Разработка структурной схемы устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ постановки задачи

1.1 Расчет разрядности АЦП

2. Разработка структурной схемы устройства

2.1 Описание управляющих сигналов

2.2 Описание элементов структурной схемы устройства

2.3 Описание работы устройства

3. Разработка функциональной схемы устройства

3.1 Аналоговый коммутатор

3.2 Счётчик

3.3 АЦП

3.4 Операционный усилитель

4. Выбор и обоснование элементной базы для реализации устройства

4.1 Выбор АЦП

4.2 Выбор коммутатора

4.3 Выбор счетчика

4.4 Выбор микросхем И-НЕ

4.5 Выбор конденсаторов

5. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

5.1 Управление считыванием информации

6. Расчеты, подтверждающие работоспособность устройства

7. Разработка конструкции устройства

Заключение

Список использованной литературы

Приложение А. Структурная схема устройства

Приложение Б. Функциональная схема устройства

Введение

Выполнение данного проекта предусмотрено рабочим планом подготовки бакалавров по направлению 6.0915 - «Компьютерная инженерия» для студентов дневной и заочной формы обучения.

Курсовое проектирование преследует следующие цели:

повторение и закрепление основных разделов дисциплины «Компьютерная электроника и схемотехника»;

приобретение навыков работы с элементной базой современной компьютерной техника;

освоение приемов синтеза и анализа электронных схем;

приобретение навыков схемотехнического проектирования и изготовления соответствующей конструкторской документации.

Достижение этих целей необходимо для дальнейшего постижения всех тонкостей такого прекрасного и увлекательного предмета в области знаний, как схемотехника. А также это поможет приобщить студента к трудолюбию и умению создавать законченные продукты пользования.

Одним из таких продуктов является устройство аналогового ввода сигналов заданной формы представления, разрабатываемое с характеристиками, согласованными с вариантом.

А сама разработка проекта включает в себя расчет характеристик устройства, подбор элементной базы, разработку структурной, функциональной и электрической принципиальной схем устройства, разработку схем печатного монтажа.

разрядность структурный схема устройство

1. Анализ постановки задачи

В рамках курсового проекта необходимо разработать устройство ввода информации в ЭВМ.

Согласно варианту, устройство должно иметь следующие параметры:

число каналов аналогового ввода: 4;

диапазон входных напряжений по каждому каналу: 0-1;

диапазон частоты входных сигналов: 0-50;

погрешность преобразования входного сигнала: 0.05%;

критерий для выбора элементной базы: минимум потребляемой мощности;

тип интерфейса: И-41.

В связи с ограниченным курсом лекционного материала, разработка интерфейса была снята, информация выводится на светодиоды.

Основным элементом устройства аналогового ввода информации является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует аналоговое входное напряжение в выходной двоичный цифровой код, соответствующий квантованному аналоговому входному сигналу.

Возможны два варианта решения поставленной задачи:

- использование в устройстве 2 АЦП;

- использование одного АЦП и схемы выбора сигнала.

В первом случае каждый из аналоговых сигналов подается на свой АЦП.

Такая схема реализации проще, однако, если учесть, что рыночная стоимость АЦП довольно велика, и добавляет в схему дополнительные потребители мощности, то сразу станет очевидно, что он такого варианта нужно отказаться.

Во втором варианте используется только один АЦП, а выбор сигнала, который будет подаваться на его вход, осуществляется при помощи аналогового коммутатора. В этом случае схема несколько усложняется в плане построения правильной логики обработки сигналов, но суммарные денежные затраты сокращаются. В дальнейшем будет рассматриваться только второй вариант.

1.1 Расчет разрядности АЦП

Поскольку выходной цифровой код может принимать только определённые дискретные значения, то в процессе преобразования неизбежны систематические ошибки (ошибки квантования). Погрешность преобразования входного сигнала не должна превышать заданную в варианте погрешность P. Для этого у АЦП должно быть достаточное количество разрядов. Расчет числа разрядов АЦП осуществляется согласно формуле 1.1.

