Электронное устройство счета и сортировки

Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Северский технологический институт
Томского политехнического университета
Кафедра ЭиАФУ
Электронное устройство счета и сортировки
Пояснительная записка
ЭУ.200.600. ПЗ
Руководитель: Соловьёв Ю.А.
«___»_____________200_г.
Студент: Пономарёв В.В.
«___»_____________200_г.
Северск 2002г.
Задание на курсовое проектирование студенту Пономарёву В.В.
1. Тема проекта: Сортировочное устройство, вариант №24
2. Срок сдачи студентом законченного проекта 20.12.2002г.
3. Исходные данные к проекту.
3.1. Устройство питается от однофазной промышленной сети переменного тока 220 В, частотой 50 Гц.
3.2. Устройство должно обеспечивать работу при отклонениях напряжения питающей сети от номинального в пределах от плюс 10 до минус 15 %.
3.3. Устройство предназначено для работы в закрытых стационарных помещениях при температуре окружающего воздуха в пределах от плюс 5 до плюс 40 (С.
3.4. Устройство должно производить сортировку предметов по трем параметрам Х1, Х2, Х3 в соответствии с программой, заданной в таблице 1.
Таблица 1.Программа сортировки |Номер набора |Х1 |Х2 |Х3 |Y | |0 |0 |0 |0 |0 | |1 |0 |0 |1 |0 | |2 |0 |1 |0 |0 | |3 |0 |1 |1 |1 | |4 |1 |0 |0 |1 | |5 |1 |0 |1 |0 | |6 |1 |1 |0 |1 | |7 |1 |1 |1 |0 |
3.5. Устройство должно производить счет и отображение числа отсортированных предметов до значения N= 789
3.6. Параметры пороговых значений входных сигналов ФЛУ и точность сравнения приведены в таблице 2.
Таблица 2.Исходные данные. |Номер |Uд1min |Uд1max |Uд2min |Uд2max |Uд3min |Uд3max |Uср | |варианта | | | | | | | | |24 |3,8 |9,3 |5,6 |8,7 |5,8 |7,3 |0,01 |
3.7.Длительность сигналов управления исполнительными механизмами: ?имп1=19 (мс), ?имп2=19 (мс).
3.8.Принципиальная схема должна обеспечить выполнение всех функций, перечисленных в п. 1.2 пособия.
Руководитель .А. Соловьёв ”_______________200_г.
Задание принял к исполнению
Пономарёв В.В. ”_______________200_г.
Содержание
1. Общие вопросы проектирования 5
1.1. Описание технологического процесса 5
1.2. Функции, выполняемые сортировочным устройством. 5
1.3. Обоснование выбора блочной схемы СУ. 6
2. Разработка формирователей логических уровней (ФЛУ). 8
2.1. Разработка принципиальной схемы ФЛУ. 8
2.2. Выбор типа компаратора. 11
2.3. Расчет параметров элементов принципиальной схемы. 12
2.4. Определение мощности и тока, потребляемых ФЛУ. 16
3. Проектирование цифрового автомата. 18
3.1. Минимизация логической функции автомата. 18
3.2. Разработка принципиальной схемы автомата. 19
3.3. Определение мощности и тока, потребляемых цифровым автоматом. 20
4. Разработка двоично-десятичного счетчика. 21
4.1. Обоснование и выбор типа интегральной микросхемы двоично- десятичного счетчика. 21
4.2. Проектирование счетчика предметов на заданное число. 21
4.3. Разработка дешифратора конца счета. 22
4.4. Разработка схемы установки счетчика в исходное (нулевое) состояние 23
4.5. Определение мощности и тока, потребляемых счетчиком. 24
5. Проектирование схемы индикации в десятичной форме. 26
5.1. Выбор типа дешифраторов и семисегментных индикаторов. 26
5.2. Разработка принципиальной схемы индикации. 27
5.3. Расчет мощности и тока, потребляемых схемой индикации. 28
6. Проектирование схем управления исполнительными механизмами. 29
6.1. Выбор типа интегральной микросхемы ждущего мультивибратора. 29
6.2. Расчет параметров элементов времязадающих цепей 29
6.3. Расчет мощности и тока, потребляемых схемой. 30
7. Разработка источника питания. 31
7.1. Определение исходных данных (количество источников напряжения, требуемые величины напряжений и токов нагрузки). 31
7.2. Выбор схемы выпрямления и типа диодов. 31
7.3. Расчет и выбор параметров схемы сглаживания пульсаций. 32
7.4. Разработка принципиальной схемы стабилизаторов, расчет параметров схемы и выбор типа применяемых элементов. 33
8. Разработка и описание принципиальной схемы сортировочного устройства. 34
9. Заключение. 35
10. Список литературы. 36
Приложение 1 37
Введение
Быстрое расширение областей применения электронных устройств одна из особенностей современного научно – технического прогресса. Этот процесс связан с внедрением интегральных микросхем в управляющие устройства. Применение интегральных микросхем позволило усовершенствовать и создать новые методы проектирования, конструктирования и производства радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. Использование цифровой микроэлектроники в различных областях значительно упростило контроль за различными процессами и повысило качество выпускаемых изделий.
