Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство просвещения ПМР

ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Отделение Информационных технологий и экономических дисциплин

Дипломная работа

Тема: Разработка электрической схемы стенда для исследований работы устройства для отсчета временных интервалов

Исполнитель:

Петров Алексей Олегович, гр. 414.

Специальность: ТОСВТ

Руководитель:

преподаватель отделения ИТ

Иванова Юлия Владимировна

г. Тирасполь - 2011

Министерство просвещения ПМР

ГОУ «Тираспольский техникум информатики и права»

Пояснительная записка к дипломной работе

На тему: «Разработка электрической схемы стенда для исследований работы устройства для отсчета временных интервалов»

Специальность: «Техническое обслуживание средств вычислительной техники»

Задание по экономике: Экономическая часть. Комбинирование: сущность формы, экономическая эффективность.

Задание по охране труда: Безопасность работы с электронной техникой.

Исполнитель Морарь А.О. (Подпись)

Руководитель Васькина Ю.В. (Подпись)

Консультант по экономической части Барбунова Т.И. (Подпись)

Консультант по охране труда Дымкович М.Я. (Подпись)

Дипломная работа допущена к защите " " 2011г.

Зам. директора по учебной части Cыли Н.В. (Подпись)

Министерство просвещения ПМР

ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Отделение Информационных технологий и экономических дисциплин

Задание на дипломную работу

Студент: Морарь Алексей Олегович группа: 414

Тема работы: Разработка электрической схемы стенда для исследований работы устройства для отсчета временных интервалов.

Срок сдачи работы:

Перечень вопросов дипломной работы

а) Обзор литературных данных по теме диплома

б) Провести исследования по данной тематике:

- разработка схемы

- спроектировать стенд, устройство, узел.

- написать программу

- анализ рабочих характеристик

в) Привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства

д) Задание по экономической части: Экономическая часть. Комбинирование: сущность формы, экономическая эффективность.

г) Задание по охране труда: Безопасность работы с электронной техникой.

Руководитель подпись, дата

Задание принял к исполнению подпись дата

Реферат

В данной работе поставлены задачи: проанализировать схемотехнические решения устройств для отсчета временных интервалов, разработать структурную и принципиальную схемы цифрового таймера, изготовить макет. В процессе исследования устройств для отсчета временных интервалов в программах Protel и PSpice описаны принципы работы отдельных функциональных узлов устройства таких как двоичный суммирующий счетчик, JK-триггер, инвертор, логический элемент 2И-НЕ, 2И. В экономической части диплома рассматривается комбинирование, его сущность формы, экономическую эффективность. Комбинирование производства - это соединение в рамках одного предприятия производства продукции различных отраслей промышленности, основанное на последовательности стадии переработки сырья или переработке отходов основного производства.

Процесс развития комбинирования в промышленности осуществляется главным образом под влиянием научно-технического прогресса, концентрации и специализации производства, применения мощных и сложных агрегатов, характера используемого сырья и топлива, особенностей технологических процессов. В части диплома, связанной с охраной труда, рассматривается безопасность работы с электронной техникой. Безопасность работы за персональным компьютером включает в себя следующие основные вопросы: анализ условий труда, общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны, мероприятия по защите от шума и вибрации, требования к освещению в производственных помещениях с электронной аппаратурой, меры подавления статической электризации, обеспечение электробезопасности, требования безопасности при работе с компьютерной техникой, требования безопасности при наладке и ремонте, требования пожарной безопасности.

Оглавление

Введение

Глава 1. Техническая часть. Разработка электрической схемы стенда для исследований работы устройства для отсчета временных интервалов

1.1 Аналитический обзор по теме

1.1.1 Анализ функций устройств выдержки времени

1.1.2 Разработка структурной схемы

1.1.3 Характеристика применяемой элементной базы

1.2 Практическая часть. Разработка принципиальной схемы

1.2.1 Блоки предустановки значения выдержки

1.2.2 Блоки отсчета выдержки

1.2.3 Блоки управления

1.2.4 Генераторное оборудование

1.2.5 Обзор программ для исследования и проектирования элементов электроники

1.2.6 Исследование цифрового таймера с помощью программы Protel

1.2.7 Описание конструкции устройства для отсчета временных интервалов

Глава 2. Экономическая часть. Комбинирование: сущность формы, экономическая эффективность

2.1 Сущность формы

2.2 Экономическая эффективность комбинирования в промышленности

2.3 Экономические аспекты комбинирования промышленного производства

2.4 Комбинирование производства в ПМР

Глава 3. Охрана труда. Безопасность работы с электронной техникой

3.1 Анализ условий труда

3.2 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

3.3 Мероприятия по защите от шума и вибрации

3.4 Требования к освещению в производственных помещениях с электронной аппаратурой

3.5 Меры подавления статической электризации

3.6 Обеспечение электробезопасности

3.7 Требования безопасности при работе с компьютерной техникой

3.8 Требования безопасности при наладке и ремонте

3.9 Требования пожарной безопасности

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

В настоящее время, в связи с созданием и широким внедрением в инженерную практику микропроцессорных устройств и систем, не ослабевает и вновь стимулируется интерес к цифровым методам получения информации. Эти методы, в свою очередь, придают системам ряд положительных свойств и качеств. Повышается верность передаваемой информации, достигается высокая точность контроля за скоростью и производительностью систем обработки информации. Для реализации этих методов применяют различные устройства для отсчета временных интервалов, например электронные таймеры. Таймеры предназначены для установки интервалов времени, сигнализации и окончания отсчета, управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания. В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектирование, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов.

Данная тема является актуальной, так как понимание внутренней логики микросхемы особенно важно именно для специалистов по техническому обслуживанию средств вычислительной техники, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. Хорошее знание тонкостей функционирования схем узлов становится жизненно необходимым при поиске неисправностей, когда нужно определить, имеется ли неисправность в данном узле или же на его вход поступают комбинации сигналов, на которые схема узла не рассчитана.

