Устройство ввода информации заданной формы представления

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

На выполнение курсового проекта

по дисциплине «Компьютерная электроника и схемотехника»

Тема: «Устройство ввода информации заданной формы представления»

Вариант №28

Заданием данного курсового проекта является разработка устройства ввода информации заданной формы представления со следующими параметрами:

· Nk=8 - число каналов аналогового ввода;

· Uвх=0..+100 В - диапазон входных напряжений по каждому каналу;

· P=0,1% - погрешность преобразования входного сигнала;

· Б = отсутствие ограничений при выборе элементной базы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ постановки задачи

2. Разработка структурной схемы устройства

2.1 Описание сигналов

2.2 Описание элементов структурной схемы устройства

2.3 Описание работы устройства

3. Разработка функциональной схемы устройства

3.1 Аналоговый коммутатор

3.2 Декодер адреса

3.3 Аналого-цифровой преобразователь

3.4 Шинный формирователь

4. Выбор и обоснование элементной базы для реализации устройства

4.1 Выбор АЦП

4.2 Выбор аналогового коммутатора

4.3 Разработка нормирующего преобразователя

5. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

6. Расчеты, подтверждающие работоспособность схемы

7. Разработка конструкции устройства

Заключение

Список использованной литературы

Приложение а. Структурная схема устройства

Приложение б. Функциональная схема устройства

Приложение в. Модель устройства

Приложение г. Перечень элементов

Приложение д. Схема печатной платы (вид снизу)

Приложение е. Схема печатной платы (вид сверху)

ВВЕДЕНИЕ

Объектом курсового проектирования является конкретное электронное устройство, а именно устройство аналогового ввода информации в ЭВМ с заданными параметрами. Данное устройство может широко применяться в компьютерной электронике для: диагностики оборудования, обработки показаний датчиков в исследовательской среде, управления работой устройств, подключенных к микропроцессорным системам.

Курсовое проектирование преследует следующие цели:

· повторение и закрепление основных разделов дисциплины «Компьютерная электроника и схемотехника»;

· приобретение навыков работы с элементной базой современной компьютерной техники;

· освоение приемов синтеза и анализа электронных схем;

· приобретение навыков схемотехнического проектирования и изготовления соответствующей конструкторской документации.

Проектирование устройства включает в себя этапы:

· анализ постановки задачи;

· разработка структурной схемы устройства;

· разработка функциональной схемы устройства;

· обоснование выбора элементной базы для реализации устройства;

· разработка схемы электрической принципиальной;

· расчёты, подтверждающие работоспособность устройства;

· разработка конструкции устройства.

1. АНАЛИЗ ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧИ

Задачей курсового проектирования является разработка устройства аналогового ввода информации в ЭВМ с параметрами заданными по варианту:

· число каналов аналогового ввода: N_к=8;

· диапазон входных напряжений по каждому каналу: U_вх=0..+100В;

· погрешность преобразования входного сигнала: P=0.1%;

· критерий для выбора элементной базы: без ограничений

Основой разрабатываемого устройства является аналого-цифровой

преобразователь (АЦП). АЦП преобразует аналоговое входное напряжение в выходной двоичный цифровой код соответствующий квантованному аналоговому входному сигналу.

Современный рынок электронных компонентов представляет нам широкий выбор АЦП которые могут применяться для различных целей и имею ряд особенностей при их использовании. Вариантом задания обусловлено количество аналоговых входов N_к=8. Наиболее простым вариантом решения задачи курсового проектирования является использование 8-ми канального АЦП который охватит сразу все аналоговые входы и повысит быстродействие устройства, однако этот вариант неприемлем так как схема АЦП такого типа довольно дорогостоящая и высокая скорость обработки данных не является столь приоритетной задачей. По этому логичнее будет использовать одноканального АЦП на вход которого будет подаваться сигнал (один из восьми) выбор которого будет осуществлять аналоговый коммутатор. В этом случае схема немного усложняется, однако будет оставаться довольно наглядной для восприятия.