1. Общие вопросы проектирования
1. Описание технологического процесса
Рассмотрим технологический процесс сортировки некоторых предметов (изделий), представленный на рисунке 1.
[pic]
Рисунок 1. Технологическая схема сортировки предметов
Изготовленные предметы из питателя П поступают на транспортную систему 1 и автоматически распределяются (сортируются) по накопителям Н1 – Нn. Управление осуществляется с помощью сортировочных устройств СУ1 – СУn, измеряющих некоторые параметры предметов и вырабатывающих сигнал управления на складирование в накопитель Н при совпадении набора определенных значений параметров предметов с заданным. При достижении количества отсортированных предметов заданному числу контейнер с отсортированными предметами удаляется с помощью другой транспортной системы 2, обеспечивая непрерывность процесса.
Разработаем и рассчитаем основные элементы системы управления сортировочного устройства.
2. Функции, выполняемые сортировочным устройством.
Количественная оценка каждого признака производится тремя аналоговыми датчиками (Д1 – Д3), выходное напряжение которых имеет положительную полярность и изменяется от 0 до 10 В.
Так как одновременную оценку параметров трех признаков обеспечить технически сложно, то необходимо ввести позиционный (путевой) датчик Д4. Цифровой выходной сигнал датчика Д4. единичного уровня появляется тогда, когда аналоговые датчики Д1 – Д3 закончили формирование своих выходных сигналов.
Числовая оценка параметра признака осуществляется в цифровой форме. Данный признак Х принимает единичное значение, если выходное напряжение соответствующего аналогового датчика находится в определенной зоне, задаваемой двумя пороговыми значениями UДmin и UДmax:
1. [pic]
Программа сортировки задается определенной совокупностью цифровых наборов признаков Х1, Х2, Х3.
При совпадении текущего набора признаков с заданным по программе счетное устройство вырабатывает сигнал управления исполнительным механизмом (ИМ1) длительностью (им1, запускающий процесс складирования отсортированного предмета в накопитель Н1.
В процессе сортировки необходимо вести текущий счет и индикацию в десятичной форме числа отсортированных предметов.
При достижении заданного числа N отсортированных предметов в накопителе формируется сигнал определенной длительности (им2 управления исполнительным механизмом (ИМ2), для удаления контейнера с предметами из накопителя и замены на пустой. При этом счетчик должен автоматически “обнулиться” и начать счет отсортированных предметов в следующей партии.
Необходимо предусмотреть автоматическое “обнуление” счетчика предметов при подаче напряжения питания на сортировочное устройство, а так же “обнуление” по команде обслуживающего персонала (ручное управление).
3. Обоснование выбора блочной схемы СУ.
На рисунке 2 представлена блочная схема сортировочного устройства СУ, которая даёт наглядное представление о структуре СУ, его внутренних связях и работы.
[pic]
Рисунок 2.Блочная схема СУ
Блок аналоговых датчиков (БД) производит измерение трех параметров предметов в аналоговой форме. Четвертый датчик Д4. выдает сигнал готовности процесса измерения в цифровой форме. Единичному выходному сигналу соответствует момент времени, когда все три признака блоком БД сформированы.
Процесс преобразования аналоговых сигналов измерения в цифровой вид (Х1, Х2, Х3) осуществляет блок формирователей логических уровней ФЛУ.