Целью данной дипломной работы является анализ схемотехнических решений электронных таймеров, разработка структурной и принципиальной схем цифрового таймера, изготовление макета.

Глава 1. Техническая часть. Разработка электрической схемы стенда для исследований работы устройства для отсчета временных интервалов

1.1 Аналитический обзор по теме

1.1.1 Анализ функций устройств выдержки времени

Если проанализировать схемы различных вариантов устройств выдержки времени (УВВ), то можно сделать вывод, что алгоритм действия устройств во всех случаях одинаковый.

Устройство формирует на выходе функцию, представленную на рис.1. Здесь по оси абсцисс отложено время t, а по оси ординат - функция состояния устройства.

Рис. 1. Зависимость функции состояния устройства от времени

Любое УВВ (в том числе и механическое) можно представить в виде некоторого черного ящика, имеющего один вход и один выход. На вход поступает некоторое внешнее воздействие X(t), а на выходе формируется функция S(t).

Рис. 2. Структурная схема устройства выдержки времени

Характер внешнего воздействия зависит от конструкции УВВ и в каждом конкретном случае может быть различным. Для любой конструкции УВВ выходная функция имеет одну общую деталь - она принимает только два значения, причем в одном из них она может находиться только в течении строго определенного интервала времени T. Обозначим эти состояния как 0 и 1. Устройство находится в состоянии 0 (пассивное состояние) до тех пор пока на его вход не поступит какое либо внешнее воздействие X(t). После этого оно переходит в состояние 1 (активное состояние). По прошествии времени T устройство возвращается в состояние 0.

В неэлектрических УВВ работающих по такому принципу (например в механическом таймере) активное и пассивное состояния могут проявляться в различных углах поворота управляющих рычагов, воздействующих на исполнительные механизмы. В электрических УВВ функция S(t) как правило, проявляется в изменениях значений напряжения на выходе.

В промышленности первые устройства выдержки времени появились и стали применяться еще в дотранзисторную эпоху как альтернатива механическим. Их преимущества перед последними - надежность, многофункциональность, простота и точность. Для формирования функции S(t) был выбран простой принцип. Он заключался в зарядке или разрядке конденсатора определенной емкости через достаточно большое сопротивление. Для пояснения этого принципа рассмотрим цепь, состоящую из последовательно соединенных конденсатора и резистора (рис. 3).

Рис. 3. Цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и резистора

При подаче напряжения Е конденсатор начинает заряжаться.

Напряжение на нем возрастает по экспоненциальному закону:

Uc(t)=E(1-exp(-t/pt))

где Uc(t) - напряжение на конденсаторе в момент времени t, а pt=RC - постоянная времени.

Напряжение на резисторе можно найти по формуле:

Ur(t)=E-Uc(t)

Как видно из формулы (1), для того чтобы напряжение на конденсаторе достигло определенного уровня Uс1 необходимо некоторое время tв, определяемое по формуле:

tв=R*C*ln(E/(E-Uc1))

Из формулы (3) видно, что tв зависит от емкости конденсатора С, сопротивления резистора R, напряжения Е и собственно от уровня Uc1. Если сделать один из этих параметров переменным, а остальные жестко стабилизировать, то можно получить устройство выдержки времени с переменным значением интервала Т, причем этот интервал будет однозначно зависеть от переменного параметра.

Чтобы получить из данной схемы практически применимое устройство, достаточно подключить параллельно конденсатору какое либо пороговое устройство с двумя устойчивыми состояниями, которое при достижении напряжением Uс значения Uс1 изменяло бы свое состояние.

Структурная схема одного из вариантов такого УВВ приведена на рис.



Рис. 4. Структурная схема УВВ

Для формирования на выходе устройства функции S(t) с двумя устойчивыми состояниями используется ключ SH1 и контакты реле К1.1.

Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянии конденсатор С разряжен, ключ SH1 разомкнут, напряжение на выходе равно нулю, движок резистора R устанавливается в определенное, заранее известное положение, соответствующее интервалу времени Т.

Пороговое устройство включает реле К1 в случае если напряжение на выводах 1-2 становится больше некоторого значения Uc1.

При замыкании ключа SH1 (внешнее воздействие) на выходе устройства появляется напряжение Uвых=Е. С этого момента начинает заряжаться конденсатор С - начинается формирование интервала Т. По прошествии времени Т напряжение на конденсаторе достигнет уровня Uс1 и пороговое устройство включит реле К1. Своими контактами К1.1 оно разомкнет выходную цепь и напряжение на выходе снова станет равным нулю (Uвых=0). В данном случае напряжения 0 и Е соответствуют пассивному и активному состоянию.

В качестве порогового устройства можно использовать какую либо ключевую схему. Конкретный вариант этой схемы выбирают исходя из условия получения максимально возможного входного сопротивления, чтобы исключить его влияние на процесс зарядки конденсатора. Во времена господства ламповой техники в качестве порогового устройства использовались тиратроны или газовые стабилитроны, а с развитием полупроводниковой электроники стали применять транзисторные ключи на полевых транзисторах.

Напряжение с выхода устройства можно подать на какую либо нагрузку, например на лампу фотоувеличителя.

При всей очевидной простоте такого УВВ оно имеет ряд недостатков, которые стали особенно сильно проявляться при ужесточении требований к точности задания и воспроизведения интервала Т. Как видно из схемы для задания значения Т используется способ поворота движка переменного резистора на определенный угол F. При этом погрешность установки порядка одного градуса на однооборотном переменном резисторе практически не заметна. Но в тоже время такая погрешность, особенно в высокоомных резисторах, соответствует погрешности установки сопротивления в несколько килоом. При длительных выдержках времени (порядка нескольких часов) это приведет к погрешности порядка одной минуты. К тому же очень трудно будет вновь установить эту же выдержку еще раз, если движок резистора по каким либо причинам окажется в другом положении.

Другой причиной неточности является конденсатор, параметры которого (особенно у электролитического) нестабильны во времени. Эта нестабильность может привести к тому что разница между интервалами выдержек в 1 час при первом и втором запуске УВВ составит порядка 2-3 мин (данные для электролитического конденсатора).