Поскольку выходной цифровой код может принимать только определённые дискретные значения, то в процессе преобразования неизбежны ошибки квантования. Погрешность преобразования входного сигнала не должна превышать заданную вариантом погрешность P. Для этого АЦП долженобладать достаточным количеством разрядов. Для расчета разрядности АЦП воспользуемся формулой 1.1

(1.1)

где: N- число разрядов АЦП;P - погрешность квантования.Т.к.P = 0,001, то согласно формулы получаемN= ]log₂1/0,001[ = ]log₂1000[ =10.

Т.к. погрешность составляет 0.001, то изменение младшего разряда цифрового кода должно быть не более 100*0,001=0,1В, что покрывается квантованием в 10 бит: 100/2_-¹⁰=0,098В.

Такое количество разрядов АЦП позволят перекрыть погрешность квантования и решить задачу по оцифровке входного аналогового напряжения.

информация цифровой преобразователь схема

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Структурная схема устройства представляет его основные функциональные части, их назначение и связи между ними, а также раскрывает алгоритм его работы. Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений. В первом случае наименования, обозначения и типы обычно вписываются внутрь прямоугольников. Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии.

2.1 Описание сигналов

На вход устройства поступают следующие сигналы :

· 8входных аналоговых сигнала - исходные сигналы, которые нужно перевести в цифровой код;

· 8-ми разрядный адресный сигнал - подается с шины адреса и представляет собой 8 единиц;

· сигнал записи - сигнал подается да декодер адреса и определяет переключение на следующий аналоговый вход;

· сигнал чтения - осуществляет выдачу из регистра хранимого в нем цифрового кода обработанного аналогового сигнала.

Всего можно выделить три вида сигналов:

· адресные;

· информационные;

· осведомительные и управляющие.

Информационные сигналы во входных цепях представляют информацию, подлежащую обработке, а в выходных - результирующую информацию.К адресным сигналам относится номер канала, который нужно обрабатывать. К осведомительным и управляющим относится сигналы чтения и записи. Все сигналы с описанием их параметров и назначения сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Сигналы и их назначение

Сигнал	Назначение сигнала	Тип сигнала	Уровень сигнала	Куда поступает
In1…In10	Информация, подлежащая обработке	Информационный	Аналоговый сигналв диапазоне от 0 до +100 В	Аналоговые входы коммутатора
A0, А1, A2	Номер канала, который нужно обработать	Адресный; Осведомительный	Логический ноль либо единица	Адресные входы коммутатора
Запись	Сигнал запуска обработки следующего аналогового входа	Управляющий	Логический ноль либо единица	На декодер адреса
Чтение	Выдача цифрового кода хранящегося в регистре	Управляющий	Логический ноль либо единица	На шинный формирователь
D0..D9	Цифровой эквивалент аналогового сигнала	Информационный	Логический ноль либо единица	На линейку светодиодов, на интерфейс

2.2 Описание элементов структурной схемы устройства

Разрабатываемое устройство будет иметь структуру представленную в приложении А.

Схема устройства содержит следующие функциональные блоки:

· ДА - декодер адреса - определяет номер аналогового сигнала который нужно обработать, управляет режимами чтения и записи устройства;

· АК - аналоговый коммутатор - предназначен для управляемого переключения между аналоговыми сигналами поступающими на его входы;

· АЦП - аналого-цифровой преобразователь - преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой двоичный код;

· РГ - регистр - представляет собой память устройства, хранит цифровой код обработанного аналогового сигнала;

· ШФ - шинный формирователь - предназначен для управляемой выдачи цифрового кода на шину данных;

2.3 Описание работы устройства

Начало работы устройства осуществляется подачей управляющего сигнала записи на декодер адреса. Аналоговый коммутатор подключает аналоговый канал (один из 8-ми представленных), адрес которого задается управляющими сигналами (А0, А1,А2), после чего аналоговый сигнал подается на вход АЦП. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой двоичный код и записывает его на регистр.