Цифровой (программный) автомат (ЦА) работает по жесткой программе, задаваемой таблицей истинности. При совпадении текущей совокупности измеренных параметров с заданной выдается выходной сигнал ЦА, используемый для счета и включения исполнительного механизма после формирования определенной длительности (им1 ждущим мультивибратором (ЖМ1). Счет количества отсортированных предметов ведется десятичными счетчиками Сч100 – Сч1. Визуальная индикация числа предметов производится семисегментными индикаторами И100 – И1 в десятичном виде. Для преобразования состояния счетчика (Сч) из двоичного кода в код, необходимый для управления индикаторами И100 – И1, используются специальные дешифраторы DC100 – DC1.
Дешифратор DC2 определяет момент достижения заданного количества отсортированных предметов. Ждущим мультивибратором ЖМ2 формируется сигнал управления длительностью (им2 вторым исполнительным механизмом и контейнер с предметами удаляется из накопителя. По этому же сигналу счетчик автоматически “обнуляется”. Установка счетчика Сч100 – Сч1 в нулевое исходное состояние может быть произведена вручную оператором путем коммутации кнопки S. Сигнал установки счетчика в исходное состояние вырабатывается схемой формирования (СФ1).
Питание СУ производится от сети однофазного напряжения 220В, частотой 50Гц. С помощью понижающего трансформатора ТV получают источник тока с требуемым напряжением. VD – блок выпрямителей, СТ – блок стабилизаторов напряжения.
В VD производится преобразование переменного тока в постоянный и фильтрация полученных нестабилизированных напряжений.
Блок СТ обеспечивает питание электронных схем СУ стабилизированными напряжениями Uп. При подключении СУ к питающей сети предусмотрено автоматическое “обнуление” счетчика с помощью схемы формирования (СФ2).
2. Разработка формирователей логических уровней (ФЛУ).
1. Разработка принципиальной схемы ФЛУ.
ФЛУ предназначены для преобразования аналогового сигнала датчиков признаков (UД1, UД2, UД3) в цифровой сигнал. При этом должно быть выполнено условие: цифровой сигнал признаков (Х1, Х2, Х3) принимает “единичное” значение, если:
2. [pic]
Реализуем поставленную задачу использовав два компаратора, формирующих выходные сигналы Х1(, Х1( в соответствии с условием (2). Диаграмма работы компараторов представлена на рисунке 3.
[pic]
Рисунок 3.Диаграмма работы компараторов
Рассмотрим работу компараторов для одного канала преобразования аналогового сигнала первого датчика UД1 в цифровой Х1.
На диаграмме (рисунок 3) представлены зависимости выходных сигналов компараторов Х1( и Х1( от величины входного сигнала датчика признаков UД1. При напряжении датчика:
[pic]; при [pic]. Принципиальная схема, реализующая диаграмму (рисунок 3) и задание пороговых уровней UД1min и UД1max, представлена на рисунке 4. [pic]
Рисунок 4.Принципиальная схема ФЛУ
Интегральный компаратор DA1.1 формирует цифровой сигнал Х1(, а DA1.2 – Х1(. С выхода делителя R1, R2, R3 задается пороговый уровень, равный напряжению UД1min, а с выхода делителя R4, R5, R6 – UД1max. Схема (рисунок 4) дополнена логическим устройством DD1.1 , состояние которого в зависимости от UД1 приведено в таблице 3.
Таблица 3.Состояния логического устройства DD1 |UД1 |Х1( |Х1( |Х1 | |UД1 ( UД1min |0 |1 |0 | |UД1min ( UД1 ( UД1max |1 |1 |1 | |UД1 ( UД1max |1 |0 |0 | | |0 |0 |( |
Логическая функция Х1не определена на наборе Х1(=0, Х1(=0, так как логическая функция технологически не может быть задана. Поэтому при формализации на этом наборе Х1 может принять любое значение 0 или 1. В данном случае целесообразным является нулевое значение функции Х1 на наборе Х1(=0, Х1(=0. Окончательный вид таблицы состояния функции Х1 дан в таблице 4.
