Размещено на http://www.allbest.ru/

Технічне завдання

В курсовій роботі розроблено цифровий пристрій, який обробляє імпульсні сигнали, що поступають від джерела, наступним чином:

1 Селектує імпульси довжиною тільки t_i = 34 мкс;

2 Збирає імпульси в групи по k = 13 імпульсів;

3 Рахує групи від 1 до 3 і зупиняє роботу пристрою після прийняття 3-х груп по 13 імпульсів в кожній;

4 Число прийнятих груп висвітлюється на люмінесцентному індикаторі;

5 Загальне число прийнятих імпульсів повинно бути записане в послідовному коді ОЗП;

6 При включенні живлення пристрою проходить автоматичний скид всіх лічильників в нульовий стан;

7 В пристрої передбачений ручний скид всіх лічильників в ноль;

8 Пристрій розроблений на мікросхемах КМОП технології;

9 Визначена потужність джерела живлення для розроблюваного пристрою.

В роботі, також, приведено обгрунтування вибору мікросхем пристрою і розраховано всі навісні елементи схеми.

1. Розробка структурної схеми

В пристрої сигнали поступають на вхід електронного ключа. Якщо він відкритий, то вони слідують далі, потрапляючи на селектор імпульсів. Селектор пропускає крізь себе тільки імпульси заданої довжини, формуючи короткочасний інформаційний сигнал, який сприймається лічильником імпульсів в групі і лічильником всіх імпульсів. По приходу заданої кількості імпульсів запускається лічильник груп, число яких в двійковому коді потрапляє на дешифратор і відображається індикатором.

Паралельно з цим лічильник загального числа імпульсів рахує всі сигнали, які пройшли через селектор. По приходу останнього сигналу в дію приходить блок запису, за допомогою якого проводиться запис інформації, відображеної на виходах лічильника загального числа імпульсів в ОЗП.

В пристрої, згідно технічного завдання, передбачено схему скидання, яка служить для первинної установки всіх лічильників в нульове положення перед початком рахунку при включенні живлення; а також під час роботи при натисненні кнопки SB1.

Структурна схема пристрою, що розробляється, може бути виконана по схемі, зображеній на рисунку 1.

Загальне призначення блоків структурної схеми:

– Ключ 1 - перший електронний ключ. Це вузол пристрою, що пропускає вхідні імпульси на вхід селектора імпульсів, доки не набрано необхідне число груп;

– Селектор - вузол схеми, який пропускає на вхід лічильника імпульсів у групі лише ті вхідні сигнали, тривалість яких дорівнює t_i = 34 мкс;

– Лічильник імпульсів в групі - являє собою лічильник з коефіцієнтом перерахунку k = 13, тобто після переходу тринадцяти імпульсів з виходу селектора цей лічильник обнулюється і видає імпульс, який є лічильним для лічильника груп;

– Лічильник груп - лічильник, який підраховує кількість груп по 13 імпульсів в кожній. Він рахує групи імпульсів від 1 до 3 і після підрахунку 3-ї групи виробляє сигнал, що закриває ключ 1. Окрім того, він повинен почати процедуру запису загального числа імпульсів в ОЗП;

– Сумарний лічильник - це лічильник імпульсів, який підраховує всі імпульси, що пройшли селектор. Вихідні показники цього лічильника (у двійковому коді) повинні бути записані в ОЗП;

– Схема скиду - вузол пристрою, який після ввімкнення живлення виробляє імпульс, що обнулює всі лічильники. Подібну операцію можна провести і вручну, натиснувши кнопку SВ1 “Скид”;

– Дешифратор - вузол пристрою, який перетворює вихідні двійкові сигнали на виходах лічильника груп в сигнали управління 7-и сегментним люмінесцентним індикатором;

– Індикатор призначений для відображення цифрової інформації;

– Генератор тактових імпульсів призначений для керування адресними входами (перебором) мультиплексора і ОЗП;