По прибытию сигнала чтения на шинный формирователь происходит переключение в режим чтения и цифровой сигнал с выхода регистра поступает на шинный формирователь и оттуда на шину данных (в нашем случае на линейку светодиодов).

3 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Функциональная схема служит для разъяснения последовательности процессов, протекающих в отдельных функциональных частях изделия, и пояснения принципов его работы.

При построении функциональной схемы устройства раскрывается состав отдельных функциональных узлов, составляющих структурную схему. Необходимо рассмотреть несколько различных вариантов построения узлов и выбрать единственный из них, наилучшим образом удовлетворяющий некоторым заданным критериям. Отличительной чертой функциональной схемы является то, что обозначения элементов на ней могут не совпадать с соответствующими элементами интегральных схем (в отличие от принципиальной электрической схемы) и отражают только свойства элементов, необходимых для правильного функционирования устройства.

Любое техническое устройство может иметь различные формы его представления которые зависят от заданных критериев оптимизации устройства, элементной базы и.т.д. Поэтому конечный вариант устройства неоднозначен. Исходя из условия варианта задания, на разрабатываемое устройство не наложены никакие ограничивающие условия, поэтому при синтезе устройства будем придерживаться относительной простоты устройства.

Функциональная схема приведена в приложении Б. Рассмотрим подробнее состав и функционирование отдельных узлов с обоснованием выбора элементов.

3.1 Аналоговый коммутатор

Аналоговый коммутатор предназначен для управляемого подключения заданного канала. Вариантом задания предусмотрены 8 аналоговых сигналов, поэтому у аналогового коммутатора будет 8 аналоговых входов, подключением которых будут управлять 3 адресных входа и 1 выход. Адресными входами аналогового коммутатора управляет декодер адреса который будет рассмотрен чуть ниже.

3.2 Декодер адреса

Декодер адреса предназначен для управления подключения

аналоговых каналов и переключения между режимами чтения и записи устройства. В нашем случае в качестве декодера адреса можно использовать счетчик с коэффициентом пересчета k = 8 (8 аналоговых входа). Переключением счетчика в следующее состояние будет управлять совокупность сигнала записи и сигнала подаваемого с шины адреса. Также сигнал чтения будет проходить через линию задержки и подаваться на вход запуска АЦП, что обеспечит поступление аналогового сигнала на АЦП в момент его запуска.

3.3 Аналого-цифровой преобразователь

Выбор АЦП является довольно сложной задачей ввиду большого

количества его моделей с разными характеристиками. АЦП могут иметь достаточно сложную структуру со встроенными в него аналоговым коммутатором, регистром и т.д. Для уменьшения сложности схемы и большей её наглядности применим АЦП со встроенным регистром и шинным формирователем.

3.4 Шинный формирователь

Для согласования разрабатываемого устройства с другими внешними устройствами или использования его, как часть цифрового комплекса, нужно обеспечить передачу данных по общей шине. Это значит, что разрабатываемое устройство может использовать общую шину только тогда, когда к нему обратились (по адресу) и подали соответствующий управляющий сигнал. Как уже было сказано ранее шинный формирователь в нашем случае встроен в АЦП и выдает цифровой код обработанного сигнала только при подаче соответствующего сигнала чтения.

4 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВА

Современные устройства компьютерной техники обычно не удаётся эффективно реализовать с использованием микросхем только одной серии.

При выборе элементной базы отдается предпочтение элементам таких серий, которые согласуются между собой по уровням логических сигналов, нагрузочной способности, удовлетворяют требованиям по скорости нарастания и спада импульсных сигналов и одновременно обеспечивают малую потребляемую мощность и имеют меньшую стоимость. Естественно, что условия эксплуатации выбранных микросхем должны удовлетворять требованиям технического задания. Правильно выбранная элементная база позволяет снизить потребляемую мощность, стоимость и сложность аппаратуры.

