Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Направление подготовки (специальность) - Ядерные физика и технологии

Курсовой проект

по курсу «Электротехника и электроника»

«Цифровой счетчик импульсов»

Выполнил студент гр.0А31 О.В. Тхорик

Проверил ассистент каф. ЭАФУ В.А. Курочкин

Томск 2015

Реферат

Курсовой проект 19 страниц, 10 рисунков , 6 источников.

Цель работы: разработать цифровой счетчик импульсов с индикатором количества импульсов в единицу времени.

Задания:

- Разработать функциональную и электрическую принципиальную схему устройства.

- Подобрать элементную базу, учитывая требования задания.

Содержание

• Введение
• 1. Обзор литературы
• 1.1 Счетчик
• 1.2 Таймер
• 1.3 Регистр
• 1.4 Семисегментный дешифратор
• 1.5 Принцип действия
• 2. Разработка принципиальной схемы
• 2.1 Разработка структурной схемы счетчика
• 2.2 Разработка принципиальной схемы счетчика
• 2.2.1 Расчет и описание блока питания
• 2.2.2 Расчет схемы счетчика
• Вывод
• Список используемой литературы


Введение

С развитием электроники появился такой класс электронной техники, как цифровая. Эта техника предназначена для формирования, обработки и передачи электрических импульсных сигналов и перепадов напряжения и тока, а также для управления информацией и её хранения. Цифровые устройства занимают доминирующее место во многих областях науки и техники, что обусловлено существенно меньшим потреблением энергии от источника питания, более высокой точностью, меньшей критичностью к изменениям внешних условий, большей помехоустойчивостью. Цифровая техника включает в себя такие устройства как триггеры, регистры, счётчики, комбинационные устройства, программируемые логические интегральные схемы и др.

1. Обзор литературы

электрический импульсный счетчик цифровой

Перед разработкой устройства проведем обзор литературы на некоторые важные узлы нашего устройства.

1.1 Счетчик

Счетчик импульсов - электронное устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поданных на вход. Количество поступивших импульсов выражается в двоичной системе счисления. Счетчики импульсов являются разновидностью регистров (счетные регистры) и строятся соответственно на триггерах и логических элементах.

Основными показателями счетчиков являются коэффициент счета К²ⁿ - число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Например, счетчик, состоящий из четырех триггеров, может иметь максимальный коэффициент счёта 2⁴=16. Для четырех триггерного счетчика минимальный выходной код - 0000, максимальный -1111, а при коэффициенте счёта Кс = 10 выходной счет останавливается при коде 1001 = 9.

Рис. 1 Двоичный четырехразрядный счетчик КР1561ИЕ10: а) схема, б) условно-графическое обозначение, в) временные диаграммы работы

Из диаграммы (рис. 1, б) видно, что, например, по спаду 5-го импульса в счетчике записан код 0101, по 9-му - 1001 и т.п. По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а по спаду 16-го импульса все триггеры обнуляются, т. е. счетчик переходит в исходное состояние. Для принудительного обнуления счетчика имеется вход «сброс».

Коэффициент счета двоичного счетчика находят из соотношения Ксч = 2m, где m - число разрядов (триггеров) счетчика.

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации.

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных импульсов (рис. 1, б). Поэтому счетчики применяют также в качестве делителей частоты.

1.2 Таймер

NE555 -- аналоговая интегральная схема, универсальный таймер -- устройство для формирования (генерации) одиночных и повторяющихся импульсов со стабильными временными характеристиками. Применяется для построения различных генераторов, модуляторов, реле времени, пороговых устройств и прочих узлов электронной аппаратуры. В качестве примеров применения микросхемы-таймера можно указать функции восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, фильтры дребезга, двухпозиционные регуляторы в системах автоматического регулирования, импульсные преобразователи напряжения, устройства широтно-импульсного регулирования, таймеры и др. Впервые выпущен в 1971 году компанией Signetics под обозначением NE555. Функциональные аналоги оригинального NE555 выпускаются во множестве биполярных и КМОП-вариантов.

Рис. 2 Таймер NE555

1.3 Регистр

Регистр - устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных данных и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченный набор триггеров, обычно D-, число n которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Основой построения регистров являются: D-триггеры, RS-триггеры, JK-триггеры.

Регистры классифицируются по следующим видам:

· накопительные (регистры памяти, хранения)

· сдвигающие

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

а) по способу ввода-вывода информации:

· параллельные: запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов

· последовательные: запись и считывание информации происходит в первый триггер, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий -- то же самое происходит и с остальными триггерами

· комбинированные;

б) по направлению передачи информации:

· однонаправленные;

· реверсивные

Рис. 3 Регистр К155ИР1

1.4 Семисегментный дешифратор

Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр используется семисегментный индикатор.

Для изображения на таком индикаторе цифры 0 достаточно зажечь сегменты a, b, c, d, e, f. Для изображения цифры '1' зажигают сегменты b и c. Точно таким же образом можно получить изображения всех остальных десятичных или шестнадцатеричных цифр. Все комбинации таких изображений получили название семисегментного кода.

В настоящее время семисегментные дешифраторы выпускаются в виде отдельных микросхем или используются в виде готовых блоков составе других микросхем. Условно-графическое обозначение микросхемы семисегментного дешифратора приведено на рисунке 5.

Рис. 5 Схема семисегментного дешифратора К564ИД4 с одноразрядным сегментным индикатором АЛС324Б1 (с общим анодом)

1.5 Принцип действия

Цифровой счетчик импульсов - это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2ⁿ - 1, где n - число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие - счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q₁ - Q₃), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q₃. Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый - в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2³ - 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров происходит с некоторой задержкой t_з. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

2. Разработка принципиальной схемы

2.1 Разработка структурной схемы счетчика

Структурная схема - совокупность блоков счётчика, выполняющих какую-либо функцию и обеспечивающих нормальную работу счётчика. На рисунке 6 показана структурная схема счётчика.