– Ключ 2 - другий електронний ключ. Відкривається сигналом з лічильника груп після набору 3-х груп і пропускає тактові імпульси з генератора тактових імпульсів на схему перебору адрес;

– Схема перебору адрес - вузол виконаний на основі лічильника, який з послідовності тактових імпульсів формує код адреси для мультиплексора і ОЗП;

– Мультиплексор - електронний перемикач, який перетворює паралельний двійковий код, котрий відповідає загальній кількості імпульсів, оброблених пристроєм, у послідовний код для запису в ОЗП. Ця операція відбувається у відповідності до коду адреси на адресних входах мультиплексора;

– Схема управління записом - вузол формує відповідні сигнали для управління перемиканням мультиплексора і записом в ОЗП виходячи з того, що передача інформації і запис мають відбуватися після установки адрес на мультиплексорові і ОЗП.

– Блок живлення - призначений для живлення мікросхем, індикатора пристрою.

2. Розрахункова частина

2.1 Розрахунок селектора імпульсів

Одновібратор виконаний на мікросхемі К561АГ1. Тривалість імпульсу на виході цього одновібратора визначається виразом:

t_i = 0.5·RC,

де RС - ланка, яка задає час. В схемі елементи R1, C1. Приймаємо величину опору R1 = 54 кОм, а резистор типу: МЛТ - 0.125 - 54к ± 10 %.

Визначаємо величину ємності конденсатора С1, виходячи з того, що тривалість вихідного імпульсу одновібратора має бути: t_i = 34 мкс. Тоді маємо:

.

Приймаємо величину ємності конденсатора С1 = 1500 пФ, а конденсатор типу: К10-17 - 1500 ± 10%.

В даному вузлі ми маємо дві диференціювальні ланки: R2С2 і R3C3. Відомо, що ланка називається диференціювальною, якщо її стала часу набагато менша за тривалість імпульсу, що диференціюється, тобто ф >> t_i = 34 мкс.

Задамося сталою диференціювання:

ф₂ = ф₃ = 1 мкс, тобто t_i = 34ф,

при цьому тривалість імпульсу на виході диференціювальної ланки рівна:

t_вих = 0.7RC =0.7ф = 0.7·10^-6 = 0.7 мкс,

де ф = RC - тала диференціювання.

Задамося величиною опорів R = R2 = R3 = 54 кОм і визначимо величину ємностей С2 та С3:

.

Приймаємо величину ємності конденсаторів С2 = С3 = 22 пФ.

Остаточно приймаємо типи конденсаторів і резисторів:

С2, С3: К10-17 - 22 ± 5%,

R2, R3: МЛТ - 0,125 - 54 к ± 10%.

2.2 Розрахунок схеми скиду

Короткий імпульс скиду формується елементом DD1.2 і інтегруючою ланкою R4C4. Виходячи з закону комутації в момент ввімкнення живлення U_C4 = 0. На виході DD1.2 - високий рівень по мірі заряду конденсатора С4 напруга на ньому зростає за законом:

U_С4 = E_ж(1 - e-^t/),

де ф - стала ланцюга R4C4; t - час заряду, с, приймаємо t = 10-⁶ с; E_ж - напруга живлення, В, для мікросхем з типом логіки КМОП E_Ж = 9 В.

Порогова напруга, при якій спрацьовує мікросхема КМОП така:

U_пор ? E_ж /2 = 9/2 = 4.5 B.

Підставимо значення і отримаємо:

e-^t/ф = (E_Ж - U_C1)/E_Ж = (9 - 4.5)/9 = 0.5,

причому U_C1 = U_пор = E_Ж /2 = 4.5 В.

Після перетворення отримаємо:

ф = 1.44 t = 1.44·10-⁶ с.

Приймаємо опір резистора R4 = 54 кОм, тип - МЛТ - 0.125 - 54к ± 10%.

Зі співвідношення ф = R4C4, визначаємо ємність конденсатора С4:

.