(1.1)

где N - число разрядов АЦП;

P - погрешность квантования.

Так как P = 0.0005, то согласно формуле 1.1 получаем Т ~ 11.

Полученной значение числа разрядов перекрывает заданную погрешность квантования, что удовлетворяет поставленной задаче.

Так как найти 11-разрядный АЦП очень сложно, то в разрабатываемом устройстве будем использовать 12-разрядный АЦП, старший разряд которого просто не будет использоваться. Список возможных АЦП и их зарубежные аналоги приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Список возможных АЦП

Описание АЦП	Аналог
Fast complete, 12-bit A/D converter	ADADC84 ADADC85S-10 ADADC85S-12
Complete, 12-bit successive circuit A/D converter	ADADC80
Complete, 12-bit Monolithic A/D Converter	AD9220 AD9221 AD9222 AD9223 AD9224 AD9225
12-bit, 3Msps, Sampling A/D Converter	LTC1412 LTC1412C LTC1412CG LTC1412I LTC1412IG

2. Разработка структурной схемы устройства

Структурная схема описывает основные функциональные части разрабатываемого устройства, их назначение и связи между ними. Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений.

В первом случае наименования, обозначения и типы обычно вписываются внутрь прямоугольников. Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии.

2.1 Описание управляющих сигналов

На вход устройства подаются следующие сигналы:

- 4 входных аналоговых сигнала - исходные сигналы, которые требуется перевести в цифровой вид;

- сигнал выбора аналогового входа - определяет входной сигнал, который нужно обработать;

- сигнал запуска - сигнал, по которому происходит запуск устройства.

Всего в цепях связи у данного устройства можно выделить три вида сигналов:

- адреса

- данных

- осведомительные и управляющие.

Информационные сигналы во входных цепях представляют информацию, подлежащую обработке, а в выходных - результирующую информацию. Выходными сигналами является n-разрядное представление входного сигнала в цифровом виде.

Адресные сигналы в простых системах, не предусматривающих обмен между несколькими источниками и приемниками, могут отсутствовать. Сигналы управления и оповещения обязательно используются в любом, даже простейшем устройстве для обеспечения связи и заданного порядка обмена данными между устройствами системы, синхронизации из работы.

К ним относятся сигналы начальной установки и сброса, готовности, пуска, стробы сопровождения информационных и адресных сигналов. Все сигналы с описанием их параметров и назначения сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 Сигналы и их назначение

Сигнал	Назначение сигнала	Тип сигнала	Уровень сигнала	Куда поступает
In1, In2…In4	Информация, подлежащая обработке	Информационный	Аналоговый сигнал в диапазоне от 0 до 1 В	Аналоговые входы коммутатора
A0…A1	Номер канала, который нужно пропустить	Адресный	Логический ноль либо единица	Адресные входы коммутатора
Busy	Сигнал работы АЦП	Управляющий	Логический ноль либо единица	На вход счетчика
Data1…Data11	Цифровой эквивалент аналогового сигнала	Информационный, осведомительный	Логический ноль либо единица	На входы светодиодов

2.2 Описание элементов структурной схемы устройства

Согласно заданным параметрам, устройство будет иметь структуру, представленную в приложении А.

Схема устройства содержит следующие функциональные блоки:

АК - аналоговый коммутатор - служит для выбора из четырех аналоговых сигналов того, который подлежит обработке;

ОУ - операционный усилитель;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь на 12-разрядов;

СЧ - счётчик - служит для сообщения адреса очередного сигнала, который необходимо обработать;

СВ - светодиоды - служат для получения сведений о работе устройства.

2.3 Описание работы устройства

Принцип работы устройства является типовым для устройства ввода информации. Основными его пунктами являются:

Последовательный прием информации с одного аналогового входа на АЦП.

Преобразования аналогового сигнала в цифровой.

Передача преобразованного сигнала на шину данных.

Передача данных через шинный формирователь на светодиоды для проверки полученного двоичного значения, а также сигнал пропускания следующего аналогового сигнала.

Учитывая характеристики и параметры разрабатываемого устройства, на основании обобщенного алгоритма можно составить описание работы устройства.