Таблица 4.Таблица истинности функции Х1 |Х1( |Х1( |Х1 | |0 |0 |0 | |0 |1 |0 | |1 |0 |0 | |1 |1 |1 |
На инвертирующий вход компаратора DA1.1 с выхода потенциометра R2 (рисунок 4) подается пороговый уровень UД1min, а с выхода R6 – UД1max на не инвертирующий вход DA1.2. Так как аналоговый сигнал датчика признаков Uд положительной полярности, то и опорное напряжение (Uоп) выбираем положительной полярности.
Выбор величины Uоп определяется наибольшим значением напряжений UД1max, UД2max, UД3max, в данном случае 9,3 В. Условием выбора величины напряжения Uоп определим его превышение на 10 – 20% относительно наибольшего значения из UД1max, UД2max, UД3max, получаем:
[pic]
Схемы формирования логических сигналов Х2 и Х3 аналогичны схеме на рисунке 4. При этом параметры резисторов R1, R2, R3 и R4, R5, R6 будут посчитаны в соответствии с заданными значениями UД2min, UД2max, UД3min, UД3max.
Логическое устройство (рисунок 4), реализующее функцию (2), выполнено на логическом элементе 3И (DD1.1). На третий вход подается выход датчика Д4, единичное значение которого разрешает формирование логического сигнала Х1. Окончательно, таблица состояния для логического элемента DD1 имеет вид таблицы 5.
Таблица 5.Состояние DD1. |Х1( |Х1( |Д4 |Х1 | |0 |0 |0 |0 | |0 |1 |0 |0 | |1 |0 |0 |0 | |1 |1 |0 |0 | |0 |0 |1 |0 | |0 |1 |1 |0 | |1 |0 |1 |0 | |1 |1 |1 |1 |
Рассмотрим работу схемы (рисунок 4).
При Uд ( Uдmin, положительный пороговый уровень Uдmin на инвертирующем входе DA1 определяет нулевой уровень выхода Х1(. На не инвертирующем входе DA1.2 действует положительное напряжение Uдmax и на выходе Х1( формируется единичный уровень.
При Uд ? Uдmin, выход компаратора DA1.1 переключается на высокий уровень, а выход компаратора DA1.2 остается на прежнем высоком уровне.
При Uд = Uдmax выход компаратора DА1.1 остается без изменения на высоком уровне, а выход компаратора DA1.2 переключается на нулевой уровень. При Uд ( Uдmax состояние компараторов не изменяется.
Формирование выходного логического сигнала признака Х1 производится по высокому уровню сигнала датчика Д4.
Если Д4 = 1 и Uдmin ( Uд ( Uдmax, то Х = 1; если Д4 = 1 и Uд ( Uдmin или Uд ( Uдmax, то Х = 0.
Формирование логических уровней Х2, Х3 осуществляется аналогично описанному выше для Х1.
2. Выбор типа компаратора.
Расчет схемы сводится к выбору типа компаратора и определения параметров резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6, R19, R20.
В основу расчета приняты 2 условия:
1. Минимальное влияние входных токов Iвх компаратора
2. Минимальное влияние величины напряжения смещения Uсм на формирование выходного сигнала (на точность работы).
Первое требует равенства эквивалентных сопротивлений, подключаемых к инвертирующему и не инвертирующему входам компаратора:
3. [pic], [pic].
Условие (3) приводит к необходимости включения дополнительных резисторов R19 и R20 на соответствующие входы компараторов DA1.1 и DA1.2.
Второе условие ограничивает величину эквивалентных сопротивлений, подключаемых к входам компаратора:
4. [pic], где:
Uсм – напряжение смещения выбранного компаратора,
Iвх – входной ток выбранного компаратора.
Определим точнее условие (4). Будем считать, что снижение эквивалентного сопротивления по отношению к значению Uсм/Iвх на порядок, является достаточным. Тогда условие (4) будет иметь вид:
5. [pic].
При этом следует иметь ввиду, что влияние Uсм на точность не исключено. Сведено до минимума влияние входных токов Iвх выполнением условий (3) и (4).
При выборе типа компаратора учтём два положения: а) возможность формирования выходного цифрового сигнала, соответствующего стандартному уровню КМОП серии логических элементов, б) численное значение напряжения смещения Uсм, приведенное в справочных данных.
