Введение
Проектируемое устройстводля сбора и хранения информации представляет собой информационно-измерительнуюсистему, предназначенную для исследований окружающей среды или какого-либообъекта.
Как правило, устройстводля сбора и хранения информации является многоканальным. Каждый канал содержитпервичный преобразователь «Д» (датчик), предназначенный для преобразованияизмеряемого параметра в физическую величину, удобную для измерения.
цифровойпреобразователь информация
1. Анализ техническогозадания
Запуск устройствапроизводится внешним сигналом «Запуск», выдача хранимой в устройстве информациипроизводится по запросным сигналам с ЭВМ
Многоканальный АЦП втечение заданного времени (время сбора информации 60 с) и с заданным периодомопроса (400 мс) преобразует аналоговую информацию в двоичный код и записываетэту информацию вместе с контрольным разрядом в БЗУ. После окончания циклаизмерений формируется сигнал «Конец сбора информации», и устройство переходит врежим ожидания. Далее с вычислительного устройства поступают сигналы, покоторым выдается хранимая информация.
В соответствии с техническимзаданием проектируемое устройство для сбора и хранения информации имеет семьизмерительных каналов, Tопр.=400 мс., частота опроса АЦП равна:
fАЦП=m/Tопр.=16/(400*10-3)=40Гц, где m – количество измерительных каналов.
Емкость БЗУ зависит отчастоты опроса АЦП и периода опроса каждого измерительного канала:
Z=fАЦП*Tизм ,
где Tизм – время сбораинформации.
Также необходимоучитывать разрядность.
Поскольку питаниеустройства осуществляется от сети, необходимо разработать источник вторичногопитания.
Для подключенияустройства сбора и хранения информации к ЭВМ необходимо выполнить коммутирующиецепи, которые выполняются в виде разъемов.
2. Выбор элементнойбазы и принципиальной схемы
2.1 Выбораналоговых ключей/> />
Рис.1
В качестве аналоговыхключей предпочтительно применить две микросхемы К561КП2 – демультиплексор,содержащий восемь каналов коммутации цифровых и аналоговых сигналов и одинвыход. Микросхема имеет два вывода питания: положительное напряжение Uи.п.Сподается на вывод 16, а на вывод 7 может быть подано отрицательное напряжение-Uи.п.Э. Адресные и логические сигналы должны иметь в качестве нуля напряжениенулевого уровня.
Управляется микросхематрехразрядным входным кодом (A, B, C) и EI – входом разрешения. Если на немприсутствует высокий уровень, то все каналы размыкаются.
Основные параметрымикросхемы:
— сопротивлениевключенного канала при Uи.п.С=5 В составляет 0,5…2,5 кОм; при Uи.п.С=15 В оноуменьшается до 0,13…0,28 кОм.
— времязадержки не превышает 30 нс.
— Iп=100 мкА.
2.2 Выборпрецизионного усилителя
Усилитель должен быть выполнен на измерительном ОУ и иметьпрецизионные элементы обратной связи (R и C), иметь балансировку и обеспечиватьподстройку коэффициента усиления. Усилитель должен обеспечивать высокое входноесопротивление. Данным требованиям соответствует операционный усилитель типаК140УД17А. Данный ОУ имеет внутреннюю схему коррекции и может работать вдиапазоне питающих напряжений ±3…18 В.
Основные характеристикиданного ОУ:
— ку, тыс.-150; V=0,1В/мкс;
— Uпит=±3…18 В; Rн=2кОм;
— Iп=5 мА; f=0,4МГц.
2.3 Выбор АЦП
АЦП предпочтительновыполнить на ИС К1113ПВ1, т.к. эта схема имеет внутренний источник опорногонапряжения и внутренний генератор тактовых импульсов. Время преобразованиясоставляет 30 мксек. Микросхема К1113ПВ1 представляет собой 10-разрядный АЦП,рассчитанный на входные напряжения до 10,24 В или –5,12…5,12 В. Переключениережима работы производится по входу V: если V=1, то преобразуются сигналы Uвхот 0 до 10,24 В, если же V=0, то преобразователь работает в двухполярномрежиме.