Устройство начинает работу, если на счётчик пришел сигнал начала работы. Счётчик начинает последовательно считать до 4, после чего формируется сигнал сброса счетчика в ноль, так как всего необходимо опросить 4 канала аналогового сигнала.

Двоичное значение на выходе счётчика поступает на аналоговый коммутатор. Коммутатор пропускает тот аналоговый сигнал, адрес которого соответствует сигналу на выходе счётчика.

Далее пропущенный сигнал поступает на вход АЦП. АЦП преобразует данный аналоговый сигнал в эквивалентный ему цифровой и передаёт дальше на светодиоды, являющиеся осведомительным средством для пользователя.

Также формируется сигнал того, что АЦП в данный момент обработало сигнал и готово принимать следующий, который поступает на вход счётчика, тем самым увеличивая значение на его выходе на единицу.

3. Разработка функциональной схемы устройства

Функциональная электрическая схема разрабатывается для того, чтобы разъяснить определённые процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом, она необходима для изучения принципа работы изделия, функциональная схема также используют при наладке, регулировке, контроле и ремонте изделий. На схеме обычно приводят технические характеристики отдельных частей, а также поясняющие надписи, диаграммы или таблицы, определяющие последовательность процессов во времени, параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов, математические зависимости). В отличие от принципиальной электрической схемы устройства, на функциональной схеме обозначения элементов могут не совпадать с соответствующими элементами интегральных схем, а отражать только свойства элементов, необходимых для обеспечения функционирования устройства.

Конечный вариант синтеза любого технического устройства неоднозначен. Выбор окончательного решения зависит от заданных критериев оптимизации устройства, возможностей имеющейся элементной базы, использования микросхем различной степени интеграции. Поскольку в варианте задания существует критерий оптимизации по потребляемой мощности, то при синтезе устройства будем придерживаться именно ему.

Функциональная схема приведена в Приложении Б. Рассмотрим подробнее состав и функционирование отдельных узлов с обоснованием выбора элементов.

3.1 Аналоговый коммутатор

Аналоговый коммутатор служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Поскольку разрабатываемое устройство имеет четыре канала аналогового ввода информации, то и в коммутаторе будут использованы четыре аналоговых входа для входных сигналов и три цифровых входа для выбора нужного сигнала. Сигналы, поступающие на цифровые входы, являются адресными и идут от счётчика, который будет рассмотрен далее.

3.2 Счётчик

Счетчик служить для последовательного изменения двоичного сигнала, поступающего на цифровые входы коммутатора на единицу. Это позволит обрабатывать по одному аналоговому сигналу, от первого до четвертого. После обработки аналогового сигнала с очередного входа счетчик увеличивает свое состояние на 1.

3.3 АЦП

На сегодняшний день существуют функционально законченные, высокоинтегрированные АЦП, уже включающие в себя схемы сравнения сигналов, задающие импульсные генераторы, которые обеспечивают преобразование данных в определённые промежутки времени и тому подобные элементы. С целью минимизации числа корпусов, упрощения схемы и снижения денежных затрат на составляющие, рекомендуется использовать именно такой АЦП.

Кроме того, входное напряжение задано в диапазоне от 0 до 1 В, т.е. формируемые на выходе схемы значения могут быть только положительными.

3.4 Операционный усилитель

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

4. Выбор и обоснование элементной базы для реализации устройства

Как известно, серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Современные устройства компьютерной техники обычно не удаётся эффективно реализовать с использованием микросхем только одной серии.

Правильно выбранная элементная база позволяет снизить потребляемую мощность, стоимость и сложность аппаратуры.

Всегда следует стремиться к снижению потребляемой мощности и повышению степени интеграции используемых микросхем.

Это не только улучшает эксплуатационные характеристики, но и позволяет существенно уменьшить габариты и вес аппаратуры за счет уменьшения размеров источников питания и исключения из конструкции устройств вентиляции. Улучшение теплового режима повышает надежность изделия.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Известно, что требования малой потребляемой мощности и высокого быстродействия практически всегда являются противоречивыми.

