Реферат Устройство управления на базе мультиплексора
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ВСТУП
Виконання комплексного курсового проекту сприяє кращому розумінню та закріпленню усіх раніш набутих знань по таким дисциплінам, як:
1) Мікросхемотехніка;
2) Основи конструювання, технологія виготовлення та ремонт ВЕТ;
3) Радіоелектроніка;
4) ТЕМК;
Курсовий проект необхідний для того, щоб вміло приймати самостійні рішення щодо розробки функціональної схеми, вибору серії ІМС, розробки принципової схеми, розробки друкованої плати. Хоча завдання можуть бути подібними, але внаслідок втілення творчих ідей, всі схеми та пристрої абсолютно індивідуальні.
Так як на сьогоднішній день більшою популярністю користуються зарубіжні ІМС, а вітчизняні складають обмежену кількість, то у курсовому проекті будуть використані цифрові пристрої на базі зарубіжних аналогів ІМС. Згідно технічного завдання комплексного курсового проекту розробляється пристрій керування на базі мультиплексора. Завдання орієнтовано на використання ІМС типу ТТЛ, ТТЛШ, КМОН(серії зарубіжних аналогів 74, 74S, 176). Вибір конкретної серії виконується самостійно з урахуванням наступних вимог:
1)Частоти;
2)Енергоспоживання;
3)Швидкодії.
За допоиогою вибранної серії ІМС, розробляється принципова електрична схема, яка дає детальний опис принципу роботи прилада. На основі схеми будуються часові діаграми, які підтверджують правильність роботи схеми.
Для високого рівня працездатності пристрою та довговічності, курсовий проект передбачає також розрахунок надійності даного пристрою.
1 СПЕЦІАЛЬНА ЧАСТИНА
1.1 Розробка функціональної схеми
Функціональна схема визначає основний склад виробу та його функціональні частини, їх призначення та взаємозв’язки. Також функціональна схема пояснює процеси, які відбуваються у даному пристрої. Цією схемою користуються при побудові принципової схеми, а також при наладці виробу, ремонті та експлуатації.
|
1 – генератор на основі операційного підсилювача;
2 – старт-стопний пристрій;
3 – вузол індикації роботи;
4 – кон’юнктор;
5 – двійковий лічильник;
6 – восьмиканальний мультиплексор
Рисунок 1.1 – Функціональна схема пристрою
Після надходження стартового сигналу, пристрій виробляє команди в паралельному коді на виході. Команда змінюється з надходженням кожного наступного тактового імпульса. Тактові імпульси будуть синхронізовані зі стартовим сигналом. Коли пристрій знаходиться у стані „ввімкнено”, то світодіод буде випромінювати, тим самим показуючи роботу пристроя.
1.2 Вибір серії ІМС
Для проектування цифрового пристрою необхідно обрати потрібну серію ІМС. При цьому необхідно брати до уваги такі фактори, як швидкодія, струм споживання та потужність, а також індивідуальні особливості та параметри різних серій ІМС.
По типу ІМС поділяють на: РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, КМОН.
Характерною особливістю ІМС КМОН є низьке енергоспоживання. Перевага елементів КМОН – висока стійкість до перешкод, а недолік – відносно мала швидкодія. Значення тактової частоти у пристроях, реалізованих на ІМС типу КМОН – повинно бути 1...5 МГц.
Елементи ТТЛ характеризуються більш високою швидкодією, ніж елементи КМОН, але мають значно більше енергоспоживання. В свій час дуже велике розповсюдження отримали мікросхеми серії 155, які можуть використовуватися в пристроях з тактовою частотою до 10 МГц.
Використання елементів ТТЛШ дозволяє отримати високу швидкодію та помірне вживання потужності(енергоспоживання, по відношенню до елементів ТТЛ, зменшується в 5...6 разів).
Вибір конкретної серії мікросхем, придатної для пристрою, який проектується, здійснюється виходячи зі значень частоти генератора, а також споживаного струму й потужності. Для цього проводимо попередню оцінку енергоспоживання пристрою. Виходячи з функціональної схеми, визначаємо орієнтовний склад і кількість мікросхем. Згідно завданню
Вітчизняна ІМС серії К555КП15, представляє собою мультиплексор – селектор. Зарубіжний аналог SN74152N. Букви вназві означають: SN – фірма виробника; остання буква N означає, що корпус в мікросхеми пластмасовий. Число виводів корпуса складає чотирнадцять. Даний мультиплексор – селектор (в УГП позначається MS) SN74152N восьмиканальний, з трьома адресними шинами. Напруга живлення складає 5 В(Uж), струм живлення 10 mA(Iж), час затримки сигнала 45 нс(tзатр).