Приймаємо С4 = 33 пФ, тип К10-17 - 33 ± 10%.

В схему включено два діоди, які виконують функцію АБО. Критерієм для вибору діоду служать допустима зворотна напруга на діоді, прямий струм і пряма напруга.

Діоди VD1, VD2 вибираємо КД 522Б, його характкристики такі:

І_пр = І_max = 1.5 A; U_oбp = 50 В; U_np = l.1 В.

2.3 Розрахунок генератора тактових імпульсів

Генератор виконаний на елементах DD5.1, DD5.2. Ланка генератора, яка задає час складається з елементів R5, R6, C5. Так як в умові не зазначено швидкість запису даних в ОЗП, то приймаємо частоту імпульсів генератора:

f = 1 МГц.

Тоді період генератора дорівнює:

= 1 мкс,

а тривалість імпульсу рівна (при Q = 2):

t_імп = T/2 = 1/2 = 0.5 мкс.

Перiод пов'язаний з часозадаючим ланцюгом спiввiдношенням:

Т = 0.7·RС,

де R5 = R6 = R - опори резисторів генератора тактових імпульсів; С = С5 - ємність конденсатора в ланцюзі генератора.

Визначимо значення добутку RС:

.

Приймаємо R5 = R6 = R = 54 кОм, тип - МЛТ - 0.125 - 54к ± 10%.

Знаходимо ємність конденсатора, врахувавши опори резисторів:

.

Приймаємо С5 = 33 пФ, тип К10-17 - 33 ± 10%.

2.4 Розрахунок схеми управління записом даних в ОЗП

Одновібратор виконаний на мікросхемі DD2.2. Ланка R7C6 задає час вихідного імпульсу. Тривалість вихідного імпульсу повинна бути менше половини тривалості імпульсу генератора для встановлення адреси, тобто рівна:

t_вих = 0.5·T = 0.5 мкс.

Тоді маємо:

t_вих = 0.5·R7C6.

Звідки:

R7C6 = t_вих /0.5 = 0.5/0.5 = 1 мкс.

Приймаємо R7 = 54 кОм, тип - МЛТ - 0.125 - 54к ± 10%.

Знаходимо ємність конденсатора, врахувавши опір резистора:

.

Приймаємо С6 = 22 пФ, тип К10-17 - 22 ± 5%.

2.5 Розрахунок схеми перебору адрес

Елементами схеми перебору адрес є диференціююча ланка R8C7 і мікросхема DD1.3. При роботі мікросхеми імпульс стробу запису має бути рівний:

t_зап ? 450 нс.

Для диференціюючої ланки маємо:

t_вих = t_зап = 0.7ф =0.7R8C7,

де ф = R8C7 - cтала диференціювання.

Задамося величиною опору R8 = 54 кОм, тип - МЛТ - 0.125 - 54к ± 10%.

Визначимо величину ємності С7:

.

Приймаємо С7 = 15 пФ, тип К10-17 - 15 ± 10%.

2.6 Розрахунок елементів схеми індикації

Для узгодження виходів дешифратора DD10 по струму і напрузі з індикатором HL1 приймаємо узгоджуючи резистори R9…R14.

Опiр узгоджуючих резисторiв R розраховуємо за формулою:

,

де U_вих - вихідна напруга мікросхем - U_вих = 8.5 В; U_прVD - пряма напруга на сегментах індикатора - U_прVD = 50 В; I_прVD - прямий струм сегментів індикатора I_прVD = 0.8 мА.

Приймаємо R9…R14 = 54 кОм, тип - МЛТ - 0.125 - 54к ± 10%.

3. Вибір і опис мікросхем

Для побудови проектованого пристрою необхідні два одновібратори (один застосовується для побудови селектора імпульсів по тривалості, інший служить для встановлення адреси запису інформації в ОЗП і вибору ключа мультиплексора). Вибираємо мікросхему К561АГ1 - здвоєний мультивібратор. Мультивібратор призначений для формування імпульсів заданої тривалості.