Наконец, изменение напряжения питания также приводит к изменению длительности выдержки.

Для снижения влияния этих причин приходилось использовать прецизионные переменные резисторы, удорожавшие в несколько раз все устройство, применять специальные средства стабилизации напряжения питания и т.п.

С развитием цифровой техники, и в частности с появлением быстродействующих цифровых счетчиков, появилась возможность существенно улучшить параметры УВВ путем пересмотра самого принципа работы. Согласно новому принципу построения УВВ в качестве интервала Т берется не время зарядки конденсатора а время нескольких его перезарядок. Преимущества такого УВВ очевидны - резистор можно сделать постоянным и следовательно недорогим, а в качестве конденсатора применить неэлектролитический, малой емкости. Недостаток УВВ подобной конструкции - дискретная сетка выдержек времени - легко устраняется путем снижения времени одной перезарядки до значения порядка 10е-3 с и ниже (частота перезарядок >1 КГц). В качестве устройства, которое автоматически производит перезарядку конденсатора вполне естественно использовать RC-генератор. Структурная схема такого УВВ приведена на рис.

Рис. 5. Структурная схема УВВ

Импульсы с генератора, период которых соответствует времени одной перезарядки конденсатора, поступают на вход цифрового счетчика импульсов. С выхода счетчика число поступивших импульсов в двоичном коде подается на устройство контроля (УК). Как только число импульсов достигнет заданного значения, УК посылает сигнал на исполнительное устройство ИУ, которое производит какое либо действие. В реальных УВВ подобного типа устройство контроля, помимо этого может осуществлять блокировку счетчика, остановку генератора, включение сигнализации и т.п.

Еще одно преимущество подобных УВВ состоит в том, что для повышения точности выдержки времени можно вообще отказаться от использования в генераторе времязадающей RC-цепи и применить вместо нее более стабильные элементы, например кварцевые резонаторы.

1.1.2 Разработка структурной схемы

Структурная схема устройства приведена на рис.

Рис. 6. Структурная схема устройства

На схеме введены следующие обозначения:

Клав. - Клавиатура;

К - Кодер клавиатуры;

РЗ - Регистр-защелка;

СВВ - Счетчик выдержки времени;

ПК - Преобразователь кода;

Инд-р. - Семисегментный индикатор;

ДН - Детектор нажатий;

СН - Счетчик нажатий;

ДПЗ - Дешифратор позиций загрузки;

СО - Схема обнуления;

СУ - Схема управления;

БУИУ - Блок управления исполнительным устройством;

ИУ - Исполнительное устройство;

ТГ - Тактовый генератор;

ДЧ - Делитель частоты;

СБ - Схема блокировки;

СУ - Сигнальное устройство.

Рассмотрим работу устройства при начальном вводе значения выдержки. Для ввода выдержки используются клавиши 0…9 клавиатуры. При нажатии на клавишу сигнал от нее поступает на кодер клавиатуры (КК), который преобразует номер клавиши в инверсный двоичный код. С кодера клавиатуры этот номер поступает на вход регистра-защелки (РЗ). Он предназначен для фиксации номера нажатой клавиши на время, необходимое для записи в счетчик выдержки времени (СВВ), а также для исключения влияния “дребезга контактов” клавиатуры на работу устройства.

Регистр-защелка фиксирует предварительно установленные на его входах значения по команде со схемы управления (СУ). Число записей в секунду зависит от частоты тактового генератора. Оптимальное его значение составляет 10-20. Сигнал с РЗ инвертируется и поступает на входы параллельной загрузки СВВ, а также на вход детектора нажатий (ДН).

Детектор представляет собой элемент И с четырьмя входами. Если не нажата ни одна клавиша, то на выходе КК установлен код 0000. Этот код записывается в РЗ, инвертируется и поступает на ДН в виде 1111. В результате на выходе ДН устанавливается логическая единица. При нажатии на какую либо клавишу на выходе кодера клавиатуры установится значение, в котором будут присутствовать и нули и единицы. Это исключает возможность появления на входе ДН четырех единиц, и, следовательно, на выходе ДН при любой нажатой клавише установится логический ноль. Такой способ распознавания нажатых клавиш позволил упростить КК, отказавшись от специальной шины индикации нажатий, и позволил применить РЗ на 4 бита.

С выхода детектора нажатий сигнал поступает на счетчик нажатий (СН) и дешифратор позиций записи (ДПЗ). Счетчик нажатий имеет три разряда. Два из них используются непосредственно для подсчета нажатий, а третий - для блокировки схемы управления после ввода всех цифр. Счетчик переключается из одного состояния в другое только после отпускания клавиши. Это позволяет более рационально использовать его разряды благодаря присвоению первому нажатию номера 00.

Со счетчика нажатий число нажатых клавиш передается в двоичном коде на дешифратор ДПЗ. Он преобразует это число в десятичное и, по сигналу от схемы управления, подает разрешающий сигнал на соответствующий сегмент СВВ. Разрешающий сигнал подается на один из двух стробирующих входов ДПЗ. На второй стробирующий вход подается сигнал с выхода ДН. Это необходимо чтобы при ненажатых клавишах запретить загрузку в СВВ значения 1111.

Записанный в сегмент СВВ двоично-десятичный номер нажатой клавиши поступает на дешифратор, который преобразует его в код семисегментного индикатора. Этот код подается на полупроводниковый индикатор, который высвечивает соответствующее число.

После отпускания клавиши на вход детектора нажатий поступает код 1111, на его выходе соответственно происходит перепад 0 - 1 и счетчик нажатий переводится в следующее состояние. После 4-го отпускания клавиши логическая единица устанавливается в третьем разряде СН. С этого разряда она подается на схему управления, блокируя ее работу и запрещая дальнейшую загрузку значений в СВВ, а также на блок управления исполнительными устройствами (БУИУ), разрешая запуск исполнительных устройств. Цикл ввода на этом заканчивается. При желании можно повторить ввод. Для этого на клавиатуре нажимают клавишу «Сброс». Сигнал от этой клавиши подается на схему обнуления, которая вырабатывает сигнал обнуления для РЗ, СВВ и СН, переводя их в исходные состояния.