Процесс преобразованияв этом АЦП осуществляется при нуле на входе В/С (гашение/преобразование). Длясброса текущего выходного кода преобразователя необходимо подать единицу(минимум на 2 мкс) на вход В/С. После этого подача нуля на вход В/С инициируетновый цикл преобразования. По окончании преобразования на выходе D/R(готовность) появляется сигнал «нуль». В процессе сбора и преобразованияодновременно с сигналами готовности данных на этом выходе поддерживаетсяединица и кодовые выходы АЦП находятся в состоянии высокого импеданса. И толькопо окончании преобразования, одновременно с сигналом готовности данных D/R=0 накодовых выходах устанавливается информация, соответствующая результатупреобразования.
— Uп=+5 В и -15 В;Iп=28 мА.
2.4 Выбор формирователяконтрольного разряда
В качествеформирователя контрольного разряда предпочтительно применить К561СА1 – 12-разряднаясхема проверки на четность. Имеет один выход Q и 13 входов, один бит –контрольный.
— Uп=+5 В; Iп=10 мкА.
2.5 Выбор ОЗУ
Оперативное запоминающее устройство предназначено для приема,хранения и выдачи информации. ОЗУ выполняются в виде интегральных схем иделятся на статические и динамические. Наиболее распространены статические ОЗУ.Они могут быть одно- и многоразрядными. Элементом памяти статических ОЗУявляется триггер.
В зависимости оттребуемого объема памяти, быстродействия и разрядности, выбираем статическоеОЗУ К537РУ3. Основные параметры этой микросхемы:
— емкость, бит – 4096на 1 разряд
— время выработкиадреса – 240 нс.
— Uп=+5 В; Iп=12 мА./> />
Рис.
2.6 Выбор автогенератораи делителя частоты
В качестве генератораможно применить схему мультивибратора, построенного на ИМС, однако также можноприменить кварцевый генератор с ИМС К176ИЕ12. Схема включения автогенератораприведена на рис.2.1.
Микросхема К176ИЕ12представляет собой двоичный счетчик на 60 и 15-рпзрядный делитель частоты.Кварцевый генератор вырабатывает тактовые импульсы с частотой 32768 Гц. Егопараметры:
— Uп=5-10 В; Iп=5 мкА.
Для делителя частотывыбираем микросхему К176ИЕ1 – шестиразрядный счетчик-делитель, который удобноиспользовать с таймером. Сброс выходных данных в ноль асинхронный, когда навход R придет высокий уровень — Uп=5-10 В; Iп=0,25 мА.
/> />
Рис.
2.7 Выбор схемыувеличения адреса ОЗУ
Выберем в качествесчетчика микросхему К176ИЕ1-шестиразрядный счетчик-делитель. Так как по условиюзадания количество разрядов 6, то реализовать счетчик на одной микросхеме непредставляется возможным, поэтому необходимо применить две последовательносоединенных микросхемы. Схема увеличения адреса ОЗУ приведена на рис. 2.3.
Микросхема К176ТМ2содержит два D – триггера, имеющих два входа асинхронного управления S и R.Триггер переключается по положительному перепаду на тактовом входе С, при этомлогический уровень, присутствующий на входе D, передается на выход Q. Входысброса R и установки S триггера не зависимы от тактового входа C и имеютвысокие активные уровни. Максимальная тактовая частота до 5 МГц, но времяфронта тактового сигнала не должно превышать 5 мкс. — Uп=5-10 В; Iп=3 мкА.
2.8 Выбор счетчика каналов
Счетчик каналов должен иметь коэффициент деления равный числуканалов. Счетчик каналов можно построить на микросхеме К176ИЕ1. Выходы счетчикаподключаются на шины управления аналоговых ключей.
2.9 Выбор схемы управления
В качестве основного элемента используем микросхему К561ИЕ8 –счетчик-делитель на 10. Выходных состояний у данного счетчика – 10,соответствующих счету от 0 до 9. Длительность каждого тактового импульса должнабыть больше 250 нс, поэтому максимальная тактовая частота – 2 МГц. Принапряжении питания 5 В тактовая частота не превышает 0,6 МГц.
— Uп=5-10 В; Iп=50 мкА.