Поэтому, где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности, применяют ТТЛ технологию. В данном курсовом проекте, в связи требованием малой потребляемой мощности, мы отдадим предпочтение сериям микросхем на КМОП технологии.

Так как самый главный параметр в выборе микросхем, а именно их серия, был определён, и, как известно, параметры у элементов одной серии схожи, то можно сразу же перейти к непосредственному выбору наиболее экономичных в плане потребления мощности микросхем.

4.1 Выбор АЦП

Из таблицы 1, приведённой в пункте 1.1, выбираем наиболее подходящий нам АЦП - LTC1412.

Данный АЦП является сопрягаемым с микросхемами КМОП логики. В его состав входят узел сравнения полярности сигнала, буфер, временная логика, встроенный задающий генератор, есть возможность биполярного подключения. Потребляемая мощность составляет всего 150 милливатт. Не имеет задержки в очереди ожидания преобразуемого сигнала.

4.2 Выбор коммутатора

Для организации логики выбора сигнала, возьмём такой коммутатор как AD7519.

Данный коммутатор представляет собой четырехканальный коммутатор тока, сопротивление в открытом состоянии не более 100 Ом, ток потребления при уровне высокого напряжения не более 400мкА.

4.3 Выбор счетчика

Для пошагового преобразования сигналов будем использовать наиболее подходящий нам четырёхразрядный синхронный счетчик - SN74LS162A.

Данный счётчик идеально подходит для сопряжения его с микросхемами, выполненными по КМОП технологии, а также имеет временную частоту срабатывания равную 32 мегагерц и срабатывает по переднему фронту импульса. Имеет небольшую рассеиваемую мощность в 93 милливатт и вывод загрузки, при помощи которого будет запускаться устройство в целом.

4.4 Выбор операционного усилителя

Для реализации выбран операционный усилитель модели К140УД7. Напряжение питания составляет ±15В ±10%, коэффициент усиления не менее 30000, ток потребления не более 3,5 мА.

4.5 Выбор конденсаторов

В данной работе конденсаторы используются для обеспечения правильного функционирования АЦП. В общей сложности необходимо 3 конденсатора одинакового номинала в 10 микрофарад.

5. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

Принципиальная электрическая схема определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы изделия. Принципиальные схемы служат основанием для разработки других конструкторских документов, например, схем соединений и чертежей. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы, необходимые для осуществления и контроля заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, а также электрические элементы (разъемы, зажимы), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Как правило, принципиальные схемы и их отдельные элементы вычерчивают в виде условных графических изображений; при изображении элементов с большим количеством выводов допускается изменять размеры их обозначений по сравнению с приведенными в стандартах, не нарушая ясность схемы.

Каждый элемент, входящий в изделие и изображенный на схеме, имеет позиционное обозначение, составленное из буквенного обозначения и порядкового номера. На принципиальной схеме однозначно определены все элементы, входящие в состав изделия и изображенные на схеме. Как правило, данные об элементах помещают в их перечень, при этом связь перечня с условными графическими изображениями элементов осуществляется через позиционные обозначения.

Электрическая принципиальная схема устройства приведена в приложении В, перечень используемых элементов приведен в приложении Г.

5.1 Управление считыванием информации

При считывании готовой информации, сформированной АЦП, для обеспечения своевременного считывания возможны 3 варианта:

Использовать сигнал готовности данных для организации системы прерываний. В этом случае, когда данные сформируются, произойдет прерывание и микроконтроллер считает сформированные данные.

Организовать циклический опрос с использованием сигнала готовности АЦП, который будет являться своего рода флагом. Когда флаг формируется - происходит опрос очередного канала.

Не использовать сигнал готовности данных, а, зная общую временную задержку при работе устройства, организовать режим ожидания, пока данные не будут сформированы через указанное время.

В данном курсовом проекте рассматривается второй вариант.

6. Расчеты, подтверждающие работоспособность устройства

Расчет мощности. Суммарная мощность, потребляемая элементами, находится по формуле 6.1.

