунду);
- Длительностью импульса, которая равняется ф и измеряется в долях секунды (мили, микро, нано и другие);
- Амплитудой импульса, которая равняется A и в различных профессиональных приборах бывает либо со ступенчатой, либо с плавной ее регулировкой;
- Скважностью импульса, которая выражается через s и определяется отношением периода (т) к длительности импульса (t);
- Коэффициентом заполнения, который является обратной величиной скважности импульса и определяется, как d = 1 / s;
- Задержкой по отношению к внутреннему, либо внешнему триггеру;
- Уровнями высокого и низкого напряжения импульсов.
На практике более сложные генераторы импульсов могут осуществлять контроль времени нарастания, а также время спада импульсов. На сегодняшний день доступны генераторы импульсов для генерации выходных импульсов, которые имеют ширину (длительность) в диапазоне от минут до менее чем 1 пикосекунды.
Генераторы импульсов, как правило, это источники напряжения, а настоящие генераторы импульсов тока доступны только у нескольких их поставщиков.
Генераторы импульсов могут использовать цифровые методы, аналоговые методы, либо комбинацию обоих методов для формирования выходных импульсов. К примеру, частота и длительность следования импульсов могут управляться цифровым способом, но амплитуда импульса, а также время нарастания, спада могут определяться аналоговой схемой в выходном каскаде генератора импульсов. На практике при правильной настройке генераторы импульсов также могут генерировать прямоугольную волну рабочим циклом 50 %. Генераторы импульсов, как правило, являются одноканальными, которые обеспечивают одну частоту, задержку, ширину, выходной сигнал.
Графическое представление прямоугольного импульсного сигнала времени t1 представлено на рисунке 1.
Рисунок 1 - Прямоугольный импульсный сигнал времени t1
1.2 Принцип работы генератора прямоугольных импульсов
Принцип работы генератора прямоугольных импульсов заключается в генерации прямоугольных импульсов заданной длительности, частоты. Основным элементом генератора прямоугольных импульсов является инвертор, который переключает выходной сигнал между двумя уровнями напряжения: «0», «1». Входной сигнал подается на инвертор через задерживающую цепь, которая обеспечивает задержку сигнала на время, необходимое для формирования прямоугольного импульса.
Пример конструкции генератора прямоугольных импульсов на мультивибраторе на элементах ИС представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Конструкция генератора прямоугольных импульсов на мультивибраторе на элементах ИС
В данной схеме мультивибратор состоит из двух инверторов, соединенных в цепочку обратной связи. При определенных условиях мультивибратор переходит в режим самовозбуждения, что приводит к генерации прямоугольных импульсов на его выходе.
Для расчета параметров генератора прямоугольных импульсов на практике учитывают ряд факторов, таких как частота генерируемых импульсов, длительность импульсов, амплитуда сигнала и другие. Одним из основных параметров генератора прямоугольных импульсов является его частота. Частота генерируемых импульсов зависит от параметров задерживающей цепи и элементов мультивибратора. Формула для расчета частоты импульсов может быть выражена следующим образом (формула 1):
(1)
Где:
f - это частота импульсов;
R - это сопротивление задерживающей цепи;
C - это емкость задерживающей цепи;
K - это коэффициент усиления мультивибратора.
Таблица со значениями параметров задерживающей цепи и элементов мультивибратора для получения частоты генерируемых импульсов 1 кГц представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры задерживающей цепи и элементов мультивибратора
|
Параметр |
Значение |
|
|
R |
1 кОм |
|
|
C |
1 нФ |
|
|
K |
15 |
Таким образом, подставив значения параметров в формулу 1, на практике есть возможность рассчитать частоту генерируемых импульсов, которая представлена формулой 2.
(2)
Примеры применения генератора прямоугольных импульсов включают формирование сигналов для передачи данных по каналам связи, управление различными устройствами, обработку сигналов в аналоговых устройствах и другое.
В целом, генератор прямоугольных импульсов является важным компонентом в электронике и его применение может быть найдено во многих областях. Расчеты параметров и использование таблиц позволяют точно настроить генератор прямоугольных импульсов для нужд конкретного приложения.