Для запуска процесса формирования выдержки необходимо нажать на клавишу «Пуск» на клавиатуре. Сигнал с этой клавиши подается на вход БУИУ, который разрешает прохождение импульсов с делителя частоты на вход СВВ. Первый же перепад 0 - 1 с выхода схемы блокировки прохождения импульсов через БУИУ включает исполнительное устройство. Начинается цикл формирования выдержки. Он продолжается до тех пор пока на вход СВВ не поступит заданное количество импульсов N. При появлении на входе СВВ фонта импульса с номером N+1 на БУИУ подается сигнал окончания выдержки, который отключает исполнительное устройство. На этом интервал выдержки заканчивается. Как видно из приведенных вкладок он может быть рассчитан по формуле:

T= tи + tзсвв - tзн,

Где tи - длительность импульса на входе СВВ,

tзсв - задержка распространения в СВВ,

tзн - задержка включение нагрузка, обусловленная задержкой в БУИУ.

Если минимальный интервал выдержки составляет 1с то последними двумя значениями можно пренебречь, т.к. их величины (порядка десятков) не будет вносить существенной погрешности .

Помимо БУИУ сигнал окончания выдержки подается также на схему обнуления, которая приводит все устройство в исходное состояние, разрешая тем самым загрузку нового значения в СВВ.

В заключении необходимо отметить, что процесс формирования выдержки времени в любой момент можно прервать путем нажатия на кнопку «Сброс».

1.1.3 Характеристика применяемой элементной базы

Комбинационными схемами (далее - КС) называют логические схемы, у которых значения выходных сигналов полностью определяются входными в любой момент времени. Любую КС можно представить в виде схемы из базисных логических функций, например, в булевом базисе. Далее будут рассмотрены примеры синтеза типовых КС из логических элементов (ЛЭ).

В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностями выпускается широкий ассортимент интегральных микросхем (ИМС), реализующих стандартные КС: дешифраторы, мультиплексоры, сумматоры и пр. Применение ИМС позволяет значительно сократить затраты и время на проектирование цифровых схем по сравнению с проектированием на ЛЭ.

Следует отметить, что микросхемы различных серий, имеющие одинаковые названия, имеют одинаковые функциональное назначение, логику работы и расположение выводов (из этого правила существуют редкие исключения).

В ряду ИМС технологий ТТЛ и ТТЛШ это серии 130, 131, 133, 134, 136, 155, 158, 530, 531, 533, 555, 1530, КР1530, 1531, КР1531, 1533 и КР1533. То есть, если известно функционирование ИМС, например, 155КП7, то аналогично работают ИМС 533КП7, 1533КП7 и т.д. (если они имеются в составе этих серий).

Следует иметь в виду, что одинаковой будет у этих ИМС лишь таблица истинности, т.е. логика работы, другие же параметры (быстродействие, потребляемая мощность, входные и выходные токи и т.д.) будут другими.

Можно сказать, что наиболее удобно использовать следующие микросхемы: К555ЛА1, К555ЛА2, К555ЛАЗ, К555ЛА4, К555ИД6, К555ТМ8. Микросхема К555ЛН1, изображенная на рисунке 7, содержит шесть логических элемента НЕ и является одной из самых распространенных в цифровой схемотехнике.

Рис. 7. Условно графическое обозначение К555ЛН1

Микросхема К555ЛАЗ, изображенная на рисунок 8, содержит 4ЛЭ 2И-НЕ. Принцип работы этой микросхемы аналогичен с элементами К555ЛА4, К555ЛА2, К555ЛА1.

Рис. 8. Условно графическое обозначение К555ЛАЗ

Микросхема К555ЛА2 изображенная на рисунок 9, имеет 1ЛЭ 8И-НЕ.

Рис. 9. Условно графическое обозначение К555ЛА2

Микросхема К555ИД3 представляет собой двоично-шестнадцатеричный дешифратор, у которого 4 входа и 16 выходов. Он образует лишь на одном из выходов сигнал низкого уровня, а на остальных высокого. Эта микросхема может дешифровать числа от 0 до 15, т.е. от состояния а0 до состояния а13, остальные выходы не используются.



Рис. 10. Условно графическое обозначение К555ИД3

Микросхема К555ТМ8 представляет собой 4 Д - триггера с инверсными и прямыми входами, и вход R - установка в 0. Этот вход инверсный, и поэтому в рабочем состоянии необходимо поддерживать на входе логическую 1. Входы D - информационные. Вход С - прямой динамический, то есть переключение происходит при изменении синхросигнала с нулевого на единичное значение. Схема дешифратора необходима для того, чтобы преобразовать информацию с выходов триггеров в значение состояния, а т.к. выходы инверсные, то соответственно полученные состояния, а на выходе будет формироваться логический 0. То есть выход Q0 соответствует D0, Q1 D1, Q2D2, QD3.

Таблица 1. Таблица истинности микросхемы К555ТМ8

Входы	Выходы
С	R	D	5	9
0	1	X	0	0
1	1	1	1	0
1	1	0	0	1
X	0	X	0	1



Рис. 11. Условно графическое обозначение К555ТМ8

По таблице 1 видим, что для записи 0 на D вход нужно подавать 0, для 1 подавать 1. Если на вход R подать сигнал 0, то триггер сохранит предыдущее состояние. Если синхросигнал равен 0, то триггер примет исходное состояние. Если на вход синхронизации будет подан сигнал по фронту, то на выходе триггера установиться состояние, которое было подано на информационный вход.

Дадим характеристики токов, напряжений и мощности микросхем и рассчитаем общую мощность данной микросхемы. Параметры и характеристики даны в таблице.