Кожний мультивібратор має два виходи: прямий та інверсний.

Мультивібратор може бути запущений будь-яким перепадом імпульсу заданої тривалості. Вхід “+TR” запускає мультивібратор фронтом імпульсу, а вхід “-TR” - спадом імпульсу, невикористані входи при цьому слід приєднати: “+TR” до заземлення, a “-TR” до напруги живлення. Вхід скидання R використовують для укорочення вихідного імпульсу, або для попередження появи вихідного імпульсу при включенні живлення. Якщо вхід R не використовується, то його приєднують до напруги живлення.

Споживаний даною мікросхемою струм - 0,02 мкА.

Проектований пристрій містить в собі лічильники, які рахують кількість імпульсів в групі, кількість груп, кількість всіх імпульсів, що приходять, а також лічильник для установки адреси ОЗП і мультиплексора. Для кращої взаємозамінності застосовуємо лічильники одного виду, які виконані на базі мікросхеми К561ИЕ10 - здвоєний синхронний чотирьохрозрядний двійковий лічильник-подільник.

Кожний з лічильників складається з чотирьох D-триггерів. Входи “С” (синхронний вхід) і “Е” (вхід дозволу) взаємозамінні, але відрізняються протилежним активним рівнем, тому можна організувати рахунок, як по передньому, так і по задньому фронтах імпульсу. При рахунку по передньому фронту на вхід “Е” слід подавати напругу високого рівня, а на вхід “С” подають рахункові імпульси. При рахунку по задньому фронту імпульсу вхід “С” заземляється, а на вхід “Е” подають рахункові імпульси.

При подачі на входи “R” (скидання) напруги високого рівня відбувається асинхронне скидання лічильників.

Мінімальна тривалість імпульсу скидання складає 250 нс, мінімальна тривалість дозволу - 400 нс. Споживаний даною мікросхемою струм - 5 мкА.

З виходу лічильника груп інформація знімається в двійковому коді. Для відображення даної інформації, яка показує, скільки груп імпульсів пройшло крізь селектор застосовується вакуумний люмінесцентний семисегментний індикатор. Для перетворення двійкового коду номера групи в позиційний код люмінесцентного індикатора використовується дешифратор, виконаний на базі мікросхеми К561ИД5. Вихідні підсилювачі дешифратора дозволяють видавати на індикатор змінну напругу з амплітудою, в два рази перевищуючу напругу живлення.

З входу дані поступають на схему зсуву рівнів, у якої є додатковий вхід змінної напруги. Схема зсуву рівня дозволяє розширити у бік негативної полярності амплітуду змінного сигналу на індикаторі. З цією метою у мікросхеми зроблений вхід негативної напруги -U. З імпульсами збільшеної амплітуди працюють дешифратори і сім підсилювачів сигналів сегментів (а - g).

“Запалення” сегментів здійснюється за допомогою входу F, сигнал на якому може перевести вихідні сигнали сегментів на високий рівень (або низький) або подати на них змінні прямокутні імпульси. Якщо на вході F напруга низького рівня, на виходах вибираних сегментів з'являться напруги високого рівня.

Споживаний даною мікросхемою струм - 0.04 мкА.

Інформація про кількість груп імпульсів повинна відображатися на люмінесцентному індикаторі, тому вибираємо індикатор типу ІВ-3А - однорозрядний цифро-знаковий люмінесцентний індикатор.

ІВ-3А є електричною лампою тріод з позитивним потенціалом на сітці. Напруга на сітці і аноді однакова. Розжарена нитка випускає електрони, які, пролетівши крізь сітку, бомбардують анод. На поверхню анодів-сегментів нанесений шар катодолюмініфору, котрий під впливом люмініфору починає світитися зеленим або червоним.