1.3 Конструкция генератора прямоугольных импульсов
Конструкция генератора прямоугольных импульсов может иметь различные варианты в зависимости от применения и требуемых параметров. Одним из наиболее распространенных вариантов является генератор на мультивибраторе на элементах ИС, который был рассмотрен в предыдущем пункте данной главы работы.
Однако, в общем случае конструкция генератора прямоугольных импульсов включает в себя задерживающую цепь и инвертор, а также дополнительные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и транзисторы, если требуется управление частотой и длительностью импульсов.
К примеру, конструкция генератора прямоугольных импульсов на транзисторах может выглядеть следующим образом:
В схеме задерживающая цепь состоит из резистора R1 и конденсатора C1, а транзисторы Q1 и Q2 служат для управления выходным сигналом. Когда на вход задерживающей цепи подается импульс, конденсатор C1 начинает заряжаться через резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигает определенного значения, транзистор Q1 открывается и выходной сигнал переключается на «1». Затем, когда напряжение на конденсаторе опускается до определенного уровня, транзистор Q2 открывается и выходной сигнал переключается на «0». Таким образом, на выходе формируется прямоугольный импульс.
Для настройки параметров генератора прямоугольных импульсов на практике учитывают значения сопротивлений, емкостей и коэффициентов усиления транзисторов. Расчеты параметров могут быть выполнены с использованием специальных формул и таблиц.
Пример таблицы со значениями параметров для генератора прямоугольных импульсов на транзисторах представлен таблицей 2.
Таблица 2 - Значения параметров для генератора прямоугольных импульсов на транзисторах
|
Параметр |
Значение |
|
|
R1 |
1 кОм |
|
|
C1 |
1 нФ |
|
|
в |
100 |
Значение коэффициента усиления транзистора (в) зависит от типа транзистора и может быть найдено в его спецификациях.
Таким образом, подставив значения параметров в формулы, можно рассчитать параметры генератора прямоугольных импульсов, такие как частота, длительность и форма импульсов.
В целом, конструкция генератора прямоугольных импульсов может иметь различные варианты в зависимости от нужд конкретного приложения. Расчеты параметров и использование таблиц позволяют точно настроить генератор прямоугольных импульсов для требуемых параметров и условий эксплуатации.
1.4 Примеры применения генератора прямоугольных импульсов
Генераторы прямоугольных импульсов имеют широкий спектр применения в различных областях, включая электронику, телекоммуникации, измерительную технику, автоматику и другое. Ниже приведены некоторые примеры применения генераторов прямоугольных импульсов:
1. Цифровые схемы и логические устройства. Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в цифровых схемах и логических устройствах для создания тактовых сигналов и импульсов управления. К примеру, для работы микропроцессоров, микроконтроллеров и других цифровых устройств используются тактовые генераторы, которые создают прямоугольные импульсы определенной частоты и длительности.
2. Генерация модулированных сигналов. Генераторы прямоугольных импульсов также используются для генерации модулированных сигналов, например, амплитудно-модулированных (АМ) или частотно-модулированных (ЧМ) сигналов. Для этого генератору необходимо изменять длительность импульсов в соответствии с модулирующим сигналом.
3. Измерительная техника. Генераторы прямоугольных импульсов используются в измерительной технике для создания импульсных сигналов, которые могут быть использованы для измерения параметров сигналов, таких как амплитуда, частота, фаза и другое. К примеру, для измерения времени отклика электронных устройств используются импульсы с быстрым нарастанием и спадом.
4. Тестирование и отладка электронных устройств. Генераторы прямоугольных импульсов также используются для тестирования и отладки электронных устройств. К примеру, для проверки работы цифровых схем и логических устройств используются импульсы определенной частоты и длительности.
Для каждого конкретного применения генератора прямоугольных импульсов на практике выбирают соответствующие параметры генератора, такие как частота, длительность, амплитуда и форма импульсов. Расчеты параметров могут быть выполнены с использованием формул и таблиц, а также опытным путем на основе экспериментальных данных.
2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
2.1 Выбор назначения генератора импульсов
Генератор импульсов заданной длительности будет создаваться для управления яркостью светодиода с помощью использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по следующей блок-схеме, приведенной на рисунке 3.