2.10 Выбор источника питания
Согласно условию задания питание устройства осуществляется отсети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Выбираемтрансформатор ТПП-127/220/50. Для питания микросхем необходимо применитьстабилизированные источники вторичного питания на напряжение 5 В и двухполярноенапряжение ±15 В. Этим требованиям удовлетворяют микросхемы К142ЕН5А и К142ЕН6А– интегральные стабилизаторы напряжения, выполненные методом полупроводниковойтехнологии на основе биполярных транзисторов с изоляцией p-n переходом идиэлектриком.
3. Электрический расчет принципиальной схемы и отдельныхузлов
3.1 Расчет коммутатора аналоговых ключей и счетчикаканалов
Согласно техническому заданию аналоговый ключ долженкоммутировать 16 измерительных каналов, так как микросхема К561КП2 имеет восемьвходов, то используем две такие микросхемы. Управление коммутаторомосуществляется счетчиком каналов тремя разрядами управления А, В, С,выполненными на микросхеме К176ИЕ1. Переключение между мультиплексорамиосуществляется Т-триггером, созданным из D-триггера.
3.2 Расчет операционного усилителя/> />
РасчетОУ сводится к расчету его коэффициента усиления. Согласно техническому заданию,напряжение на выходах первичных преобразователей каждого измерительного канала0÷50 мВ, следовательно, Uвх пит.=50*10-3
Рис.
В. Входное напряжение АЦП лежит в пределах 0…10,24 В. ПримемUвх АЦП=10 В, следовательно, Kус.=Uвх АЦП/Uвх пит =10/(50*10-3)=200.
Для согласования коммутатора с ОУ используем эмиттерныйповторитель на ОУ К140УД17А по типовой схеме. Примем R1=10 кОм. Рассчитаемэлементы обратной связи этого ОУ.
Коэффициент усиления ОУ Kус.=200. Следовательно, нужнопоставить один усилитель с чуть большим коэффициентом усиления, чтобыскомпенсировать потери. Для этого выбираем ОУ К140УД17. Этот ОУ обеспечиваетпорядка K=1÷1000. Примем коэффициент усиления ОУ Kус.=250.
Рассчитаем элементы обратной связи второго ОУ.
Примем R3=R4=10 кОм, тогда:
R7=R5*Kус.2=104*250=2,5 м
Для регулировки выходного напряжения включаем делитель R5, R6, где R5 – подстроечный. Примем R5=1,8 кОм, R6=200 Ом.
Балансировка ОУ осуществляется резистором R2=150 кОм.
Схема включения ОУ и эмиттерного повторителя показана нарис.3.2.
Выбираем прецизионные резисторы:
R1: C2-14-0,125-10 кОм,
R2: CП3-19а-0,5-150 кОм±0,1%,
R3: C2-14-0,125-10 кОм,
R4: C2-14-0,125-10 кОм±0,1%,
R5: CП3-19а-0,5-1,8 кОм±0,1%,
R6: C2-14-0,125-200 Ом±0,1%,
R7: C2-14-0,125-2,5 м.
3.3 Расчет АЦП
Микросхема К1113ПВ1 представляют собой 10-разрядный АЦП,рассчитанный на входные напряжения от 0 до 10,24 В или -5,12…5,12 В.Переключение режима работы производится по входу V: если V=1, то преобразуютсясигналы Uвх от 0 до 10,24 В, если же V=0, то преобразователь работает вдвухполярном режиме (Uвх=-5,12…5,12 В).
Режим работы АЦП определяется импульсами управления.
Для АЦП необходимо рассчитать частоту опроса АЦП:
fАЦП=40 Гц.
Рассчитаем длительность импульса запуска АЦП:
T1=1/(2*fАЦП)=1/80=12,5 мс.
3.4 Расчет формирователя контрольного разряда
Эта схема осуществляет действие, заключающееся в добавленииконтрольного разряда. В этот контрольный разряд записывается «1» или «0» такимобразом, чтобы общее количество единиц было нечетным.
Т.к. микросхема К561СА1 имеет 12-разрядный код, а с выходаАЦП подается 7-разрядный, то лишние входы заземляем. Контрольный разрядснимается с вывода 8.
3.5 Расчет ОЗУ
В соответствии с техническим заданием период опросаизмерительного канала равен 400 мс, время сбора информации – 60 с, количествоизмерительных каналов – 16, разрядность с учетом контрольного разряда – 8.Исходя из этих данных, определяем требуемую емкость ОЗУ.