Если напряжение Uсм велико, то необходимо применить дополнительную схему балансировки, подключаемую к дополнительным выводам NC компаратора в соответствии с рекомендацией, приводимой в литературе . Напряжение Uсм будем считать большим, если:
6. [pic].
А мы имеем следующее:[pic][pic] это условие выполняется при исползовании компаратора К597СА3.Параметры UСМ = 0,005 В,IВХ = 0,25мкА
3. Расчет параметров элементов принципиальной схемы.
При расчете сопротивлений резисторов делителей, задающих требуемые пороговые значения напряжений, определим ток, протекающий через делитель. Рассмотрим делитель напряжения R1, R2, R3 для задания порогового уровня UД1min (рисунок 5). Делитель напряжения необходимо спроектировать так, чтобы с выхода R2 можно было получить UД1min при выборе стандартных (по ГОСТ) значений сопротивлений резисторов R1, R2, R3. Задача расчета существенно упрощается, если выбрать ток делителя R1, R2, R3 – Iд, значительно превышающий входной ток компаратора Iвх.
Если
7. [pic], то входной ток компаратора можно не учитывать при расчете сопротивлений резисторов.
Для точной установки напряжения порогового уровня используется регулировочный резистор R2. Осью потенциометра можно плавно изменить величину порогового напряжения в пределах от 0,9UД1min до 1,1UД1min.
[pic]
Рисунок 5.Схема делителя
Для определения тока делителя (Iд). необходимо воспользоваться формулой (3) с учетом выражения (5) :
8. [pic],
9. [pic],
10. [pic],
11. [pic].
С учетом формул (9), (10), (11) преобразуем соотношение (8) и представим в виде:
12. [pic].
Из уравнения (12) определим неизвестный ток делителя Iд:
13. [pic].
Ток делителя R4, R5, R6 будет определен аналогично выражению (13):
14. [pic].
Подставляя в выражения (13) и (14) паспортные значения компаратора К597СА3, Uсм= 0,005 В, Iвх= 0,25мкА и исходные данные напряжений датчиков Д1, Д2, Д3, получим:
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Проверяя условие [pic] делаем вывод, что входным током компаратора можно пренебречь из-за малой величины, и пользуясь только током делителя IД рассчитаем сопротивления резисторов делителя для датчика Д1:
15. [pic],
16. [pic],
17. [pic],
[pic]
[pic]
[pic]
18. [pic],
19. [pic],
20. [pic],
[pic]
[pic]
[pic] где: R1p, R2p, R3p, R4p, R5p, R6p – расчетные сопротивления резисторов.
Далее по ГОСТ выбираем номиналы сопротивлений резисторов R1 R2, R3, R4, R5, R6 по условию:
R1 ( R1p, R2 ( R2p, R3 ( R3p, R4 ( R4p, R5 ( R5p, R6 ( R6p, то есть из ряда стандартных значений выбирается равное ближайшее или меньшее значение.
С учётом гостированных номиналов резисторов рассчитаем ток делителей:
21. [pic]
22. [pic]
[pic]
[pic]
Далее делаем проверку возможности установки требуемого напряжения на резисторах R2 и R5:
23. [pic]
24. [pic]
[pic]
[pic]
С резисторами, выбранными по ГОСТ мы сможем обеспечить необходимые напряжения на входах компаратора.
По формуле 3 рассчитаем сопротивление эквивалентных резисторов:
[pic],
[pic].
Расчёт резисторов для датчиков Д2 – Д3 проводится аналогично описанному выше.
Проводя аналогичные вычисления для резистивных делителей датчиков Д2 и Д3 с тем же компаратором К597СА3 расчитаем сопротивления резисторов:R7 – R18 и R21 – R24.
R7=3900 (OM), R8=750 (OM), R9=3300 (OM), R10=2000 (OM),
R11=1300 (OM), R12=6200 (OM), R13=3600 (OM), R14=750 (OM),
R15=3300 (OM), R16=2700 (OM), R17=1000 (OM), R18=4300 (OM),
R21=2000 (OM), R22=2000 (OM), R23=2000 (OM), R24=2000 (OM),
4. Определение мощности и тока, потребляемых ФЛУ.