Технологии комплиментарной и транзисторно-транзисторной логики являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Требования малой потребляемой мощности и высокого быстродействия практически всегда являются противоречивыми. Поэтому, где необходимо экономить потребление тока, применяют комплиментарную технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности, применяют транзисторно-транзисторную логику технологию. В данной работе более полный схемный базис имеется на микросхемах серии 155, которые основывается на транзисторно-транзисторной технологии, вследствие чего элементная база курсового проекта будет основываться на транзисторно-транзисторной логике.

4.1 Выбор АЦП

Как уже отмечалось ранее, выбор АЦП является ключевым моментом разработки данного устройства, от него зависит сложность схемы, её быстродействие и.т.д. Рассмотрим основные характеристики которыми должен обладать АЦП для решения нашей задачи:

· Количество входов - один аналоговый вход;

· Входное напряжение - должно быть в установленных рамках от 0 до +5В;

· Разрядность - для покрытия погрешности заданной по варианту достаточно 10 разрядов;

· Особенность структуры - имеет встроенные регистр для хранения оцифрованной информации и шинный формирователь.

Данным критериям подходит АЦП - ADC1061CIWM

4.2 Выбор аналогового коммутатора

Аналоговый коммутатор - еще один немало важный элемент в разрабатываемом устройстве, установленным по варианту требованиям хорошо подойдет АК ADG528FBP. Данный аналоговый коммутатор имеет 8 аналоговых входов которыми управляют 3 адресных входа, может принимать диапазон напряжений указанных в варианте задания.

4.3 Разработка нормирующего преобразователя

Т. к входное напряжение на АПЦ ограничено диапазоном от0 до +5 В, при максимальном входном аналоговом напряжении +100В, требуется организовать схему делителя напряжения. Предпочтительнее будет делить его после выхода с аналогового коммутатора, но до входа на АЦП. Однако нужно учитывать маленькое выходное напряжение аналогового коммутатора. Для решения этой задачи можно использовать операционный усилитель преобразованный в повторитель (выход ОУ подключен к отрицательному входу). Схему делителя напряжения вместе с повторителем представим на рисунке 1



Рисунок 1 - Делитель напряжения

Повторитель на основе операционного усилителя будет предохранять выход аналогового коммутатора т.к выходное сопротивление его довольно маленькое. Напряжение поступающее на делитель будет делиться на нем и далее поступать на АЦП. Напряжение на выходе делителя будет вычисляться по формуле:

Для стабильной работы устройства напряжение поступающее на АЦП не должно превышать +5В, тогда как максимальное входное аналоговое напряжение не превышает +100В. Соответственно нужен коэффициент деления k=20. Для этого R1 = 19кОм, R2 = 1кОм.

5. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Принципиальная схема является наиболее полной электрической схемой изделия, на которой изображают все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи между ними, а также электрические элементы (разъемы, зажимы), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Как правило, принципиальные схемы и их отдельные элементы вычерчивают в виде условных графических изображений; при изображении элементов с большим количеством выводов допускается изменять размеры их обозначений по сравнению с приведенными в стандартах, не нарушая ясность схемы.

Каждый элемент, входящий в изделие и изображенный на схеме, имеет позиционное обозначение, составленное из буквенного обозначения и порядкового номера. На принципиальной схеме однозначно определены все элементы, входящие в состав изделия и изображенные на схеме. Как правило, данные об элементах помещают в их перечень, при этом связь перечня с условными графическими изображениями элементов осуществляется через позиционные обозначения.

Электрическая принципиальная схема устройства приведена в приложении С.

6 РАСЧЕТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ УСТРОЙСТВА

Главными условиями подтверждения работоспособности схемы являются:

· время срабатывания схемы должно быть не больше времени смены сигнала;

· сопряжение элементов по напряжению;

· невысокая потребляемая мощность (установлена требованиями к задаче).

Все ИС выполнены по ТТЛ технологии, т.е. информационные выходы совместимы по напряжению. Напряжение аналогового сигнала, поступающего на коммутатор и соответственно на АЦП, попадает в рабочий диапазон напряжений для этих элементов.

