Счётчик импульсов с расширенными возможностям

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Омский государственный технический университет"

Кафедра "Автоматизированные системы обработки информации и управления"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему «Счётчик импульсов с расширенными возможностями»

по дисциплине «Электротехника и электроника»

студента Винокурова Максима Анатольевича г

Преподаватель А.В. Никонов

Омск 2005

Реферат

Пояснительная записка 16 с., 7 рис., 3 табл., 4 источника.

СЧЁТЧИК ИМПУЛЬСОВ, ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ, РЕГИСТР, ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, Преобразователь уровня

Объектом выполненной работы являются счётчики импульсов с программным управлением, предназначенные для счета импульсов в диапазонах от ВЧ до ОВЧ.

Цель работы - проектирование счетчика импульсов с расширенными возможностями, и ознакомление с его устройством и принципом работы.

В процессе работы проводились теоретические исследования счётчиков импульсов и регистров.

В результате исследований были получены электрическая принципиальная и функциональная схема счётчика импульсов с расширенными возможностями.

Степень внедрения - проектирование для учебных целей.

Введение

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосредственным цифровым представлением результата, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ [1, с.239].

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

Счетчики классифицируются по направлению счета:

суммирующие;

вычитающие;

реверсивные.

Также счетчики классифицируются по коэффициенту (модулю) счета:

двоичные (бинарные);

двоично-десятичные (декадные);

с произвольным постоянным или переменным модулем счета.

1. Выбор и обоснование направления проектирования

Для выполнения заданных технических требований потребуется реверсивный счетчик, так как он осуществляет счет, как в прямом, так и в обратном направлениях., т.е. может работать в режиме сложения и вычитания.

Счетчики характеризуются емкостью и быстродействием.

Чтобы обеспечить указанную в техническом задании емкость, равную 104, необходимо использовать 4 соединенных последовательно десятичных счетчика. Первый счетчик будет для единиц, второй - для десятков, третий - для сотен, и четвертый - для тысяч.

Интегральные микросхемы счетчиков могут быть основаны на различных схемотехнических базисах (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и т.д.), которые отличаются уровнями входного сигнала, быстродействием, потребляемой мощностью и др.

По техническому заданию выходной код в уровнях ТТЛ, однако, для достижения максимального быстродействия будут использоваться микросхемы серий ЭСЛ. Большое быстродействие ИМС ЭСЛ обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном (линейном) режиме. А для совместимости потребуется преобразователь уровней из ЭСЛ в ТТЛ.

На базе ЭСЛ существуют такие счетчики, как К500ИЕ136 и К500ИЕ137 - однотипные счетчики, отличающиеся выходными кодами: К500ИЕ136 считает в двоичном коде, а К500ИЕ137 - в десятичном. Оба эти счетчика имеют универсальное назначение и могут при тактовых частотах свыше 100 МГц считать как на увеличение, так и на уменьшение выходных данных [3]. По коэффициенту счета нам нужен десятичный счетчик, т.е. счётчик К500ИЕ137.

С учетом всего вышесказанного можно построить необходимую для данного устройства функциональную схему (рисунок 1).

Рисунок 1 - Функциональная схема устройства

2. Расчет на структурном уровне

2.1 Обзор и анализ литературы

Микросхемы на основе ЭСЛ имеют ряд достоинств, которые обеспечили их преимущество перед другими микросхемами:

хорошая схемно-техническая отработанность и, как следствие, сравнительно невысокая стоимость при изготовлении;

высокое быстродействие при средней потребляемой мощности или сверхвысокое быстродействие при большой потребляемой мощности;

малая энергия переключения, т.е. малое произведение времени задержки (tзд=1,5-2,0 нс) на потребляемую мощность;

высокая стабильность динамических параметров при изменении рабочей температуры и напряжения питания;

большая нагрузочная способность;

широкий функциональный набор микросхем [2].