Рассчитаем рассеиваемую мощность резисторов на примере формирователя логического уровня для первого датчика:
25. [pic], [pic], [pic],
26. [pic], [pic], [pic]. где: [pic], [pic], [pic], [pic], [pic], [pic] - расчетные значения рассеиваемых мощностей.
[pic] – уточненное значение тока делителя после выбора резисторов по ГОСТ.
[pic]
[pic],
[pic],
[pic],
[pic],
[pic].
Номинальное значение рассеиваемой мощности PHR должно быть не менее расчетной:
27. [pic]
Аналогично просчитав мощности резисторов делителей датчиков Д2 – Д3, определим суммарное потребление мощности резистивных делителей датчиков:
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Ток потребления одного корпуса микросхемы компаратора равен 3,6 мА, в нашем случае 3 корпуса. Мощность потребления микросхемы выполняющую функцию 3И–НЕ (К564ЛА9) равна 20 мВт на каждый логический элемент. Общая потребляемая мощность ФЛУ будет равен сумме всех обозначенных ниже мощностей:
28. [pic]
Где:
[pic]
[pic] – ток потребляемый микросхемой от двухполярного питания.
[pic]
[pic]
[pic]
3. Проектирование цифрового автомата.
1. Минимизация логической функции автомата.
Задачи в цифровой технике, как правило, формируются в виде таблиц истинности. Решение задачи сводится к нахождению аналитического выражения логической функции, которое соответствовало бы этой таблице. В данной задаче программа сортировки заданна следующей таблицей истинности:
Таблица 6.Программа сортировки. |Номер набора |Х1 |Х2 |Х3 |Y | |0 |0 |0 |0 |0 | |1 |0 |0 |1 |0 | |2 |0 |1 |0 |0 | |3 |0 |1 |1 |1 | |4 |1 |0 |0 |1 | |5 |1 |0 |1 |0 | |6 |1 |1 |0 |1 | |7 |1 |1 |1 |0 |
В таблице истинности выделим строки, в которых выходная переменная Y принимает значение 1. Для каждой строки таблицы составляем конъюнктивный терм (контерм) – логическое умножение всех входных переменных. Причем записывают сомножитель в прямом виде – Xi, если рассматриваемая переменная равна “1”, в противном случае записывают в инверсном виде – [pic]i.. Таким образом составляем столько выражений, сколько имеется строк с Y=1;
Записывая логическую сумму всех найденных контермов, получаем искомую функцию в дизъюнктивной форме.
В соответствии с таблицей истинности (таблица 6) в строках 3, 4, 6 функция Y=1. Контермы для каждой из строк имеют следующий вид: а) строка 3 – [pic]; б) строка 4 – [pic]; в) строка 6 – [pic].
Искомая функция записывается в виде логической суммы конъюнктивных термов:
29. [pic] или
30. [pic]
Преобразуем выражение (30) по правилам алгебры логики. В соответствии с дистрибутивным законом:
31. [pic].
Логическая схема, построенная по выражению (31), приведена на рисунке 6.
[pic]
Рисунок 6.Схема функциональная логического устройства.
2. Разработка принципиальной схемы автомата.
В КМОП – серии, логических элементов И не выпускают, да и целесообразно наиболее полно использовать элементы одной микросхемы, так как увеличение числа корпусов микросхем ведёт к увеличению потребляемой мощности всей схемы и стоимости. Поэтому логическое выражение (31) преобразуем с помощью теоремы Де Моргана:
32. [pic]
В связи с необходимостью применения элемента 3И-НЕ, в схеме сброса счётчиков, и в целях уменьшения количества корпусов микросхем и как следствие уменьшения энергопотребления, целесообразно использовать такие же элементы (3И-НЕ) в схеме ФЛУ+ЦА. Поэтому функцию (32) реализуема на 3-х элементах 3-И-НЕ и двух инверторах. Функциональная схема приведена на рисунке 7.
[pic]
Рисунок 7.Схема цифрового автомата
3. Определение мощности и тока, потребляемых цифровым автоматом.
Мощность потребления микросхемы DD3 (К561ЛА9) равна 20мВт на каждый логический элемент. Учтём потребление мощности инверторов применённых в ФЛУ и выполненных на микросхеме DD2 (К561ЛА9).
33. [pic]
4. Разработка двоично-десятичного счетчика.