Z = fАЦП*Tизм=40*60=2400
Емкость ОЗУ должна составить 2400 8-разрядных чисел, т.е.19200 бит. Т.к. такую емкость невозможно реализовать на одной микросхеме, тонеобходимо применить 8 одноразрядных микросхем К537РУ3 емкостью 4096 бит.
3.6 Расчет автогенератора и делителя частоты
В соответствии с техническим заданием и уже произведеннымрасчетом, автогенератор и делитель частоты должны обеспечивать тактовую частотуопроса АЦП fАЦП=40 Гц.
В качестве генератора применяем кварцевый генератор,построенный на. Схема включения показана на рис. Принимаем R9=10м, R10=470 кОм,C2=C3=33 пФ. В качестве импульсного диода используем КД522А.
Примем fАВТ=32768 Гц как тактовую частоту, необходимую длясхемы формирования управляющих импульсов. Тогда T=1/fАВТ=1/32768=30,5 мксек.
Период опроса измерительного канала 100 мс. Примем R11=20 кОми рассчитаем C5 по формуле t=0,69RC:
C5=400*10-3/(0,69*20*103)=28,8 мкФ.
Роль делителя частоты выполняет счетчик К176ИЕ1. Такимобразом на выходе делителя получаем частоту опроса АЦП fАЦП=40 Гц
3.7 Расчет схемы увеличения адреса ОЗУ
Схема увеличения адреса ОЗУ приведена на рис.2.3. Так каксхема выполнена на микросхеме К176ИЕ1, представляющей собой 6-разрядныйсчетчик-делитель, необходимо сделать проверку, чтобы выходной ток счетчика былбольше всех остальных входных токов блока памяти:
Iвых.счет >∑ Iвх.А,
где: Iвых.счет – выходной ток счетчика, Iвых.счет =0,6 мА;
Iвх.А – входной ток микросхемы памяти, Iвх.А=20 мкА;
∑ Iвх.А=8*20*10-6=0,16 мА
Цепочка необходима, чтобы в момент включения источник питаниячерез элемент DD14 устанавливал триггер DD10.1 в нулевое состояние.
Выбираем: R13: C2-23-0,125-5,1 кОм±5%,
С6: К10-19-Н70-6,2 пФ±20%
3.8 Расчет блока питания
Данное проектируемое устройство имеет два напряжения питания:U1=5 В и U2=±15 В, следовательно, блок питания состоит из двух стабилизаторовнапряжения.
Стабилизатор напряжения на 5 В. Микросхема К142ЕН5А.Справочные данные: Uвх=8…14 В, Uвых=4,9…5,1 В, Iпотр=10 мА, KHI=2(3)%.
В качестве диодного моста VD2-VD5 используем диодный мостКЦ407А.
Исходя из справочных данных и из таблицы 3.1. определяем, чтоусловие
Iпот м/с
109,93
Выбираем С7: К50-16-16В-2000 мкФ±20%,
С8: К50-16-16В-100 мкФ±20%
Стабилизатор напряжения на 15 В. Микросхема К142ЕН6А.Справочные данные: Uвх=18…22 В, Uвых=14,7…15,3 В, Iпотр=7,5 мА, KHI=0,2%.
В качестве диодного моста VD6-VD9 используем диодный мостКЦ407А.Исходя из справочных данных и из таблицы 3.1. определяем, что условие
Iпот м/с
38,1
Выбираем С9: К50-16-25В-2000 мкФ±20%,
С10: К50-16-25В-2000 мкФ±20%,
С11: К50-16-25В-2000 мкФ±20%,
С12: К50-16-25В-100 мкФ±20%,
С13: К50-16-25В-100 мкФ±20%,
С14: К50-16-25В-100 мкФ±20%,
В соответствии с рассчитанными стабилизаторами напряжениявыяснили, что вторичные обмотки трансформатора должны иметь напряжение U1=10 Ви U2=35 В со средним выводом. Данным требованиям удовлетворяет трансформаторТПП227-127/220/50. Токи вторичных обмоток: I1=1А, I2=0,5 А./> />
После внешнего запуска блок управления после внешнего запуска формирует сигнал«Начало цикла», который устанавливает в «0» схему управления ключами и счетчикадреса БЗУ, а также формирует операцию записи в БЗУ (W/R) и импульсы запускаАЦП fАЦП, начинается работа по передаче информации из АЦП в БЗУ. На АЦПпоступают импульсы запуска АЦП. АЦП последовательно преобразует аналоговыйсигнал в цифровой 7-разрядный код, формирует контрольный разряд и передает все8 разрядов в БЗУ для записи и хранения. После каждого преобразования АЦПформирует сигнал «Конец преобразования», который запускает схему формированияуправляющих сигналов с БЗУ. После запоминания всех 2400 8-разрядных чисел частиБЗУ с выхода счетчика адреса выдается сигнал «Конец цикла измерений», которыйзапускает схему задержки. После прихода запросных сигналов с ЭВМ по этимсигналам из БЗУ в ЭВМ выдается вся хранимая в БЗУ информация. После выдачи всейинформации с БЗУ формируется сигнал «Конец цикла измерений», и все устройствопереходит в режим ожидания прихода следующего сигнала внешнего запуска.