Таблица 2. Таблица микросхем для построения ЦА

№ по порядку	Тип микросхемы	Номера микросхем	Кол-во лог. элем.	Кол-во микросхем	Примечание
1	К555ТМ8	DD1	4	1	Синхр.Д-триггер
2	К555ИД3	DD2	1	1	Дешифратор 4x16
3	К555ЛН1	DD3-DD6	6	4	6 ЛЭ Не
4	К555ЛАЗ	DD7-DD9	4	3	4 ЛЭ 2И-Не
5	К555ЛА2	DD10- DD20	11	11	1 ЛЭ 8И-Не

Таблица 3. Электрические параметры микросхем.

Тип микросхем	u0,B	u1,B	Inom uA	Inom,MA	Inom,MA	Pnno мВт	Pnom. общ, мВт
К555ТМ8	<0,5	>2,7	<0,4	<20	<18	94,4	94,4
К5553ИД3	<0,5	>2,7	<0,4	<20	<13	68,2	68,2
К555ЛН1	<0,5	>2,7	<2,2	<0,8	<1,5	7,88	31,52
К555ЛАЗ	<0,5	>2,7	<4,4	<1,6	<3	15,75	47,25
К555ЛА2	<0,5	>2,7	<у	<0,5	<0,8	4,2	46,2
Итог потребляемой мощности ЦА							287,57

Вывод: Рпот. общ. 287,57 мВт

1.2 Практическая часть. Разработка принципиальной схемы

1.2.1 Блоки предустановки значения выдержки

1) Клавиатура

Клавиатура, используемая в данной разработке должна содержать не менее двенадцати клавиш - клавиши для ввода цифр 0…9 и две функциональные клавиши - “сброс” и “пуск”.

Рис. 12. Условное изображение клавиатуры

Конструкция клавиатуры представляет собой пластину из диэлектрического материала (стеклотекстолит) на которой методом химического травления выполнены контактные площадки. Пример такой площадки показан на рисунке (рис. 12). Для замыкания между собой этих контактов используется резиновый диск, на который напылена тонкая пленка электропроводящего материала.

Диск приклеивается к резиновому основанию, которое исполняет роль пружины (рис. 13).

Рис. 13. Конструкция клавиатуры

При нажатии на клавишу контактный диск прижимается к металлическим контактным площадкам и замыкает их между собой. Несмотря на то, что электропроводящий слой достаточно тонкий, сопротивление такого контакта составляет примерно 60 Ом, что вполне приемлемо для управления цифровыми микросхемами ТТЛ (ТТЛШ).

Схема соединения контактных площадок приведена на рис. 14. Одна из сторон каждого контакта клавиш 0…9 а также клавиши “пуск” соединяется с источником питания +5В. Входная сторона клавиши “стоп” соединяется с нулевым проводом.

Рис. 14. Схема соединения контактных площадок

Сопротивление резистора R зависит от входного сопротивления кодера клавиатуры, и будет определено далее.

Клавиатура укрепляется на передней панели устройства под окном цифрового индикатора.

2) Кодер клавиатуры

Как сказано выше, кодер клавиатуры должен обеспечивать преобразование десятичного кода в инверсный двоичный код. Среди микросхем серии 155 (555) имеются микросхемы выполняющие функцию перекодировки кода “1 из 10” в двоичный код. Однако эти микросхемы имеют один существенный недостаток - у них отсутствуют инверсные выходы. Это не позволяет использовать их в данном кодере без применения дополнительных инверторов.

Рис. 15. Принципиальная схема кодирования одного из входов (”2”)

При подаче положительного напряжения на вход “2” диоды открываются и на выходе устанавливаются инверсные логические уровни 1101, соответствующие числу два.

Резисторы R1-R4 необходимы для надежного открывания диодов, в случае если входное сопротивление регистра-защелки окажется слишком велико.

Минимальное сопротивление этих резисторов выбирается исходя из максимального допустимого тока через диоды. При этом учитывается то, что их сопротивление должно быть в 5-6 раз больше чем сопротивление ограничительного резистора в блоке клавиатуры.

Максимальное сопротивление резисторов ограничивается минимальным входным током логических элементов ТТЛШ, при котором входной сигнал воспринимается как логический ноль. Это сопротивление рекомендуется не более 3 кОм. Исходя из этого было выбрано сопротивление R1-R4 2,7 кОм, а сопротивление ограничительного резистора в клавиатуре - 470 Ом.

3) Регистр-защелка

Регистр-защелка должен обеспечивать запись входных значений по сигналу от СУ и выдачу этих значений в инверсном коде. Помимо этого он должен иметь вход обнуления. Количество разрядов регистра должно быть не менее четырех. При всем многообразии возможные технических решений наиболее экономичным является использование в качестве РЗ микросхемы К555ТМ8, которая предназначена для построения параллельных регистров данных, запускаемых перепадами тактовых импульсов. Микросхема расположена в 16-контактном корпусе и содержит набор D-триггеров, имеющих общие входы синхронного сброса R и тактового запуска С. В микросхеме ТМ8 число триггеров четыре, у каждого есть прямые и инверсные выходы Q. Схемы расположения выводов микросхемы показана на рис. 16. Режимы работы триггеров микросхемы соответствуют табл. 4. Сброс всех триггеров в состояние Qн = 0 произойдет, когда на вход асинхронного сброса R будет подано напряжение низкого уровня. Входы C и Dn при этом не действуют, их состояние безразлично.

Информацию от параллельных входов данных D1-D4 можно загрузить в триггеры микросхемы, если на вход R подать напряжение высокого уровня, а на тактовый вход С - положительный перепад импульса. При этом предварительно установленные на каждом входе D напряжения высокого или низкого уровня появятся на выходе Q.

Микросхема К555ТМ8 потребляет ток 18 мА, максимальная тактовая частота составляет 35 МГц, время задержки распространения сигнала сброса - 28 нс.



Рис. 16. Схемы расположения выводов микросхемы

Табл. 4. Режимы работы триггеров микросхемы

Режим работы	вход	Выход
	R	C	Dn	Qn	Qn
Сброс	0	Х	Х	0	1
Загрузка 1	1	0-1	1	1	0
Загрузка 0	1	0-1	0	0	1

4) Детектор нажатий

Как было сказано выше, в качестве детектора нажатий используется логический элемент И с четырьмя входами. Поскольку в серии К555 есть только элементы И-НЕ то придется использовать дополнительный инвертор. Наиболее целесообразно в качестве ДН использовать микросхему К555ЛА1 - два логических элемента 4И-НЕ. Схема ДН, построенная на этой микросхеме приведена на рис. 17.