Рисунок 3 - Блок-схема генератора импульсов заданной длительности
На данной блок-схеме присутствует устройство формирования импульсов, которое настраивается, во-первых, устройством для управления периодом колебаний, во-вторых, устройством для управления длительностью самого импульса, в-третьих, устройствами для управления специальной логикой цифрового генератора.
2.2 Выбор электронных компонентов
Разрабатываться цифровой генератор импульсов заданной длительности будет на основе двух микросхем NE555, генератора тока, микросхемах специальной логики: Специальная логика, 74191 (2 штуки); Вентиль, К155ЛП5 или 7408; Триггер, К155ТМ2 или 7474; Вентиль, 7432; Вентиль, 4072.
NE555 - это интегральная схема, универсальный таймер - устройство для формирования (генерации) одиночных, повторяющихся импульсов со стабильными временными характеристиками, ошибка составляет около 1 %. Номинальное напряжение питания базовой версии микросхемы может находиться в пределах 4,5…16,5 В. Потребляемый микросхемой ток может достигать величины 6…15 мА в зависимости от напряжения питания.
Одна микросхема NE555 будет задавать тактовые импульсы, а вторая формировать, относительно тактового сигнала, прямоугольные импульсы.
В итоге блок-схема, приведенная на рисунке 3, преобразуется в блок-схему, показанную на рисунке 4. В данной блок-схеме изображены две микросхемы NE555, первая из которых используется для задания тактовых импульсов, задающих период колебаний, вторая же формирует сами прямоугольные импульсы. Также для управления длительностью выходных импульсов ко второй микросхеме подключается генератор тока.
Для создания данного генератора, как и для любого другого, потребуются конденсаторы, резисторы и конечно же источники питания.
Рисунок 4 - Блок-схема генератора заданной длительности на двух NE555 и микросхемах специальной логики
2.3 Выбор параметров генератора ШИМ и расчет параметров схемы генератора ШИМ
Для управления яркостью светодиодов с помощью ШИМ нужно учесть следующие параметры генератора:
1. Частота генерации импульсов: определяет скорость, с которой будут происходить изменения яркости светодиодов. Частота должна быть достаточно высокой, чтобы не было заметных мерцаний светодиодов. Обычно частота ШИМ-генератора выбирается в диапазоне от 100 Гц до 20 кГц.
2. Длительность импульсов: определяет, как долго светодиод будет светиться во время каждого импульса. Длительность импульса определяется коэффициентом заполнения - это отношение времени, в течение которого выходной сигнал находится в состоянии «включено» к периоду импульса. Обычно длительность импульса выбирается в диапазоне от 0 до 100 %, где 0 % означает, что светодиод не будет светиться, а 100 % означает, что светодиод будет светиться на полную яркость.
3. Амплитуда выходного сигнала: определяет, насколько сильно будет изменяться яркость светодиодов.
4. Сопротивление нагрузки: определяет, какой ток будет протекать через светодиоды. Сопротивление нагрузки должно быть подобрано таким образом, чтобы ток через светодиоды не превышал их максимальное допустимое значение.
5. Форма импульсов - может быть прямоугольной, треугольной, синусоидальной.
Мы же будем разрабатывать генератор со следующими параметрами:
- Частота генерации импульсов: 240 Гц;
- Коэффициент заполнения: от 50 до 100 %;
- Амплитуда выходного сигнала: 5 В;
- Сопротивление нагрузки: будет определено на этапе расчетов;
- Форма импульсов: прямоугольная.
Тактовый генератор будем строить по схеме, показанной на рисунке 5.
Следуя ранее выбранным параметрам генератора, на выходе таймера должно быть 5В, так как выходное напряжение NE(LM)555 практически равно опорному напряжению, то возьмем источник питания на 5В.
Рассчитаем значения резисторов R1, R2 и емкости C1 для частоты импульсов 240 Гц.
Емкость C примем за 0,1 мкФ. Воcпользуемся формулой 3 и выразим из нее C.
(3)
Подставим известные значения и решим уравнение относительно Ra и Rb:
Решив уравнение, получим:
Где, к примеру, R1 = 20 кОм и R2 = 20 кОм, тогда:
Выражение верно.