В разделе «Выбор и обоснование направления проектирования» мы определились, что прототипом будет являться счетчик К500ИЕ137, но у него есть один недостаток - он имеет только два управляющих входа S1 и S2, т.е. счетчик может работать в следующих режимах: прямой счет, обратный счет, предварительная установка и хранение. Но необходимо также обеспечить обнуление (сброс). Для обеспечения возможности обнуления на каждый информационный вход (D0 - D1) счётчика в режиме предварительной установки, через регистр передается сигнал «0».

Четыре режима работы счётчика К500ИЕ137 программируется по двум входам S1, S2, что отражено в таблице 1. Режим предварительной установки позволяет загрузить данные, присутствующие на входах D0-D3. Счётчик меняет выходное состояние по положительному перепаду на тактовом входе С. В другие моменты можно менять входные данные на входах D.

Предварительная установка емкости будет обеспечиваться введением дополнительных схем «и» на выходах счетчика. Сюда, через регистры, будут подаваться сигналы, с внешних устройств.

Таблица 1 - Режимы работы счетчика К500ИЕ137

Это устройство и будет прототипом. Микросхема имеет высокое быстродействие при средней мощности потребления 620 мВт, частота счета достигает 125 МГц.

2.2 Выбор и обоснование структурной схемы

Чтобы получить счетчик емкостью 104 нужно четыре десятичных счетчика соединить последовательно (Рисунок 2).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2 - Структурная схема счётчика импульсов емкостью 104

Каждый из этих блоков десятичных счетчиков должен иметь узел предварительной установки, узлы изменения направления счета, хранения, сброса и счета (для поступления счетных импульсов).

Чтобы обеспечить программную доступность для управления режимом работы счетчика используется блок-регистр, на информационные входы которого поступают сигналы управления счетчиками и информация о количестве единиц, десятков, сотен и тысяч при предварительной записи емкости счетчика. Эти сигналы с информационных выходов блока-регистра поступают на входы счетчиков.

Так как в качестве счетчика будет использоваться ЭСЛ-микросхема, а входной сигнал 50 мВ, что не соответствует уровням ЭСЛ, необходимо преобразовать входящие импульсы. Для этого к первому декадному счетчику подключается блок - входной формирователь импульсов. Формирователь импульсов предназначен для преобразования синусоидальных колебаний или сигналов иной формы в прямоугольные колебания, пригодные для обработки цифровыми устройствами.

2.3 Распределение технических характеристик по блокам

Таблица 2 - Распределение технических характеристик по блокам

3. Расчет электрической схемы

3.1 Счетчик

В качестве каждого необходимого десятичного счетчика используется ранее описанная микросхема K500ИЕ137 [2]. Микросхема состоит из четырех двухступенчатых синхронных триггеров и комбинационных логических элементов на их входах, предназначенных для организации различных режимов работы десятичного счётчика.

Параметры:

типовое время задержки tзд.р.=5 нс;

типовая потребляемая мощность Рпот.=620 мВт;

частота счета достигает fmax= 125 МГц.

Но данная микросхема имеет только два управляющих входа S1 и S2, т.е. счетчик может работать в следующих режимах: прямой счет, обратный счет, предварительная установка и хранение. Но необходимо также обеспечить обнуление (сброс). Для обеспечения возможности обнуления на каждый информационный вход (D0 - D1) счётчика в режиме предварительной установки, через регистр передается сигнал «0».

К каждой интегральной микросхеме К1500ИЕ137 необходимо подвести питание -5,2В. Также необходимо информационные выходы каждой из них подключить к выходной шине, например, для подключения к устройствам визуального отображения информации.

3.2 Регистры

Блок-регистр состоит из трех регистров К1500ИР141.

К1500ИР141 - 8-разрядный синхронный регистр. Микросхема содержит восемь синхронных двухступенчатых D-триггеров, логические схемы управления режимами работы и выполнения сдвига информации. Микросхема может работать в следующих режимах: прием информации, хранение, сдвиг влево, сдвиг вправо [2].

Параметры:

типовое время задержки tзд.р.=1,9 нс;

типовая потребляемая мощность Рпот.=765 мВт;

частота сдвига достигает fmax= 500 МГц.