Один из элементов используется по своему прямому назначению, а второй выступает в качестве детектора.

Рис. 17. Схема ДН, построенная на этой микросхеме К555ЛА1

Микросхема потребляет ток 2,2 мА. Максимальная задержка распространения в одном ЛЭ - 15 ns. Схема расположения выводов микросхемы показана на рис. 18.

Рис. 18. Схема расположения выводов микросхемы

5) Дешифратор позиций загрузки

Согласно структурной схеме дешифратор позиций загрузки на основании входного двухразрядного двоичного кода должен устанавливать логический ноль на одном из четырех выходов. Кроме того он должен иметь два инверсных входа стробирования, подключаемых к схеме управления и к детектору нажатий. Наиболее подходящим решением в данном случае является использование в качестве ДПЗ одного из дешифраторов ИМС К555ИД4.

Микросхема К155ИД4 (рис. 19) -- два дешифратора, принимающих двухразрядный код адреса А0, А1. Дешифратор DC A имеет два входа разрешения: прямой Еа и инверсный Ёа, а дешифратор DC B -- только инверсные входы разрешения дешифрации Еb.

Рис. 19. Структурное изображении микросхемы К155ИД4

Если микросхема используется как демультиплексор, дешифратор DC A может принимать по входам Еа и Еа как прямой, так и инверсный адресные коды. Состояния для обоих дешифраторов как при дешифрации кода А0, А1, так и при демультиплексировании по адресу А0, А1 сведены в табл.

Табл. 5. Таблица истинности дешифратора, мультиплексора

Микросхема К555ИД4 потребляет ток 10 мА. Время задержки распространения сигнала от адресного входа А к выходу Y составляет 32 ns, время распространения от входа разрешения Е к выходу Y не превышает 30 ns для обоих вариантов исполнения.

Принципиальная схема ДПЗ построенного на К555ИД4 приведена на рис. 20.

Рис. 20. Принципиальная схема ДПЗ построенного на К555ИД4

На входы А0 и А1 подается двоичное число произведенных нажатий клавиш от счетчика нажатий, а на входы Е1 и Е2 - сигналы разрешения от детектора нажатий и схемы управления. Выходы 0,1,2,3 подключаются к соответствующим разрядам счетчика выдержки времени.

1.2.2 Блоки отсчета выдержки

1) Счетчик выдержки времени

Счетчик выдержки времени является одним из основных узлов данного устройства. Он предназначен для подсчета количества поступающих от задающего генератора импульсов. Принципиальная схема счетчика приведена на рис. 21. Счетчик работает в режиме вычитания - из заданного первоначально количества импульсов с приходом очередного импульса вычитается единица. Когда счетчик полностью обнулится, на его выходе "<0" (МС DD1) появляется логический ноль, который, воздействуя на БУИУ, отключит нагрузку. Загрузка значений в счетчик производится параллельным способом, путем подачи соответствующего двоичного значения на входы D0 - D4, и логического нуля на один из входов разрешения загрузки Е.

Рис. 21. Принципиальная схема счетчика

Тактовые импульсы подаются на счетный вход +1 микросхемы DD4. Блок дешифраторов подключается к выводам 1-2-4-8 каждой из микросхем.

Для построения счетчика была использована микросхема К555ИЕ6, что позволило обойтись всего четырьмя микросхемами без каких либо дополнительных элементов. Схема расположения выводов микросхемы показана на рис. 22.

Рис. 22. Схема расположения выводов микросхемы

Микросхема представляет собой реверсивный двоично-десятичный счетчик. Импульсные тактовые входы для счета на увеличение +1 (вывод 5) и на уменьшение -1 (вывод 4) в этой микросхеме раздельные. Состояние счетчика меняется по положительным перепадам тактовых импульсов от низкого уровня к высокому на каждом из этих тактовых входов.

Для упрощения построения счетчиков с числом разрядов, превышающих четыре, микросхема имеет выводы окончания счета на увеличение (">9", вывод 12) и на уменьшение ("<0", вывод 13). От этих выводов берутся тактовые сигналы переноса и заема для последующего и от предыдущего четырехразрядного счетчика. Дополнительной логики при последовательном соединении этих счетчиков не требуется: выводы ">9" и "<0" предыдущей микросхемы присоединяются к выводам "+1" и "-1" последующей. По входам разрешения параллельной загрузки РЕ и сброса R запрещается действие тактовой последовательности и даются команды загрузки четырехразрядного кода в счетчик или его сброса.

Если на вход "-1" подается импульсный перепад от низкого уровня к высокому, от содержимого счетчика вычитается 1. Аналогичный перепад, поданный на вход +1, увеличивает счет на 1. Если для счета используется один из этих входов, на другом тактовом входе следует зафиксировать напряжение высокого логического уровня. Первый триггер счетчика не может переключиться, если на его тактовом входе зафиксировано напряжение низкого уровня. Во избежание ошибок менять направление счета следует в моменты, когда запускающий тактовый импульс перешел на высокий уровень, т. е. во время плоской вершины импульса.

На выходах ">9" и "<0" нормальный уровень--высокий. Если счет достиг максимума (цифра 9), с приходом следующего тактового перепада от высокого уровня к низкому на вход +1 (более 9) на выходе ">9" появится напряжение низкого уровня. После возврата напряжения на тактовом входе "+1" к высокому уровню, напряжение на выходе ">9" останется низким еще на время, соответствующее двойной задержке переключения логического элемента ТТЛ.

Аналогично на выходе "<0" появляется напряжение низкого уровня, если на вход "-1" пришел счетный перепад низкого уровня. Импульсные перепады от выходов ">9" и "<0" служат, таким образом, как тактовые для последующих входов "+1" и "-1" при конструировании счетчиков более высокого порядка. Такие многокаскадные соединения счетчиков ИЕ6 не полностью синхронные, поскольку на последующую микросхему тактовый импульс передается с двойной задержкой переключения.