Проверим, что частота действительно равна 240 Гц:
Рисунок 5 - Тактовый генератор
Теперь рассчитаем параметры компонентов генератора прямоугольных импульсов. Будем строить его по схеме, показанной на рисунке 6.
Рисунок 6 - Схема генератора прямоугольных импульсов
Для обеспечения корректной работы схемы должно быть так, чтобы время заряда конденсатора C1 было не больше, чем период импульсов с тактового генератора.
В качестве источника тока была выбрана батарея.
Так, для получения скважности 100 % длительность импульса должна составлять 4,167 мс, воспользуемся формулой 4 для расчета значения тока, которым должен заряжаться конденсатор в данном случае.
(4)
Где - напряжение источника питания генератора прямоугольных импульсов.
Рассчитаем значение тока:
Для получения скважности 50 % длительность импульса должна составлять 2,084 мс. Рассчитаем по формуле 4 значения тока, которым должен заряжаться конденсатор в этом случае:
Рассчитаем напряжение у батареи на резисторах R1 и R2. Это можно сделать по формуле 5.
(5)
Где Vcc - это напряжение питания, Vbe - это напряжение на базе-эмиттере транзистора (примем его за 0.8 В). В итоге получается:
Рассчитаем сопротивления резисторов R1 и R2. Резисторы R1 и потенциометр R2 включены последовательно. Резистор R2 отвечает за максимальную силу тока, выдаваемую генератором - 160 мкА. Переменный резистор R1 отвечает за изменение тока генератора вплоть до 80 мкА. Рассчитаем сопротивления данных резисторов по закону Ома:
Также стоит рассчитать токоограничивающий резистор для светодиода, который будет подключен на выход генератора импульсов. Светодиод выберем слабомощный, чтобы не требовалось дополнительное усиление тока с выхода генератора. Возьмем светодиод красного цвета с характеристиками, представленными в таблице 3.
Таблица 3 - Характеристики светодиода
|
Параметр |
Значение |
|
|
Цвет |
Красный |
|
|
Максимальная сила света при токе Iпр., мА |
20 |
|
|
Максимальное прямое напряжение, В |
2,5 |
|
|
Максимальное обратное напряжение, В |
5 |
|
|
Максимальный импульсный прямой ток, мА |
30 |
Рассчитаем токоограничивающий резистор по формуле 6.
|
(6) |
Где R - это значение резистора в Омах, Vпит - это напряжение питания, VLED - это напряжение перехода светодиода, - это желаемый ток светодиода. Так как максимальная скважность импульсов 100 %, а это прямой ток, то примем за 11 мА. Рассчитаем:
3 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Подберем номиналы всех резисторов и потенциометров так, чтобы они удовлетворяли ряду Е24. В таблице 4 указан весь перечень используемых элементов в схеме генератора импульсов заданной длительности.
Таблица 4 - Перечень элементов схемы
|
Компонент |
Номинал |
Модель/Тип |
|
|
Тактовый генератор |
|||
|
U1 |
- |
LM(NE)555 SOIC-8 |
|
|
C1 |
1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
C2 |
0,1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
C3 |
15 пкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
R1 |
39 кОм |
1%, SMD |
|
|
R2 |
100 кОм |
1%, SMD |
|
|
R3 |
1 кОм |
1%, SMD |
|
|
Генератор прямоугольных импульсов |
|||
|
U2 |
- |
LM(NE)555 SOIC-8 |
|
|
C4 |
0,033 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
С5 |
0,1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
С6 |
15 пкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
R4 |
3 кОм |
1%, SMD |
|
|
R8 |
12 кОм |
1%, SMD |
|
|
R9 |
1 кОм |
1%, SMD |
|
|
Управление специальной логикой |
|||
|
U3 |
- |
Специальная логика, 74191 |
|
|
U4 |
- |
Вентиль, К155ЛП5 или 7408 |
|
|
U5 |
- |
Триггер, К155ТМ2 или 7474 |
|
|
U6 |
- |
Вентиль, 7432 |
|
|
U7 |
- |
Специальная логика, 74191 |
|
|
U8 |
- |
Вентиль, 4072 |
|
|
SW1-8 |
- |
Переключатель |
|
|
R5 |
1 кОм |
1%, SMD |
|
|
R7 |
1 кОм |
1%, SMD |
|
|
Светодиод |
|||
|
D1 |
- |
L-7104ID-5V |
|
|
Токоограничивающий резистор для светодиода |
|||
|
R6 |
150 Ом |
1%, SMD |
|
|
Конденсаторы по питанию |
|||
|
C (Общий) |
100 мкФ |
20%, конденсатор электролитический |
|
|
C (Тактовый генератор) |
0,1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
C (Генератор тока) |
0,1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
|
|
C (Генератор прямоугольных импульсов) |
0,1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
4. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Теперь, когда во втором разделе была представлена схемотехника и расчеты параметров отдельных частей цифрового генератора импульсов заданной длительности, объединим все составляющие схемы в ПО Proteus, так как последующую трассировку будем выполнять именно в этой программе. Схема представлена на рисунке 7. Схема питается от 5 вольт постоянного тока.