1. Обоснование и выбор типа интегральной микросхемы двоично- десятичного счетчика.
В интегральном исполнении выпускаются асинхронные и синхронные импульсные счетчики. По способу кодирования внутренних состояний указанные счетчики делятся на двоичные, двоично-десятичные (декадные) и др. Кроме того, следует различать суммирующие (UP – counter), вычитающие (Down–counter) и реверсивные (Up – down – counter) счетчики.
Для решения поставленной задачи целесообразно использовать синхронные двоично-десятичные счетчики в интегральном исполнении. Возможен выбор реверсивного, хотя для простого счета предметов достаточным является использование суммирующего. Общим недостатком асинхронных импульсных счетчиков является последовательное срабатывание триггеров, а значит, большое время реакции на поступивший входной сигнал. Переключение триггеров в синхронных счетчиках происходит одновременно в течении времени задержки распространения. Последнее обстоятельство исключает появление помех (сигналов малой длительности и нестандартной амплитуды) особенно на выходе дешифраторов, фиксирующих достижение счетчиком определенного состояния.
Для счёта предметов в нашем случае и для согласования корпусов микросхем по входам, выделим из КМОП – серии реверсивный программируемый счётчик 561ИЕ14. На рисунке 8 приведено УГО микросхем К564ИЕ14.
[pic]
Рисунок 8. УГО микросхем К564ИЕ14
D0, D1, D2, D3 – информационные входы; Q0, Q1, Q2, Q3 – выходы; L – вход записи информации, установленной на входах D0, D1, D2, D3 путем подачи высокого уровня напряжения; Р0 – разрешение счета при низком уровне сигнала; С – тактовый (счетный) вход; U – при высоком уровне суммирующий режим, при низком уровне напряжения вычитающий режим работы; ML – высокий уровень сигнала на входе определяет счет в двоичном формате, при низком счет ведется в двоично-десятичном формате; Р4 – выход конца счета (переполнение).
2. Проектирование счетчика предметов на заданное число.
На рисунке 9 показана схема соединения трех микросхем в быстрый синхронный 12-разрядный счетчик до максимального десятичного числа 999.
[pic]
Рисунок 9. Схема соединения трех микросхем
На вход Р0 (вывод 5) микросхемы DD1 подается низкий уровень, постоянно разрешая счет. Декада DD1 является младшей (единиц), декада DD3 - старшей (сотен). По входу 1 происходит счёт импульсов с выхода ЦА. Сигналом высокого уровня по входу 2 счетчик сбрасывается - ”обнуляется”. так как на все информационные входы D0, D1, D2, D3 поданы “нули”. Низкий уровень на входе ML определяет счёт в десятичной форме, Высокий уровень на входе U задаёт суммирующий режим.
3. Разработка дешифратора конца счета.
Программа сортировки предметов должна подать сигнал при достижении в контейнере предметов в количестве 789 шт. Разработаем дешифратора для окончания счёта. Счёт ведётся в десятичной форме, составим таблицу истинности для выходов счётчика представленного на рисунке 9:
Таблица 7.Таблица истинности дешифратора конца счёта | |Единицы |Десятки |Сотни |Y1 |Y10 |Y100 | |0 |0 |0 |1 | |0 |0 |1 |1 | |0 |1 |0 |1 | |0 |1 |1 |1 | |1 |0 |0 |1 | |1 |0 |1 |1 | |1 |1 |0 |1 | |1 |1 |1 |0 |
4. Определение мощности и тока, потребляемых счетчиком.
Мощность потребляемая схемой двоично – десятичного счётчика (PСЧ) будет определяться суммой потребляемых мощностей схемы счёта (P1), дешифратора (P2)и схемой обнуления (P3).
34. [pic]
[pic],
[pic],
35. [pic]
Мощность резисторов R26 R27рассчитаем по формуле (38):
36. [pic],
[pic],
[pic]
Произведём подбор мощностей резисторов R26 и R27 по ГОСТ с учётом,
[pic],
[pic].
Мощность R26=0,5 Вт, R27=0,125 Вт.
Элемент DD3.3 (3И – НЕ) входит в состав микросхемы К561ЛА9 применённой в схеме ФЛУ и мощность этого элемента уже учтена. Из этого следует, что мощность потребляемая схемой обнуления будет определяться только мощностью потребляемой резисторами R26 и R27:
[pic],
[pic].