Если на вход разрешения параллельной загрузки Е (вывод 11) подать напряжение низкого уровня, то код, зафиксированный ранее на параллельных входах DO--D3 (выводы 15, 1, 10 и 9), загружается в счетчик и появляется на его выходах QO--Q3 (выводы 3, 2, 6 и 7) независимо от сигналов на тактовых входах. Следовательно, операция параллельной загрузки -- асинхронная.

Параллельный запуск триггеров запрещается, если на вход сброса R (вывод 14) подано напряжение высокого уровня. На всех выходах Q установится низкий уровень. Если во время (и после) операций сброса и загрузки придет тактовый перепад (от Н к В), микросхема примет его как счетный.

Счетчики К555ИЕ6 потребляют ток 34 мА. Максимальная тактовая частота 25 МГц. Время задержки распространения сигнала от входа "+1" до выхода ">9" 26 ns, аналогичные задержки от входа Е до выхода Q3 составляют 40 ns. Время действия сигнала сброса (от входа R до выходов Q) 35 ns.

На рис. 23, показана диаграмма работы десятичного счетчика ИЕ6, где обозначены логические переходы сигналов при счете на увеличение и уменьшение. Кольцевой счет возможен в пределах 0...9, остальные шесть состояний триггерам запрещены. Составив определенную комбинацию входных сигналов, по табл. 6 можно выбрать один из четырех режимов работы счетчика ИЕ6. Счет на увеличение здесь закончится при выходном коде ВННВ (9), на уменьшение -- при НННН (0).

Рис. 23. Диаграмма работы десятичного счетчика ИЕ6

Табл. 6. Таблица истинности счетчика ИЕ6

3) Блок индикации.

Для индикации состояния СВВ были использованы семисегментные индикаторы типа АЛС324Б. Схема соединения индикаторов показана на рис. 24.

Рис. 24. Схема соединения индикаторов

При конструировании устройства индикаторы устанавливаются на передней панели, слева направо, начиная с HG1. Стабисторы D1 и D2 служат для предотвращения перегрузки преобразователя кода. Принцип их действия заключается в том, что напряжение источника питания +5V распределяется между тремя сопротивлениями нагрузки и сопротивлениями D1 и D2, сопротивлением сегмента индикатора и сопротивлением транзисторного ключа микросхемы. Поскольку суммарное падение напряжения на сегменте индикатора и ключа микросхемы не должно превышать 2 - 2,5 V (при этом ток через эти элементы будет в пределах допустимого), в большинстве подобных схем раньше использовался ограничительный резистор, который устанавливался в разрыв провода между микросхемой и индикатором. При этом на каждый индикатор требовалось 7 таких резисторов.

Установить один общий резистор мешала его линейность, из-за которой, например, цифра 1 светилась очень ярко, а цифра 8 была практически не видна. Использование нелинейных элементов (стабисторов) позволило решить эту проблему. Благодаря нелинейной ВАХ падение напряжения на них остается практически постоянным, независимо от количества горящих сегментов, и поэтому яркость всех цифр одинакова. Применение такой схемы питания индикаторов позволило отказаться от использования 28 резисторов.

2) Преобразователь кода.

Преобразователь кода предназначен для перевода двоично - десятичного кода с выходов разрядов СВВ в код семисегментных индикаторов.

Рис. 25. Семисегментный индикатор

Принципиальная схема этого блока показана на рис. 26

Он состоит из четырех специализированных микросхем этого КР514ИД1. На входы этих микросхем подается четырех разрядный двоично - десятичный код, а выходы подключаются к соответствующим разрядам индикатора.



Рис. 26. Принципиальная схема преобразователя кода

Состояние выходов микросхемы КР514ИД1, сведены в таблицу 7.

Табл. 7. Состояние выходов микросхемы КР514ИД1

X0	X1	X2	X3	A	B	C		E	F	G	Символ
0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	0	0
1	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	1
0	1	0	0	1	1	0	1	1	0	1	2
1	1	0	0	1	1	1	1	0	0	1	3
0	0	1	0	0	1	0	0	0	1	1	4
1	0	1	0	1	0	1	1	0	1	1	5
0	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1	6
1	1	1	0	1	1	1	0	0	0	0	7
0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	8
1	0	0	1	1	1	1	1	0	1	1	9
0	1	0	1	0	0	0	1	1	0	1	с
1	1	0	1	0	0	1	1	0	0	1	э
0	0	1	1	0	1	0	0	0	1	1	u
1	0	1	1	1	0	0	1	0	1	1	c-
0	1	1	1	0	0	0	1	1	1	1	t
1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	нет

Для КР514ИД1 для входов и выходов: "0" - напряжение низкого уровня, "1" - напряжение высокого уровня.

1.2.3 Блоки управления

1 ) Схема обнуления.

Принципиальная схема блока обнуления приведена на рис. 27.Она состоит из 2 логических элементов DD1 и DD2 микросхемы К555ЛАЗ, причем элемент DD2 используется в качестве инвертора. Рассмотрим работу схемы.

Рис. 27. Принципиальная схема блока обнуления

При первоначальном включении устройства конденсатор С1 заряжается через резистор R1. При этом в течении некоторого времени (порядка 0,1 секунды), на входе 2 DD1 присутствует логический ноль. В результате на выходе этого элемента устанавливается (независимо от состояния входа 1) логическая единица. Она подается на входы R микросхем СВВ, в результате чего последний обнуляется. Элемент DD2 необходим, поскольку входы сброса СН, РЗ и БУПУ в отличие от аналогичных входов СВВ, инверсные. Клавиша «Сброс» клавиатуры подключается параллельно конденсатору С1, а импульс сброса от СВВ подается вход 1. Это необходимо для того, чтобы время срабатывания схемы обнуления, которое складывается с временем выдержки, было минимальным и не оказывало на него существенного влияния.