ТаблицаФормат Зона Поз. Обозначение Наименование Кол. Прим.
Конденсаторы С1, С4, С6 К10-19-Н70-6,2 пФ±20% 3 С2, С3 К10-19-Н70-33 пФ±20% 2 С5 К50-16-25В-28,8 мкФ 1 С8, С12, С13, С14 К50-16-25В-100 мкФ 4 С7, С9, С10, С11 К50-16-25В-2000 мкФ 4
Микросхемы DA1 К140УД17А 1 DA2 К140УД17 1 DA3 К1113ПВ1 1 DA4 К142ЕН5А 1 DA5 К142ЕН6А 1 DD1, DD8, DD11, DD12 К176ИЕ1 4 DD2, DD10, DD23 К176ТМ1 3 DD3, DD4 К561КП2 2 DD5 К561СА1 1 DD6, DD13, DD14 К176ЛА7 3 DD7 К176ИЕ12 1 DD9 К561ЛА8 1 DD15-DD22 К537РУ3 8 DD24 К561ИЕ8 1
Резисторы R1, R3 C2-14-0,125-10 кОм 2 R2 CП3-19а-0,5-150 кОм±0,1% 1 Формат Зона Поз. Обозначение Наименование Кол. Прим. R4, R8 C2-14-0,125-10 кОм±0,1% 2 R5 CП3-19а-0,5-1,8 кОм±0,1% 1 R6 C2-14-0,125-200 Ом±0,1%, 1 R7 C2-14-0,125-2,5 м 1 R8, R11, R13 C2-23-0,125-5,1 кОм±5%, 3 R9 C2-14-0,125-10 м±0,1% 1 R10 C2-14-0,125-470 кОм±0,1% 1 R12 C2-14-0,125-40 кОм±0,1% 1
Трансформатор ТА1 ТПП227-127/220/50 1
Диод VD1 KD522A 1
Диодные мосты VD2-VD9 КЦ407А 2
Соединители SA1, SA2, SA3 Онп-КГ-57 3
Заключение
Устройство для сбора и хранения информации разработано всоответствии с техническим заданием на курсовой проект и полностьюудовлетворяет требованиям, предъявляемым к устройствам, предназначенным дляэкспериментальных исследований.
Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки играфической части.
Расчетно-пояснительная записка разделена на несколько частей,основными из которых являются: выбор элементной базы и принципиальной схемы,электрический расчет принципиальной схемы и отдельных узлов.
Графическая часть состоит из принципиальной схемы устройствадля сбора и хранения информации и перечня элементов. Графическая частьвыполнена в соответствии с ЕСКД.
Список используемой литературы
1.Ф. Лаврентьев. Аналоговая и цифровая электроника: Учебноепособие. – Йошкар-Ола, МарГТУ, 2001 г.
2.Б.Ф. Лаврентьев. Схемотехника электронных средств.Методические указания к выполнению курсового проекта по специальности 220500,200800, 211000. Йошкар-Ола, МарГТУ, 2001 г.
3.Цифровые и аналоговые интегральные схемы. Под редакциейЯкубовского. – М.: Радио и связь, 1990 г.
4.Ф. Мейзда. Интегральные схемы: технология и применения.Пер. с англ. – М.: Мир, 1981 г.
5.Микросхемы и их применение. Справочное пособие. В.А.Батушев и др. М.: Радио и связь. 1985 г.