Індикатор являє собою балон, в якому всі аноди-сегменти розміщені в одній площині. Кут огляду індикатора досягає 120°-140°.

Яскравість свічення - 500 кд/м²; напруга на аноді і сітці - 20В; напруга накалу - 0.7…1 В; сумарний струм анодів - 2 мА; сітки - 2.5…5 мА; струм накалу - 45…55 мА; маса - 70 г; гарантійне напрацювання - 10000 годин.

Запис інформації в ОЗП проводиться в послідовному коді, але, оскільки вона знімається з виходів лічильника всіх імпульсів в паралельному коді, то необхідно включити мультиплексор. Він в своїй роботі по черзі пропускає інформацію, що стоїть на вході, в паралельному коді на єдиний вихід, але вже в послідовному коді. Даним вимогам відповідає мікросхема К561КП2 - мультиплексор-демультиплексор, що містить вісім каналів комутації цифрових і аналогових сигналів. Мікросхема має вісім входів і один вихід, два виводи живлення: позитивне і негативне. Він керується трьохрозрядним вхідним кодом (1, 2, 3). Схема має вхід дозволу V, якщо на ньому присутній високий рівень, всі канали розмикаються. Опір включеного сигналу знаходиться в межах 0.5…2.5 кОм. Час затримки розповсюдження сигналу в каналі не перевищує 30 нс.

Споживаний даною мікросхемою струм - 5 мкА.

Для запису інформації в послідовному коді, її зберігання і зчитування застосовуємо оперативний запам'ятовуючий пристрій на базі мікросхеми К561РУ2 - статичне ОЗП, що має 256 біт зберігання даних. В ОЗП розташовується матриця 16Ч16 тригерів. Відповідно є 16 стовпчиків і 16 рядків керування. ОЗП має вісім входів адрес. Розряди А0 - A3 вибирають адреси рядка, розряди А4 - А7 - адреси стовпчика. Кожна група розрядів керується дешифратором на 16 положень.

Біт зберігання даних вноситься в пам'ять за вибраною адресою А0 - А7 через вхід D. Адреса комірок запису і адреса комірок зчитування вибираються в довільному порядку. Для читання і запису на схід СS слід подати напругу низького рівня. Напруга високого рівня на вході CS забороняє операції читання і запису. У момент високого рівня на вході CS можна міняти адреси комірок (незалежно від рівня на вході WR). Вхід CS в схемах, де об'єднується багато корпусів К561РУ2, служить сигналом вибору окремого корпусу.

Виходи стануть активними (читання), якщо на обох входах CS і WR рівні низькі. Якщо на вході WR змінити рівень на високий - можна записати інформацію.

ОЗП К561РУ2 споживає статичну потужність 10 нВт, споживаний даною мікросхемою струм - 10 мкА, час виведення з пам'яті 310 нс. На вхід D потрібно подавати напругу високого чи низького рівня КМОП.

4. Розрахунок потужності блоку живлення

Розрахунок ведемо виходячи з паспортних даних мікросхем і індикатору. Всі дані зводимо до таблиці 1.

№ п/п	Позначення на схемі	Тип ІМС	Кількість	Потужність однієї ІМС, мкВт	Сумарна потужність, мкВт
1	DD1, DD5, DD11	К561ЛА7	9	2.25	20.25
2	DD2	К561АГ1	2	0.18	0.36
3	DD3, DD4, DD6	К561ИЕ10	5	45	225
4	DD7	К561ЛИ3	3	18	18
5	DD8	К561КП2	1	45	45
6	DD9	К561РУ2	1	90	90
7	DD10	К561ИД5	1	0.36	0.36
8	HL1	ИВ-3А	1	2700	2700

Сумарна потужність яку споживає весь пристрій рівна:

P_потр = 0.3099 мВт.

Звідси слідує, що при напрузі живлення мікросхем серії КМОП U_n = 9 В струм, що споживається пристроєм дорівнює:

I_потр = Р_потр/U_п = 0.3099/9 = 34.4 мкA.