В основе построения функциональной схемы цифрового генератора импульсов заданной длительности положен принцип генерации ШИМ-сигнала, используемого в микроконтроллере. Ниже представлено небольшое описание функционирование данной схемы.
Некоторый счетчик считает от 0 до максимума и в момент обнуления генерирует сигнал сброса. В регистре хранится значение скважности ШИМ и каждый такт система сравнивает текущее значение счетчика с значением из регистра. Если они равны, то генерируется сигнал установки. В итоге получаем ШИМ-сигнал.
Для данных действий, как было определено, необходим тактовый генератор. Примерную частоту такого генератора можно посчитать по формуле 7.
(7)
Сигнал с тактового генератора подается на счетчик U3. Еще один такой же счетчик U7 используется как регистр прямоугольных сигналов. Для него так же необходимо формировать сигнал первоначального сброса, чтобы при подаче питания в нем был загружен 0. Для этого на одном из триггеров Шмидта делаем классическую схему первоначального сброса из RC цепочки R1 и C2. При подаче питания на выходе этого узла появится логический ноль с некоторой задержкой, которая зависит от емкости конденсатора C2 и сопротивления R1.
Рисунок 7 - Функциональная схема генератора импульсов заданной длительности
Используя микросхемы U4, U6 и U8, сначала формируем сравнение 4 линий с первого счетчика с 4 линиями второго счетчика. Выходы микросхемы соединяются через диоды в одну точку по схеме «Или» на диодах. Это все формирует сигнал установки. Для формирования сигнала сброса используется такая же схема «Или» на диодах, которая выдает логический ноль при обнулении счетчика U3.
В качестве элемента с устойчивым состоянием в схеме использован D-триггер U5 (микросхема К155ТМ2, 7474). Для того, чтобы избежать неопределенного состояния триггера, сигнал сброса и установки подается через буферный каскад на элементах U6, U8.
Также для стабильности работы схемы был добавлен общий электролитический конденсатор сразу после разъема для питания.
Также использован электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ для NE555, но так как на входе уже установлен такой конденсатор, то по питанию будет достаточно 0,1 мкФ. Такой конденсатор помогает устранить возможные помехи и скачки напряжения на линии питания, что обеспечивает более стабильную работу таймера. Для этой цели больше всего подходит керамический SMD-конденсатор, так как он лучше фильтрует ВЧ-помехи.
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ
Моделирование будем проводить в также ПО Proteus 8, но на основании разработанного генератора. На схему добавляются нужные элементы, такие как осциллограф и амперметр для измерения тока, который формирует токовый генератор. Схема для моделирования изображена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Схема для моделирования
При моделировании измеряется период следования тактовых импульсов. Результаты моделирования представлены на рисунке 9. При моделировании видно, что период следования составляет 4,166 мс, что всего лишь на одну тысячную миллисекунды меньше рассчитанной длительности.
Также при моделировании проводится анализ длительности выходных импульсов, которые приходят на светодиод, только для крайних положений потенциометра. При моделировании видно, что длительность импульса при таком положении ручки составила 2,193 мс, а сила тока составила с генератора 151,296 мкА. По расчетам сила тока должна быть 160, а длительность - 2,084 мс. Погрешность составляет:
Данная погрешность вызвана тем, что не совсем точно подобран резистор R4, это вызвано тем, что падение напряжения на pn-переходе транзистора отличается от 0,6 В в большую строну.