Суммарная мощность, потребляемая элементами, находится по формуле:

,

где:I -- ток, потребляемый микросхемой;U -- напряжение питания.

P= 3*0,09*5 + 0,05*5 + 0,235 + 0,33 + 0,05*5 = 84,7*Вт)

Максимальное время задержки можно оценить по следующей формуле:

Т_з= Т_ЛОГ+Т_СЧ +Т_АК+Т_АЦП + Т_ОУ=57 + 135 + 31 + 142 + 135 =500 (нс).

Следовательно, суммарная задержка составляет:Т_з=500нс.

Время линии задержки: T=R*C; С=T/R; C=(500)/100=500 (пФ).

7 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

Топологическое конструирование печатной платы включает в себя размещение электрорадиоэлементовна рабочей поверхности печатной платы и трассировку соединений между контактными площадками. Выбор размеров и вида платы может производиться как до процесса конструирования исходя из соображений унификации в пределах устройства, так и в процессе по промежуточным результатам разработки топологии плат.

Размещение компонентов на печатной плате осуществляется чаще всего исходя из критерия минимума длины связей и пересечений. Первое условие подразумевает расположение рядом друг с другом элементов, имеющих максимум электрических связей в схеме, второе - минимум переходных отверстий, что обеспечивает технологичность по минимуму числа слоев. Печатные проводники располагают равномерно по рабочей площади печатной платы на максимально возможном расстоянии от соседних элементов проводящего рисунка платы.

Задаются следующие параметры конструкции:

· конструкция выполнена на плате толщиной 1,5 мм;

· монтаж выполнен проводниками толщиной 0,25 мм;

· ширина сети 0,33 мм;

· шаг координатной сетки 1,27 мм;

· отверстия металлизированы;

· внешний диаметр технологического отверстия 2 мм;

· внутренний диаметр технологического отверстия 1 мм;

· размер платы 21 мм Х 14,8 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта было разработано устройство ввода информации заданной формы представления. Основой такого устройства является аналого-цифровой преобразователь (АЦП),который применяется в компьютерной технике, в измерительных устройствах, устройствах управления и т.д.

Во время проектирования решены такие задачи:

· закреплены навыки создания схем цифровых устройств, полученные в ходе изучения дисциплины «Компьютерная электроника и схемотехника»;

· частично изучена зарубежная и отечественная элементная база; изучена предлагаемая по данной теме литература;

· получены навыки моделирования устройств в среде Multisim, трассировки печатных плат в среде Ultiboard;

· изучены государственные стандарты по оформлению электронных схем;

· получены навыки в оформлении технической документации.

Освоены методы выбора элементной базы в соответствии с заданными требованиями для оптимизации с одной стороны, и минимальными характеристиками с другой. Приобретённые навыки позволят в дальнейшем использовать данные знания для ведения учебной и научной деятельности, а также для решения прикладных задач.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Компьютерная электроника и схемотехника» для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению подготовки 6.0915 - «Компьютерная инженерия» / Сост. Е.С. Ядовина, Ю.Л. Явкун. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2004. - 36с.

2. Поиск АЦП по заданным параметрам [Электронный ресурс] http://www.analog.com/dynamic/parametric/scResultsDisplay.asp?SearchType=PSS&ProductLine=ADC.

3. Aналоговые и цифровые интегральные схемы: Под рец. С.В. Якубовского.: - М.: Радио и связь 1990. -704с.

4. Популярные цифровые микросхемы: Шило В. Л.: Справочник .- М.: Радио и связь, 1987. -357с.: ил.

5. Поиск datasheet (описаний) интегральных микросхем [Электронный ресурс] http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА

ПРИЛОЖЕНИЕ В. МОДЕЛЬ УСТРОЙСТВА

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СХЕМА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ (ВИД СНИЗУ)

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. СХЕМА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ (ВИД СВЕРХУ)

Размещено на Allbest.ru