Вітчизняна ІМС К55ИЕ7 має зарубіжний аналог SN7493AJ(N), що представляє собою двійковий лічильник, число виводів якого чотирнадцять. Останні букви AJ означають, що діапазон робочих частот складає: від – 0 градусів до +70 градусів за Цельсієм. Основні технічні характеристики: час затримки сигнала 70 нс, струм живлення 30 mA.
Також була використана ІМС К555ЛА3, зарубіжний аналог LS7400. ІМС LS7400 містить в собі чотири елемента І – НЕ. Перші букви LS означають, що мікросхема малого енергоспоживання з елементами шотки. Основними технічними показниками є: час затримки сигнала 20 нс та струм живлення 4,4 mA.
ІМС операційного підсилювача К154УД3, зарубіжний аналог якої AD504L. Використання такої мікросхеми було визначено згідно завданню, за її технічними характеристиками. Перші букви AD у назві ІМС містять назву виробника; остання буква L означає, що ця мікросхема з елементами шотки. Основними параметрами є: напруга живлення 5 – 8 В, струм живлення 7 mA, час затримки сигнала 50 нс. Тип корпуса AD504L ТО – 99, а число виводів корпуса складає 8, але два з них не використовуються.
1.3 Розробка принципової схеми пристрою
Принципова схема визначає повний склад елементів і зв’язки між ними й дає детальний опис про принцип роботи приладу. На ній зображують всі електричні елементи або вузли пристроїв, необхідні для здійснення й контролю у приладі заданих електричних процесів, всі електричні зв’язки між ними, а також елементи якими закінчуються вхідні й вихідні ланцюги.
Принципова схема проектованого цифрового пристрою розробляється на основі функціональної схеми з урахуванням вибору конкретної серії ІМС.
Моя схема пристрою керування на базі мультиплексора була смодельована в спеціалізованій програмі Electronics Workbench.
Рисунок 1.2 – Принципова схема пристрою
1.4 Вибір генератора на основі операційного підсилювача(ОП)
Для побудови та синтезу генератора на основі операційного підсилювача був використаний операційний підсилювач, який найбільш точно відповідав заданим параметрам. В першу чергу увага була сконцентрована на споживчому струмі(Іmax), на частоті(F), а також важливу роль грає напруга живлення(Uж).
Частота генератора на основі ОП розраховується за допомогою наступної формули:
Рисунок 1.3 – Схема генератора на основі операційного підсилювача
Операційний підсилювач зазвичай називають підсилювачем постійного струму, який має коефіцієнт підсилювання за напругою вище тисячі. Поява напівпровідникових ОП у вигляді інтегральних схем привело до того, що ОП дуже швидко став найбільш широко застосовуваним.
Схема релаксаційного генератора на основі ОП зображена на рисунку 1.2. У мультивібраторі ланцюг ПОС виконаний на основі резистивного дільника R2,R3, а ланцюг ООС складається з пасивного інтегратора R1,C1
Перевага – висока надійність, відносно низька ціна, простота виконання, високий коефійієнт підсилення.
Недоліки – обмежений діапазон частот (до 1 МГц).
1.5 Вибір стартстопного пристрою
У даному випадку стартстопний пристрій виконується у вигляді схеми подавлення дріб’язгу за допомогою тригера. Для побудови схеми знадобиться два елемента Шеффера (І – НЕ). Таким умовам відповідає інтегральна схема К555ЛА3, що відповідає зарубіжному аналогу мікросхеми LS7400.
Рисунок 1.3 – Схема подавлення дріб’язгу
Такого виду стартстопний пристрій необхідний для того, щоб сигнали на виході вийшли як можна точнішими.
1.6 Вибір індикації
У пристрої передбачено застосування світлодіодної індикації. Світлодіод підключається таким способом: напряму, через резистор на джерело живлення. Коли струм протікає через світлодіод він загоряється. При цому обов’язкове розрахування опору резистора, таким чином, щоб світлодіод яскраво випромінював.