Рисунок 9 - Процесс моделирования
В итоге, по результатам моделирования можно сделать вывод, что скважность импульсов данного генератора будет лежать в диапазоне от 55 % до 99 %. Стоит отметить, что получить 100 % скважность в данной схеме можно только отключив токовый генератор с помощью ключа от конденсатора C3.
6. ТРАССИРОВКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
Трассировку печатной платы выполним в ПО Proteus. К сожалению, в данном ПО отсутствуют светодиоды для использования их в трассировке. Трассировка печатной платы представлена на рисунке 10.
Рисунок 10 - Трассировка
7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
Проектирование печатной платы было выполнено также в ПО Proteus. Спроектированная печатная плата представлена на рисунке 11 (вид сверху с компонентами).
Рисунок 11 - Вид сверху с компонентами
На рисунке 12 представлена печатная плата без элементов на ней.
Рисунок 12 - Вид сверху без компонентов
На рисунке 13 представлен фронтальный вид.
Рисунок 13 - Фронтальный вид
8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для расчета стоимости собранного цифрового генератора импульсов заданной длительности использовался один популярный интернет-магазин «Отрон»: https://otron.ru/search/. В ниже представленной таблице 5 указаны наименования компонентов, ссылки на их покупку, количество в спроектированной схеме, а также их стоимость.
Таблица 5 - Перечень элементов и их стоимость
|
Компонент |
Номинал |
Модель/Тип |
Стоимость одного компонента (руб.) |
Кол-во в схеме (шт.) |
Стоимость на 100 генераторов |
|
|
U1, U2 |
- |
NE555DT, Прецизионный таймер [SOIC-8] |
17 |
2 |
3400 |
|
|
C1 |
1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
3 |
1 |
300 |
|
|
C2, C5, C (Тактовый генератор), C (Генератор тока), C (Генератор прямоугольных импульсов) |
0,1 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
4 |
5 |
2000 |
|
|
C3, C6 |
15 пкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
2 |
2 |
400 |
|
|
C4 |
0,033 мкФ |
10%, конденсатор керамический SMD |
2 |
1 |
200 |
|
|
C (Общий) |
100 мкФ |
20%, конденсатор электролитический |
13 |
1 |
1300 |
|
|
R1 |
39 кОм |
1%, SMD |
5 |
1 |
500 |
|
|
R2 |
100 кОм |
1%, SMD |
7 |
1 |
700 |
|
|
R3, R5, R7, R9 |
1 кОм |
1%, SMD |
5 |
4 |
2000 |
|
|
R4 |
3 кОм |
1%, SMD |
5 |
1 |
500 |
|
|
R6 |
150 Ом |
1%, SMD |
7 |
1 |
700 |
|
|
R8 |
12 кОм |
1%, SMD |
5 |
1 |
500 |
|
|
U3, U7 |
- |
Специальная логика, 74191 |
35 |
2 |
7000 |
|
|
U4 |
- |
Вентиль, К155ЛП5 или 7408 |
25 |
1 |
2500 |
|
|
U5 |
- |
Триггер, К155ТМ2 или 7474 |
29 |
1 |
2900 |
|
|
U6 |
- |
Вентиль, 7432 |
26 |
1 |
2600 |
|
|
U8 |
- |
Вентиль, 4072 |
25 |
1 |
2500 |
|
|
SW1-8 |
- |
Переключатель |
20 |
1 |
2000 |
|
|
D1 |
- |
L-7104ID-5V |
27 |
1 |
2700 |
|
|
BAT1 |
- |
2N3906BU, Транзистор PNP 40В 0.2А [TO-92] |
11 |
1 |
1100 |
|
|
Итого |
35800 |
По итогам расчета стоимость компонентов для 100 генераторов составит 35800 рублей, соответственно стоимость одного генератора - 358 рублей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения курсовой работы была разработана схема цифрового генератора импульсов заданной длительности. Была рассмотрена применимость данного генератора в различных областях и отмечено его важное значение в радиотехнике, телекоммуникациях, медицинской технике и промышленности.