После обнуления на выходе “окончание счета” СВВ и следовательно, на входе 1 DD1 устанавливается логическая единица, если конденсатор С1 заряжен, а клавиша «Сброс» не нажата, то схема перейдет в режим ожидания. На выходе “сброс СВВ” установится логический ноль разрешающий его работу. Конденсаторы С2 и С3 предназначены для предотвращения ложного срабатывания схемы из - за помех. Их емкость должны относиться между собой как (50 - 100) * С3 = С2, а максимальная емкость С2 выбирается так, чтобы время ее зарядки не оказывало заметного влияния на точность интервала выдержки.

2) Схема управления

Принципиальная схема этого блока приведена на рис. 28.

Он построен на одном из триггеров микросхемы К555ТМ2 и трех логических элементах микросхемы К555ЛА3. Характеристики этих микросхем были даны выше.

Блок предназначен для синхронного управления РЗ и ДПЗ. На вход “Тактовые импульсы” подаются импульсы с ТГ. Благодаря инвертору на элементе DD1 триггер переключается по спаду импульса.

Рис. 28. Принципиальная схема блока управлнения

Для блокировки работы блока и следовательно окончания загрузки чисел с клавиатуры используется вход S триггера.

3) Исполнительное устройство.

Исполнительное устройство должно обеспечивать включение нагрузки на время выдержки или по прошествии этого времени. Принципиальная схема этого блока представлена на рис. 29.



Рис. 29. Принципиальная схема исполнительного устройства

Светодиод HL1 служит для индикации включения нагрузки. Помимо этого он, совместно с R1 выполняет роль делителя напряжения. С выхода этого делителя через резистор R2 напряжение подается на базу транзистора VT1 и открывает его. Резистор R2 ограничивает ток базы транзистора и, тем самым, предотвращает его влияние на БУИУ. Его сопротивление равно 10 кОм. В коллекторную цепь транзистора включается реле К1, которое своими контактами управляет нагрузкой. Диод VD1 необходим для замыкания токов самоиндукции, возникающих в обмотке реле при запирании транзистора. Тем самым он предотвращает пробой транзистора, а также возникновение помех по цепи питания микросхем. Сопротивление резистора R1 выбрается по приемлемой яркости свечения светодиода.

4) Блок управления исполнительным устройством.

Блок управления исполнительным устройством выполняет следующие функции:

1. включает исполнительное устройство в начале интервала выдержки

2. выключает исполнительное устройство после окончания выдержки

3. отключает исполнительное устройство при нажатии на клавишу «Сброс»

4. воспринимает нажатие на клавишу «Пуск» и подает сигнал управления на устройство блокировки.

Принципиальная схема этого блока приведена на рис. 30.

Рис. 30. Принципиальная схема блока управления исполнительным устройством

На триггере DD1 построено устройство управления схемой блокировки. Вход D триггера подключается к третьему разряду CH. После четырех нажатий клавиш сюда подается логический ноль, разрешающий запуск отсчета времени. К входу С подключается клавиша «Пуск» клавиатуры. Когда эта клавиша не нажата, на С установлен логический ноль благодаря резистору R1. При нажатии на клавишу «Пуск» перепад 0-1 на входе С разрешает запись информации (нуля) на выход триггера и, следовательно разрешает прохождение импульсов делителя частоты к СВВ.

Вход S подключается к схеме обнуления параллельно входу обнуления СН. На элементах DD1 - DD5 собрано устройство контроля, управляющее нагрузкой. После включения устройства в сеть или нажатия на клавишу «Сброс» триггер DD5 устанавливается в нулевое состояние. На вход D при этом подается логическая единица. Эта единица также устанавливается и на одном из входов элемента DD2, выполняющего в данном случае электронного ключа. После разблокирования схемы блокировки первый перепад 0-1 появившийся на ее выходе, пройдет через элементы DD2, DD3 и диод VD2 на вход с триггера. Триггер переключится в единичное состояние и подаст логическую единицу на исполнительное устройство. Логический ноль с его инверсного выхода поступит на DD2 и запретит прохождение через него следующих импульсов. В этом состоянии устройство будет находится до окончания счета, либо до нажатия на клавишу “Сброс”. По окончании счета логический ноль с соответствующего выхода СВВ поступит на входы элемента DD4, играющего роль инвертора, и далее через VD1, на вход С триггера. Логический ноль со входа D перепишется на выход триггера и отключит исполнительное устройство. Элементы VD1, VD2 и R2 представляют собой простейший логический элемент ИЛИ. Их применение позволило отказаться от микросхемы с элементами ИЛИ и обойтись имеющимися лишними элементами микросхемы К555ЛАЗ. Сопротивление резистора R2 равняется 2,7 кОм.

1.2.4 Генераторное оборудование

1) Тактовый генератор

Тактовый генератор является одним из основных элементов цифрового таймера. От точности установки частоты этого генератора зависит точность интервала выдержки.

В цифровых таймерах применяют, как правило, высокостабильные кварцевые генераторы, которые устанавливают в специальные термостатирующие устройства, поддерживающие постоянную температуру окружающей среды.

Точность воспроизведения заданного временного интервала зависит также от частоты генератора. Чем она больше, тем больше коэффициент деления делителя частоты, и следовательно, тем больше делится значение погрешности установки частоты.

Кварцевые генераторы можно классифицировать по различным признакам.

1. По способам повышения стабильности частоты:

- Простой без дополнительных элементов, предназначенных для улучшения каких либо его параметров.

- Термокомпенсированный кварцевый генератор, отклонение частоты которого уменьшается с помощью специальной электрической цепи.

- Термостатированные кварцевые генераторы, элементы электрической цепи которого полностью или частично помещены в термостат для уменьшения влияния окружающей среды.

2.По допустимой нестабильности частоты КГ можно разделить на 7 групп:

- менее 0,001*10-6

- (0,001…0,01)*10-6

- (0,01…0,1) *10-6

- (0,1…1) *10-6

- (1…10) *10-6

- (10…100) *10-6

Внутри каждой группы ...