При підключенні елементів світло індикації до виходу ІМС враховується їх навантажувальна спроможність. У тому разі, якщо струм, який споживається елементом світлоіндикації, перевищує максимально допустиме значення, застосовується резистор, підбираючи його опір, можемо регулювати яскравість освітлення світодіода. На рис. 1.4 зображена схема індикації роботи пристрою:
Рисунок 1.4 – Схема світлоіндикації
Для побудови схеми індикації роботи пристрою використаємо світлодіод типу АЛ307А, такі світлодіоди використовуються спеціально для цифрових схем. Вони випромінюють у видимому діапазані червоним кольором. Для індикації роботи пристрою доречне використання світлодіоду саме червоного кольору. Так як зазвичай для людей звично спостерігати, при включенні побутових пристроїв, саме червоне свічення.
1.7 Вибір двійкового лічильника
Лічильником називають функціональний вузол, послідовнісного типу, який необхідний для лічби сигналів. Він підраховує імпульси, які надійшли на його вхід і відповідно зберігає інформацію про кількість імпульсів. За мірою надходження вхідних сигналів лічильник почергово перебирає свої стани відповідно до даної схеми.
Відповідно до завдання візьмемо двійковий чотирьох розрядний лічильник серії К555ИЕ7(відповідний зарубіжний аналог SN7493AJ).Такий лічильник має число виводів корпуса – 14.
Таблиця 1.1- Стани лічильника
Reset in | Output
--------------------------
RO1 RO2 | Qd Qc Qb Qa
--------------------------
1 1 | 0 0 0 0
0 X | Count
X 0 | Count
Рисунок 1.5 – УГП двійкового лічильника
Входи R0,R1 – це входи сбросу лічильника, а вхід С2 – лічільний .Виходи застосовуються тільки Q2,Q4 – це виходи данних, які в подальшому будуть підключені на адресні входи мультиплексора.
1.8 Вибір мультиплексора
Мультиплексор – це функціональний вузол, комбінаційного типу, який здійснює підключення (комутацію) одного з деяких входів данних до виходу. Для реалізації комбінацій в завданні (їх 8) вибираємо восьми канальний мультиплексор на три адресних шини. Цим вимогам відповідає ІМС типу К555КП15(відповідно зарубіжний аналог SN74152N).
Рисунок 1.6 – УГП мультиплексора-селектора
Будь – який пристрій, який здійснює на передаючій стороні операцію зведення данних в один канал, прийнято називати мультиплексором. Але і ця ж схема може виконувати ще одну операцію – вибір, селекцію данних з вказаного адресним кодом джерела
Таблиця 1.2 – Співпадіння між номерами тактових імпульсів та кодами команд
| Номера тактових імпульсів | |||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 01 | 11 | 01 | 10 | 00 | 10 | 01 | 11 |
Для реалізації заданих кодів необхідно синтезувати на схемі два мультиплексора, так як мультиплексор має тільки один вихід. Мультиплексор К555КП15 дозволяє комутувати данні від восьми входів на загальну вихідну лінію. Адресних входів три: Х9, Х10, Х11.Їх активний рівень – високий. А на інформаційні входи Х1 – Х8 подаються відповідні сигнали.(0 або1). Якщо „0” – то вивід підключається до загальної шини, якщо сигнал „1” – то через резистор до джерела живлення.
1.9 Робота пристрою
Пристрій після надходження стартового сигналу випрацьовує дану послідовність команд в паралельному коді на виході.
Пристрій складається з наступних вузлів: стартстопного пристрою, вузла індикації роботи, генератора на основі ОП, двійкового лічильника, двух мультиплексорів, а також чотирьох елементів І –НЕ.
Принцип дії полягає в наступному: після того, як подали напругу живлення, тактовий генератор на основі ОП починає виробляти послідовність прямокутних сигналів з частотою 50 КГц.
Після того, як подали стартовий сигнал на один із входів мікросхеми DD2.3, лічильник починає рахувати тактові імпульси. Після передає сигнали на адресні входи мультиплексорів, яким відповідають коди команд. Якщо інформаційному виводу мультиплексора відповідає логічна „1” – то необхідний вивід підлючається через резистор на джерело живлення, а якщо логічний „0” – то до загальної шини.
1.10 Побудова часових діаграм
Часові діаграми дають уявлення про динаміку сигналів в різних точках
принципової схеми проектованого пристрою, дозволяють оцінити деформацію сигналів, ризик гонок і, як наслідок, поява неправдивих спрацьовувань.