Были выполнены следующие задачи:
1. Изучены основные характеристики генератора импульсов заданной длительности, конструкция и принцип его работы.
2. Осуществлен выбор и обосновано техническое решение, а именно осуществлен выбор назначения генератора импульсов, электронных компонентов, параметров генератора ШИМ и осуществлен расчет параметров схемы генератора ШИМ.
3. Осуществлен выбор элементной базы разрабатываемого цифрового генератора импульсов заданной длительности.
4. Разработана функциональная схема цифрового генератора импульсов заданной длительности (в ПО Proteus 8).
5. Осуществлено моделирование цифрового генератора импульсов заданной длительности.
6. Осуществлена трассировка печатной платы, ее проектирование (в ПО Proteus 8).
7. Осуществлен расчет экономической части сборки цифрового генератора импульсов заданной длительности.
В результате выполненных задач был спроектирован цифровой генератор импульсов заданной длительности для управления яркостью светодиода с помощью ШИМ, обладающая надежностью и точностью в регулировании длительности импульсов. Частота следования тактовых импульсов составила 240 Гц, скважность выходных импульсов - от 54 % до 99 %.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Pulse generator [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_generator (дата обращения 25.08.2023).
2. xx555 Precision Timers datasheet [Электронный ресурс]. URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf (дата обращения 15.08.2023).
3. Активные фильтры и генераторы: [Электронный ресурс]. URL: http://skilldiagram.com/gl5-13.html (дата обращения 12.08.2023).
4. Генератор на NE555 с регулировкой частоты [Электронный ресурс]. URL: https://www.radioradar.net/articles/technics_measurements/generator_ne555_frequency_control.html (дата обращения 25.08.2023).
5. Генератор на NE555 с регулировкой частоты: [Электронный ресурс]. URL: https://www.radioradar.net/articles/technics_measurements/generator_ne555_frequency_control.html (дата обращения 12.08.2023).
6. Генератор электрических импульсов на таймере 555: [Электронный ресурс]. URL: https://robotclass.ru/tutorials/timer-555/ (дата обращения 15.08.2023).
7. Генераторы прямоугольных импульсов [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/4353532/page:23/ (дата обращения 25.08.2023).
8. Генераторы сигналов [Электронный ресурс]. URL: https://www.equipnet.ru/articles/tech/tech_54361.html (дата обращения 25.08.2023).
9. Многофункциональный генератор на AVR [Электронный ресурс]. URL: https://radioaktiv.ru/shems/analog/generator/183-publ_145.html (дата обращения 25.08.2023).
10. Одновибратор (таймер) на NE555 [Электронный ресурс]. URL: https://www.drive2.ru/b/453014734636058002/ (дата обращения 23.08.2023).
11. Хорвиц, П. Искусство схемотехники [Текст]: пер. с англ. / П. Хорвиц, У. Хилл. - 7-е изд. - М.: Бином, 2014. - 848 с.
12. Цифровой ШИМ генератор на дискретной логике [Электронный ресурс]. URL: https://cxem.net/beginner/beginner170.php (дата обращения 25.08.2023).
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Методы и этапы проектирования генератора пачки прямоугольных импульсов (ГППИ). Обоснование выбора узлов, элементной базы и конкретных типов интегральных схем. Принцип работы управляемого генератора прямоугольных импульсов и усилителя сигналов запуска.
курсовая работа [374,2 K], добавлен 11.01.2011Выбор схемы генератора импульсов напряжения и общей компоновки конструкции. Расчет разрядного контура генератора, разрядных, фронтовых и демпферных сопротивлений, коммутаторов импульсной испытательной установки. Разработка схемы управления установкой.
курсовая работа [904,3 K], добавлен 29.11.2012Чувствительность оптического приемного модуля. Сопротивление нагрузки фотодетектора. Интеграл Персоника для прямоугольных входных импульсов и выходных импульсов в форме "приподнятого косинуса". Длина регенерационного участка волоконно-оптической системы.
контрольная работа [80,8 K], добавлен 18.09.2012Описание схемы системы Г – Д, ее структура и основные элементы, назначение. Расчет электромагнитных процессов импульсного регулятора тока возбуждения генератора. Вычисление среднего значения тока для заданных значений скважности импульсов управления.