(6.1)

где I -- ток, потребляемый микросхемой,

U -- напряжение питания.

Тогда суммарная мощность составит:

Ватт.

Расчет времени задержки. Приблизительное время задержки можно оценить по следующей формуле 6.2.

(6.2)

где -- время задержки аналогового коммутатора;

-- время задержки АЦП;

-- время задержки ОУ;

-- время задержки счётчика;

Тогда суммарная задержка составит:

сек.

Минимум потребляемой мощности в какой-то мере заставляет обходиться минимумом корпусов интегральных микросхем, что в свою очередь ведет к упрощению разрабатываемого устройства.

Исходя их теоремы Котельникова:

, откуда , =0,02 Гц

То есть, устройство должно работать с большим быстродействием, чем частота поступления на вход сигнала.

7. Разработка конструкции устройства

Топологическое конструирование печатной платы включает в себя размещение электрорадиоэлементов на рабочей поверхности печатной платы и трассировку соединений между контактными площадками.

Выбор размеров и вида платы может производиться как до процесса конструирования исходя из соображений унификации в пределах устройства, так и в процессе по промежуточным результатам разработки топологии плат.

Размещение компонентов на печатной плате осуществляется чаще всего исходя из критерия минимума длины связей и пересечений.

Первое условие подразумевает расположение рядом друг с другом элементов, имеющих максимум электрических связей в схеме, второе - минимум переходных отверстий, что обеспечивает технологичность по минимуму числа слоев.

Печатные проводники располагают равномерно по рабочей площади печатной платы на максимально возможном расстоянии от соседних элементов проводящего рисунка платы.

Поскольку схема разрабатываемого устройства довольно проста и нет дополнительных ограничений на размеры печатной платы, то при компоновке печатной платы печатные проводники можно расположить следующим образом: на верхнем слое располагаются проводники, параллельные элементам, а на нижнем - перпендикулярные им.

Таким образом, никакие проводники не будут между собой пересекаться, образуя непредусмотренные схемой соединения.

Основные параметры конструкции:

- Конструкция выполнена на плате толщиной 1,5 мм.

- Монтаж выполнен проводниками толщиной 0,25 мм.

- Ширина сети 0,33 мм.

- Шаг координатной сетки 1,27 мм.

- Отверстия металлизированы.

- Внешний диаметр технологического отверстия 2 мм.

- Внутренний диаметр технологического отверстия 1 мм.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта было сделано следующее:

спроектировано устройство ввода информации заданной формы представления, основой которого является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Разработанное устройство имеет широкий спектр применения. Устройства аналогичного действия применяются в компьютерной технике, в измерительных устройствах, устройствах управления и т.д.;

закреплены навыки проектирования схем цифровых устройств, полученные в ходе изучения дисциплины «Компьютерная электроника и схемотехника»;

Кроме того:

частично изучена зарубежная и отечественная элементная база;

изучена предлагаемая по данной теме литература;

получены навыки трассировки печатных плат;

частично изучены государственные стандарты по оформлению электронных схем;

получены навыки в оформлении технической документации.

Список использованной литературы

1. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Компьютерная электроника и схемотехника» для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению подготовки 6.0915 - «Компьютерная инженерия» / Сост. Е.С. Ядовина, Ю.Л. Явкун. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2002. - 36с.

2. Якубовский С.В. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы - М.: Радио и связь, 1985. - 432.

3. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. -- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 320с.:ил.

4. Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. - 2-ое изд. - М. «Вильямс», 2007. - С. 912.

5. Популярные цифровые микросхемы: Шило В. Л.: Справочник .- М.: Радио и связь, 1987. -357с.: ил.

6. Datasheet catalog

Приложение А. Структурная схема устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

АК - аналоговый коммутатор

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

СЧ - счетчик

СВ - светодиод

Приложение Б. Функциональная схема устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

АК - аналоговый коммутатор

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

СЧ - счетчик

СВ - светодиод

Логические схемы 2И-НЕ и 3И-НЕ

Размещено на Allbest.r

...