5. Принцип дії пристрою

При ввімкненні живлення імпульс тривалістю 250 нс, який виходить з елемента DD1.2 скидає (обнуляє) лічильники DD2, DD4, DD6. При необхідності операцію скидання можна провести вручну, натискуючи кнопку SB1. Після цього пристрій готовий до прийняття вхідних імпульсів, так як електронний ключ на елементі DD1.1 відкритий.

По приходу імпульсу на вхід 2 елемента DD1.1 на його виході встановлюється сигнал низького рівня, який запускає мультивібратор DD2.1, при цьому мультивібратор формує сигнал заданої тривалості - 34 мкс.

Сигнали з інверсного виходу Q одновібратора DD2.1 і з виходу DD1.1 приходять на диференціюючі ланцюги R2C2 і R3C3 відповідно, які виділяють фронти імпульсів. У випадку, якщо на вхід DD1.1 прийде імпульс заданої тривалості, на обидва входи елемента порівняння DD1.4 одночасно прийдуть короткочасні імпульси високого рівня. В цьому випадку на виході елемента порівняння DD1.4 буде короткочасний сигнал низького рівня, який сприймається лічильником імпульсів DD3.1 як імпульс для рахунку.

У випадку, якщо на вхід DD1.1 приходять імпульси тривалістю, відмінною від заданої, сигнал на виході елемента порівняння не формується, тобто постійно присутній сигнал високого рівня, оскільки не забезпечується одночасний прихід фронтів імпульсів на диференціюючі ланцюги.

Пройшовши селектор, імпульси потрапляють на вхід “С” лічильника імпульсів групи DD3.1, який забезпечує рахунок імпульсів від 1 до 13, при цьому лічильник спрацьовує по передньому фронту імпульсу входу.

По приходу 13-го імпульсу на виході елемента DD3.1 формується сигнал високого рівня, який приходить на рахунковий вхід “С” лічильника DD3.2, що підраховує кількість груп імпульсів. Цей же сигнал приходить на вхід скидання лічильника DD3.1 і обнуляє його. Після 3-x циклів на виходах 11 і 12 DD3.2 встановлюються сигнали високого рівня, які потрапляють на інвертування DD5.4, на виході якого встановлюється сигнал низького рівня, що закриває DD1.1. мікросхема потужність цифровий імпульс

Одночасно з цим лічильники DD4.1 і DD4.2 закінчують підрахунок всіх імпульсів, що пройшли через селектор (39 імпульсів). По приходу останнього імпульсу відкривається ключ DD7.3. Лічильник DD6.1 пропускає вісім імпульсів, які виробляються генератором на елементах DD5.1 і DD5.2 і служать для установки адреси ОЗУ і вибору ключа мультиплексора DD8.

Одночасно з кожним з восьми імпульсів, що приходять, запускається чекаючий мультивібратор DD2.2 (вихідний сигнал Q якого дозволяє проводити зміну адрес мультиплексора, тобто поступає на вхід V). Також диференціюючий ланцюжок R8C7 виробляє позитивний строб (який приходить на вхід D мікросхеми DD9) для запису інформації в ОЗУ, який інвертується DD1.3 і поступає на вхід дозволу CS (відбувається зміна адреси ОЗУ).

Література

1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М. Радио и связь. 1988.

2. Зубчик В.И., Сигорский В.П. Справочник по цифровой схемотехнике. - К. Техника.1990.

3. Пароль Н.В, Кайдалов С.А. Знакосинтезируещие индекаторы и их применение - М. 1989.

4. Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства - К. Наукова думка. 1994.

5. Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Тарабрина Б.В. - М. 1989.

6. Фролов В.В. Язык радиосхем. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.: ил.

7. Основы цифровой техники / Л.А.Мальцева, Э.М.Фромберг, В.С.Ямпольский. - М.: Радио и связь, 1987. - 128.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...