Причиною деформації сигналу та появи неправдивих сигналів є обмежена швидкодія цифрових елементів, на яких будується схема.
Рекомендується на початку побудови часової діаграми не враховувати затримку сигнала в різних цифрових елементах схеми. Це спрощує аналіз і дозволяє одержати загальне представлення про динаміку сигналів у проектованому пристрої.
В зв’язку з цим побудова часових діаграм є важливою частиною курсового проекту. Часові діаграми представлені на рис. 1.7
Рисунок 1.7 – Часові діаграми
1.11 Розрахункова частина проекту
В розрахунковій частині курсового проекту проводиться оцінка навантажувальної здібності різних елементів принципової схеми, розрахунок параметрів часозадаючих ланцюгів, розрахунок надійності пристрою, розрахунок швидкодії. Також проводиться оцінка теплових режимів роботи елементів схеми, струму та потужності, які споживаються пристроєм. Розрахункова частина передбачає ще оцінку номінвлів резисторів в ланцюзі світлоіндикації.
1.12 Розрахунок генератора на основі ОП
Частотна корекція ОП зазвичай виконується за допомогою підключення конденсаторів та резисторів до відповідних зажимів ОП. Призначення частотної корекції – уникнення автоколебань вихідного сигнала при охопленні підсилювача ООС. Причиною автоколебань є небажані фазові зсуви вОП та ланцюзі ООС, внаслідок чого ООС на деякий час приймає властивості ПОС.
ОП ефективно використовувати в генераторах імпульсів, так як вони мають досить непогані властивості, внаслідок яких ОП можна вважати ідеальним переключаючим елементом в цифрових схемах для робочих частот до 1 МГц. А саме завдяки цим властивостям, можна розрахувати наступні параметри генератора на основі ОП К154УД3(зарубіжний аналог AD504L).
Спочатку задіюємо формулу періоду Т для розрахунку потрібного номіналу резисторів, які будуть застосовуватись тільки для схеми генератора на основі операційного підсилювача:
Внаслідок даної формули можна вибрати номінал резистора:
R1 = R2 = R3 = 10 кОм
Частота генератору розраховується за такою формулою:
Невідомо значення періоду Т. З вищезаписаної формули виходить, що:
З цієї формули визначаємо номінал конденсатора:
Конденсатор з номіналом 110 нФ має таке позначення Е24, підтвердженням цього є джерело у списку літератури [8].
Тепер можна визначити період Т:
Коли всі данні з’ясовані розраховуємо частоту генератора :
1.13 Розрахунок елементів світлоіндикації
Для побудови схеми індикації роботи пристрою обирається тип свтлодіодів АЛ307А. Такий світлодіод випромінює у видимому діапазані червоним кольором. Світлодіод АЛ307А має такі основні технічні характеристики: струм живлення досягає 20mA, а напруга живлення складає 2В.Головною умовою для вибору світлодіодів є дотримання співвідношення:
Uж › Uд (1.6)
Щоб визначитися з номіналом резистора необхідно розрахувати наступну формулу:
де Uж – напруга живлення;
Uпр.д – напруга пряма діода;
Iд – струм діода.
1.14 Розрахунок швидкодії
Швидкодія – це час за який сигнал, після включення кнопки „Старт”, буде на виході.
Час затримки загальний, розраховується за формулою:
tзатр. заг = ∑ tзатр. імс (1.9)
де ∑ tзатр. імс — час затримки мікросхем, с;
Розраховуються тільки ті ІМС, через які проходить сигнал, тобто задіяні будуть не всі мікросхеми. За допомогою довідок визначаємо час затримки вживаних для розрахунку ІМС: К555ЛА3 = 20 нс, К555КП15 = 45 нс, К555ИЕ7 = 70 нс:
tзатр. заг = К555ЛА3 + К555КП15 + К555ИЕ7
tзатр. заг = 20 + 45 + 70 = 135 нс
1.15 Розрахунок енергоспоживання
Енергоспоживання пристрою розраховується за формулою:
де Iкм – струм живлення кожної мікросхеми.
Також за допомогою довідок визначаємо струм споживання кожної мікросхеми:
К555ЛА3 = 4,4 mA, К555КП15 = 10mA, К555ИЕ7 = 30mA, К154УД3 = 7 mA.