Рис. 6 Структурная схема счетчика

2.2 Разработка принципиальной схемы счетчика

2.2.1 Расчет и описание блока питания

Для начала построим структурную схему:

Рис. 7 Структурная схема блока питания

Известно, что изначально подается напряжение равно 220 В. Uвх = 220 В.

В построенной цепи выбран коэффициент трансформации 20. Следовательно Наше напряжение на следующем шаге опустится до U=220/20= 11 В.

Следующим в цепи идет выпрямитель. В нашей схеме в роли выпрямителя выступает диодный мост, состоящий из 4х диодов. Ток проходит через 2 диода.следовательно предельное напряжение двух диодов будет Uпр=0,7*2 =1.4 В. Из этого можно сделать вывод, что после этого этапа напряжение уменьшится до 9,6В.

Далее идет фильтр. Он предназначен для сглаживания напряжения после выпрямителя. В нашей схеме эту роль выполняет конденсатор. Мы постарались, по возможности максимально сгладить скачки напряжения. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсация. Главное не переборщить. В нашей схеме мы использовали конденсатор емкостью 100 мкФ. По сути значение напряжения никак не измениться. Оно станет лишь более приближенным к прямой.

Заключительным элементом является стабилизатор. Роль стабилизатора у нас выполняет стабилитрон на 5 В. Это наиболее оптимальное значение, для нашего напряжения в цепи. Стабилитрон нам необходим для того, чтобы стабилизировать диапазон напряжений на выходе в четко установленное значение напряжения на выходе.

Далее построили принципиальную схему блока питания.

Рис. 8 Принципиальная схема блока питания

Чтобы убедиться, что схема собрана верно и значения подобраны правильно, построим график изменения напряжения во времени. Мы можем наблюдать относительное выпрямления напряжения на выходе.

Необходимо ввести некоторые пояснения полученного графика. Первый вольтметр (Pr1) показывает напряжение, полученное в результате прохождения тока через понижающий трансформатор. Как мы видим, напряжение уменьшилось до 11 В.

Следом идет Pr2. Этот вольтметр показывает как “выпрямляется” наше напряжение после диодного моста. Этот график сглаживает предыдущий и мы получаем переменное напряжение, приближенное к постоянному.

Далее Pr3 показывает, как меняет свои свойства напряжение, прошедшее через конденсатор (фильтр) и стабилитрон (стабилизатор). После конденсатора напряжение сглаживается и становится похожим на прямую.После стабилитрона напряжение на выходе становится постоянным и равным 5 В.

.

Рис. 9 График зависимости напряжения от времени

2.2.2 Расчет схемы счетчика

Проведем предварительный расчет таймера. Время задаваемое на таймере рассчитывается исходя из разрядности счетчика. Так как счётчик выбран с количеством выходов = 4, значит максимальное количество импульсов 2⁴=16. Так наибольшая частота генератора = 80 Гц, то время t=0,2с будет обеспечивать возможность подсчёта 16 импульсов.

Рассчитаем коэффициент счета счетчика. Его можно определить по формуле K_сч=2m, где m-число разрядов счетчика. Т.к. у меня четырехразрядный счетчик, следовательно K_сч=8.

Генератор импульсов с частотой амплитудой 70 - 300 Гц подаёт сигнал на вход собранного из триггеров счетчикаТ, на вход счётчика С подаётся сигнал от таймера. Четыре вывода счетчика подключены к четырём входам регистра (К155ТМ8) , запоминающего значение кода по переднему фронту приходящей волны. Исходя из максимально допустимого значения частоты сигнала для регистра (24 кГц) высчитываем время для запоминания сигнала:

.

когда минимальное время срабатывания:

,

.

Так как регистр срабатывает по переднему фронту волны, то после регистрации последнего значения, являющегося максимальным, таймер подает сигнал на вход регистра C, ровно во время прохождения заднего фронта волны, таким образом регистр устраняет колебание выходной величины.

Далее, 4 выхода регистра соединены с 4 входами дешифратора, исходя из параметров счетчика, а после дешифратора получаем на выходе напряжение порядка 5 В и силу тока 0,45 мА. Для Правильного взаимодействия семисегментного индикатора (состоящего из диодов) необходимо повысить ток до 20 мА, а напряжение понизить до 2,5 В. Для этого необходимо поставить резистор. Путем не сложных математических вычислений я определила, что сопротивление резистора должно составлять 125 Ом.

Рис. 10 Принципиальная схема цифрового счетчика импульсов

Вывод

Цифровой счетчик импульсов - это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. В разработанном счетчике присутствует таймер, с помощью которого можно задавать индикацию импульсов в заданную единицу времени. Данная схема так же содержит регистр, дешифратор и семисегментный индикатор, что обеспечивает свободную и беспрепятственную индикацию зарегистрированных счетчиком импульсов.

Список используемой литературы

1. Цифровые устройства: счетчики импульсов, шифраторы, мультиплексоры [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://electricalschool.info.ru, свободный.

2. Регистр[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://go-radio.ru, свободный.

3. Таймер[Электронный ресурс].- Режим доступа: http://radiokot.ru, свободный.

4. Семисегментный дешифратор [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://digteh.ru, свободный.

5. Устройства отображения информации [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://edu.dvgups.ru, свободный.

6. Цифровые счетчики импульсов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://studopedia.ru, свободный.

Размещено на Allbest.ru