На информационные входы первого регистра D1-D8 будет поступать информация об единицах и десятках, отправляемых на информационные выходы десятичных счетчиков десятков и единиц в случае предварительной установки емкости счетчика. На информационные входы второго регистра D1-D8 будет поступать информация о сотнях и тысячах, а на входы D1-D3 третьего - информационные сигналы управления счетчиками, которые будут синхронно отправляться на входы управления режимами работы счетчиков.

3.3 Входной формирователь

Используемый формирователь имеет повышенную помехоустойчивость, обусловленную применением триггера Шмидта [4]. Он выполнен на ЭСЛ-микросхеме К500ЛП116. Резистор R1 и диоды Д1, Д2 образуют двусторонний ограничитель напряжения, предохраняющий микросхему К500ЛП116 от повреждения при входном напряжении больше 1В. На элементах D1.1 и D1.2 выполнен усилитель-ограничитель с коэффициентом усиления 100, а на элементе D1.3 - триггер Шмидта, повышающий устойчивость работы формирователя импульсов. Чувствительность формирователя не хуже 0,1 В.

Рисунок 4 - Входной формирователь импульсов

3.4 Преобразователь уровня

В качестве преобразователя уровня используется микросхема К500ПУ125. Это четырехканальный преобразователь цифровых сигналов ЭСЛ в логические уровни ТТЛ. На микросхему следует подать два питающих напряжения: 5 В (ТТЛ) и - 5.2 В (ЭСЛ). Если входы К500ПУ125 оставить свободными, не присоединенными, то на выходе ТТЛ появится напряжение низкого уровня. Типовое время задержки для этого преобразователя уровня составляет 5 нс.

4. Анализ метрологических характеристик

Основными характеристиками счетчика являются емкость и быстродействие.

Емкость счетчика будет определяться зависеть от количества счетчиков их 4, что обеспечивает условиям технического задания.

Быстродействие определяется разрешающей способностью tраз.сч. и временем установки кода счетчика. Разрешающая способность - это минимальное время между двумя входными сигналами:

tраз.сч.=1/fmax(4.1)

tраз.сч.=1/125 МГц=8 нс.

Время появления выходного кода счетчика, значит оценить задержку переключения в нулевое положение всех триггеров декадных счетчиков при поступлении на вход последнего 10000-го счетного импульса. Так как счетчики соединены последовательно, то задержки четырех счетчиков будут суммироваться. Т.е., если время задержки одной микросхемы К500ИЕ137 tзд.р.=5 нс, то выходной код четырех счетчиков задержится на 20 нс. Суммарная задержка всего прибора с учетом преобразователей уровня и регистров составит 28.8 нс.

Необходимые параметры входного сигнала (в уровнях ЭСЛ) для работы ЭСЛ-микросхем обеспечивает формирователь импульсов. Диапазон частот формирователя импульсов с приведенными на принципиальной схеме номиналами составляет 1КГц - 40МГц. Чувствительность формирователя не хуже 0,01 В.

Программную доступность для управления режимом работы счетчика обеспечивают регистры.

5. Электрическое моделирование схемы

Резистор R1 и диоды D1, D2 образуют двусторонний ограничитель напряжения, предохраняющий микросхему К500ЛП116 от повреждения при входном напряжении больше 1В (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Ограничитель напряжения

Наиболее важные для моделирования параметры диодов КД503А [5] представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Параметры диодов КД503А

счётчик импульс диод

Проводится временной анализ. При установленном напряжении высокого уровня импульсного генератора в пределах 1В, импульс проходит через данный ограничитель без изменений и графики совпадают . При напряжении высокого уровня более 1В срабатывает ограничитель. (Рисунок 6)

Рисунок 6 - Результат моделирования

Список использованных источников

Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982 - 496с.

Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике./ Под ред. Б.Н.Файзуллаева, Б.В. Тарабрина. - М: Радио и связь, 1987 - 384 с.

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.

Приборы и техника эксперимента. - М.: «Наука», 1987, №3.

Размещено на Allbest.ru