контрольная работа [339,6 K], добавлен 22.02.2011Устройство синхронного генератора, экспериментальное подтверждение теоретических сведений о его свойствах. Сбор схемы генератора, пробный пуск и проверка возможности регулирования параметров. Анализ результатов эксперимента, составление отчета.
лабораторная работа [221,2 K], добавлен 23.04.2012Разработка функциональной и принципиальной схемы коллекторного двигателя. Выбор диодов для выпрямителя. Расчет генератора, сечения и длины проводов для схемы подключения. Схемы соединений и подключений. Монтаж, наладка и эксплуатация устройства.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 25.10.2012Расчет и выбор элементов пассивной защиты силовых полупроводниковых приборов от аварийных токов и перенапряжений. Выбор цифровых и аналоговых интегральных микросхем. Расчет генератора высокочастотных импульсов. Внешняя характеристика выпрямителя.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 30.04.2012Свойства и характеристики синхронного генератора. Потеря энергии при преобразовании в синхронном генераторе механической энергии в электрическую. Устойчивость и увеличение перегрузочной способности генератора. Особенности параллельной работы генератора.
реферат [206,4 K], добавлен 14.10.2010Общие понятия и определения в математическом моделировании. Основные допущения при составлении математической модели синхронного генератора. Математическая модель синхронного генератора в фазных координатах. Реализация модели синхронного генератора.
дипломная работа [339,2 K], добавлен 05.10.2008Конструкция синхронного генератора и приводного двигателя. Приведение генератора в состояние синхронизации. Способ точной синхронизации. Процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа. Порядок следования фаз генератора.
лабораторная работа [61,0 K], добавлен 23.04.2012Постановка задачи синтеза электрического фильтра. Реализация схемы фильтра низких частот. Аппроксимация частотной характеристики рабочего ослабления фильтра. Расчет спектра последовательности прямоугольных импульсов на входе и на выходе фильтра.
курсовая работа [597,8 K], добавлен 02.06.2015Временные диаграммы периодических сигналов прямоугольной формы. Зависимость ширины спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов от их длительности. Теорема Котельникова, использование для получения ИКМ-сигнала. Электрические фильтры.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 23.08.2013Расчет авиационного генератора с параллельным возбуждением. Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и выпрямительного устройства. Выбор схемы выпрямителя. Зависимость плотности тока в обмотках от мощности трансформатора.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 13.01.2014Параллельная работа синхронного генератора с сетью, регулирование его активной и реактивной мощности. Построение векторных диаграмм при различных режимах нагрузки. Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа.
контрольная работа [92,0 K], добавлен 07.06.2012Характеристика эталонных установок для воспроизведения электромагнитных импульсов в России. Определение структуры эталонного источника мощных субнаносекундных электромагнитных импульсов. Разработка высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 02.10.2016Експериментальні способи зняття характеристик трифазного синхронного генератора. Схема вмикання генератора. Зовнішня характеристика як залежність напруги від струму навантаження при сталому струмі збудження. Регулювальна характеристика, коротке замикання.
лабораторная работа [204,2 K], добавлен 28.08.2015Установившийся режим трехфазного короткого замыкания синхронного генератора. Физические явления при внезапном трехфазном коротком замыкании в цепи синхронного генератора без автоматического регулятора напряжения. Процессы изменения магнитных потоков.
лекция [76,5 K], добавлен 11.12.2013Определение параметров схемы замещения, потоков мощностей и напряжений в узлах. Расчет действительного предела мощности генератора. Вычисление динамической устойчивости электрической системы при трехфазном и двухфазном на землю коротких замыканий.
курсовая работа [649,5 K], добавлен 11.02.2015Секрет летающей тарелки или противоречия в некоторых умах. Законы сохранения. Главные законы физики (механики): три Закона Ньютона и следствия из них - законы сохранения энергии, импульсов, моментов импульсов.
статья [77,4 K], добавлен 07.05.2002Электромагнитная мощность генератора постоянного тока, выбор числа пар полюсов и коэффициента полюсной дуги. Расчет обмотки якоря и магнитной цепи, построение характеристики холостого хода. Определение магнитодвижущей силы возбуждения при нагрузке.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 27.10.2011