Ізаг = К555ЛА3 + К555КП15 + , К555ИЕ7 + К154УД3
Iзаг = 4,4 + 10 + 30 + 7 = 51,4 mA
1.16 Розрахунок потужності
Значення потужності розраховується за наступною формулою:
де Uж – напруга живлення;
Iзаг – струм, який споживається усіма мікросхемами приладу
Знаючи всі данні підставляємо у формулу (1.11) свої значення:
Pзаг = 5*51,4 = 257 mВт = 0,257 Вт
1.17 Розрахунок надійності
Надійність – це властивість зберігати у часі в зазначених рамках значення всіх параметрів, характеризуючих здатність виконувати необхідні функції в заданних режимах, умовах використання, обслуговування, ремонта, зберігання та транспортування.
Для розрахунку надійності пристрою необхідні такі данні:
1) перелік елементів, які використовуються;
2) кількість компонентів;
3) температура навколишнього середовища;
4) Фізичні та табличні значення параметрів надійності.
Розрахунок надійності зводиться до визначення середнього напрацювання на відказ.
Розрахунок виконується у наступній послідовності:
1) Визначення коефіцієнту навантаження для кожного компонента:
де Рф – фактична потужність на пристрої;
Рм – максимальна потужність на пристрої.
2) Визначення за довідником коефіцієнта вплива для даної температури:
3) Визначення значення інтенсивності відказів:
де
4) Визначення значення сумарної інтенсивності відказів:
де n – кількість елементів;
5) Визначення значення напрацювання на відказ:
Таблиця 1.3 – Надійність елементів
| Наймену вання | Тип | Кіл-сть n | | Кн | | 1/г | 1/г | |
| DD1 – DD5 | ТТЛШ | 5 | 40 | 0,6 | 0,5 | 0,5 | 0,25 | 1,25 |
| R1 – R7 | МЛТ-о,25 | 7 | 40 | 0,3 | 0,3 | 0,6 | 0,18 | 1,26 |
| C | КМ-6 | 1 | 40 | 0,7 | 0,8 | 0,05 | 0,04 | 0,04 |
| VD | АЛ307А | 1 | 40 | 0,6 | 0,5 | 0,2 | 0,1 | 0,1 |
| Пайка | ПОС-61 | 50 | 40 | - | - | 0,005 | 0,005 | 0,25 |
| Всього | | 2,9 | ||||||
1.18 Розробка друкованої плати
При розробці друкованої плати необхідно визначитись з конфігурацією та габаритними розмірами плати – максимальний розмір сторони друкованої плати не повинен перевищювати 500 mm. З урохуванням принципової схеми приладу необхідно визначитись з раціональним розташуванням елементів. Виконати трасування.
Провідники повинні бути короткими, їх небажано розташовувути поруч, так як можуть виникнути поразитні наводки. А заземлення провідників повинно бути максимально широким.
Трасування полягає в з’єднанні між собою контактів кожного з елементів, розташованих на платі. Основними обмеженнями при трасуванні є недопустимість перетину в одному шарі провідників різних ланцюгів.
Друковану плату було розроблено в спеціалізованній программі Layout.
Рисунок 1.8 – Друкована плата пристрою
Перелік літератури
1 Бирюков С.А Цифровые устройства на МОП – интегральных мікросхемах – М.: Радио и связь, 1990.
2 Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах – Ленинград: Энергоатомиздат, 1998.
3 Данилов И.А., Иванов П.М. Общая електротехника с основами электроники – М.: Высшая школа, 1983.
4 Зубчук В. И. и др. Справочник по цифровой схемотехнике – Киев: Техника, 1990.
5 Мазур А.И., Грачев В.Н. Электрохимические индикаторы – М.: Радио и связь, 1985.
6 Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики – М.: Энергоатомиздат, 1988.
7 Терещук Р.М., Терещук К.М. Полупроводниковые приемно – усилительные устройства: справочник – Киев: Наукова думка, 1989.
8 vt1. RU
9 Под редакцией Романычевой Е.Т. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА – М.: Радио и связь, 1989.
10 Шило В.Л. Популярные цифровые микросхеми: справочник – Киев: Техника, 1990.
11 Ямпольский В.С. Основы автоматики и электронной вычислительной техники – М.: Просвещение, 1991.
12 Нефедов А.В., Савченко А.М. Зарубежные интегральные микросхемы: справочник – М.: Энергоатомиздат, 1989.
13 Якубовский С.В. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы – М.: Радио и связь, 1989.