5. Проектирование схемы индикации в десятичной форме.
1. Выбор типа дешифраторов и семисегментных индикаторов.
В качестве индикаторных устройств наибольшее применение находят полупроводниковые и жидкокристаллические семисегментные индикаторы (рисунок12).
При пропускании прямого тока через светодиод полоска (сегмент) начинает излучать свет красного, зеленого или желто-зеленого цвета. Определенное сочетание светящихся сегментов индицирует цифру или букву и при применении специальных дешифраторов создается возможность вывода цифровой и буквенной информации, отражающей состояние управляющих и вычислительных устройств.
[pic]
Рисунок 12. УГО семисегментного индикатора АЛС321А
Наиболее удобочитаемым, является индикатор АЛС321А с общим катодом. Высота знака у этого индикатора 7,5 мм, цвет свечения жёлто–зелёный.Ток потребления каждого сегмента равен 0,02 (А), напряжение питания одного сегмента 3,6 (В)
Специальные дешифраторы предназначены для преобразования двоичного кода в семисегментный код и управления полупроводниковыми семисегментными и жидкокристаллическими индикаторами. Рассмотрим дешифратор К176ИД2 (рисунок 13)
[pic]
Рисунок 13. УГО дешифратора К176ИД2
Входы D0 – D3 информационные входы, a-g – выходы на семисегментный индикатор. При подаче на вход S высокого уровня – разрешение преобразования двоичного кода в семисегментный код, при подаче низкого уровня – “защёлка”. Высокий уровень на входе М определяет подключение семисегментного индикатора с общим анодом, низкий уровень – с общим катодом. При наличии “единицы” на входе К все сегменты индикатора гаснут, низкий уровень разрешает индикацию. Таблица истинности дешифратора представлена в таблице 9.
Таблица 9. Таблица истинности дешифратора К176ИД2 | | |Резисторы | | | | |R1 |5,6 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R2 |560 Ом СП5-16ВВ-0,125 |1 | | | |R3 |2,4 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R4, R5 |1,6 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |2 | | | |R6 |7,5 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R7 |3,9 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R8, R14 |750 Ом СП5-16ВВ-0,125 |2 | | | |R9, R15 |3,3 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |2 | | | |R10, |2 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |7 | | | |R19...R24 | | | | | |R11 |1,3 кОм СП5-16ВВ-0,125 |1 | | | |R12 |6,2 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R13 |3,6 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R16 |2,7 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R17 |1 Ом СП5-16ВВ-0,125 |1 | | | |R18 |4,3 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R25, R28 |180 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |2 | | | |R26 |510 Ом СП5-16ВВ-0,125 |1 | | | |R27 |4,7 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 |1 | | | |R29…R49 |240 Ом ± 5 % МЛТ – 0,125 |21 | | | | | | | | | | |Конденсаторы | | | | |С1, С2 |560 мкФ К53-22-100В ±5%-В |2 | | | |С3, С4 |510 мкФ К53-22-100В ±5%-В |2 | | | |С5, С6, С7 |0,2 мкФ К53-22-100В ±5%-В |3 | | | | | | | | | | |Микросхемы | | | | |DA1...DA3 |KP597CA3 |3 | | | |DA4 |КР142ЕН8Б |1 | | | |DA5 |КР1168ЕН2А |1 | | | |DA6 |KP564АГ1 |1 | | | |DD1, DD2 |K561ЛA9 |2 | | | |DD3 |К564ЛА7 |1 | | | |DD6 |K176ЛИ1 |1 | | | |DD5, DD8, |K564ИЕ14 |3 | | | |DD10 | | | | | |DD4, DD7, |K176ИД2 |3 | | | |DD9 | | | |
Окончание таблицы 10 |Зон|Поз. |Н а и м е н о в а н и е |Кол. |Примечание | |а |обозначение | | | | | | |Индикаторы | | | | |HG1…HG3 |АЛС321А |3 | | | | | | | | | | |Диоды | | | | |VD1 |КЦ405А |1 | | | | | | | | | |S1 |Кнопка ПКн41 |1 | | | |S2 |Кнопка КМ1-1 |1 | | | | | | | |