Устройство измерения длительности периода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Рязанский государственный радиотехнический университет»

(ФГБОУ ВПО «РГРТУ», РГРТУ)

Кафедра ПЭл

Курсовая работа

«Устройство измерения длительности периода»

Задание на разработку

Устройство измерения длительности периода

Время длительности периода, мс 0,01 - 10

Амплитуда входного сигнала, В 0,1 - 12

Погрешность, % 0,5

Интервал между измерениями, с 1 - 9

Тип индикатора ЖКИ

Введение

В настоящее время весьма актуальной задачей является техническое перевооружение, быстрейшее создание и повсеместное внедрение цифровой техники. Интегральные микросхемы в настоящее время являются одним из самых массовых изделий современной микроэлектроники. Применение микросхем облегчает расчет и проектирование функциональных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, ускоряет процесс создания принципиально новых аппаратов и внедрения их в серийное производство. Широкое использование микросхем позволяет повысить технические характеристики и надежность аппаратуры.

Цифровые устройства по сравнению с аналоговыми обладают преимуществами: более высокой надежностью; стабильностью параметров при воздействии дестабилизирующих факторов, высокой точностью обработки информации; значительным сокращением трудоемкости и упрощением операций регулировки и настройки, что особенно важно для радиолюбителей; возможностью создания микросхем с очень высокой степенью интеграции.

Принципиально новые возможности открывает применение цифровых интегральных схем. Так, использование цифровых синтезаторов частоты позволило существенно снизить аппаратурные затраты и повысить фазовую стабильность генерируемых сигналов. Обработка сигналов цифровыми методами позволяет обеспечить высокую точность, стабильность параметров и получить характеристики, не достижимые аналоговыми методами. Весьма перспективно внедрение цифровой техники в телевидении. Цифровое телевидение позволяет повысить качество передачи сигналов благодаря существенному уменьшению накоплений искажений в цифровых линиях связи по сравнению с аналоговыми, а также за счет применения специальных способов кодирования, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи информации [1].

1 Обзор существующих аналогичных устройств

цифровой длительность амплитуда сигнал

1.1 Простой частотомер

Настройка микропроцессорной аппаратуры, конструирование КВ трансиверов, цифровых приемников, ремонт электронных

игрушек, телевизоров, видеомагнитофонов -- вот далеко неполный перечень приборов, нуждающихся в простом высокочастотном цифровом частотомере.

Основные технические характеристики

Напряжение питания………………………………5 В

Ток потребления…………………………….>150 мА

Разрядность (с возможностью расширения)…..8

Чувствительность …………………………..0,5.30 В

Диапазон измерения частоты ………..1.9999 кГц

Входное сопротивление ………………..10 МОм

Промышленность выпустила простейший цифровой счетчик (большая интегральная схема КР1044ИЕ1) для измерения частоты сигналов (pис.1). Но, к сожалению, достать эту МС нелегко, поэтому автор собрал частотомер на 9 микросхемах и 6 транзисторах (рис.2).

Сигнал, частоту которого надо измерить, через гнезда XS1, «Вход» и конденсатор С1 поступает на вход формирователя, собранного на полевом транзисторе VT1 и биполярных VT2, VT3. Непосредственная связь биполярных транзисторов разной структуры с истоковой и стоковой цепями полевого транзистора обеспечивает формирователю триггерный режим работы. В результате на коллекторе транзистора VT3 этого узла формируются импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Входное сопротивление формирователя около 10 МОм, полоса частот от 1 до 30 МГц, коэффициент усиления 10.

Для точного определения частоты до 10 МГц длительность измеряемого импульса должна быть 0,5 с , при этом погрешность измерения составит 10 в -7степени. Для формирования импульса измерения в схеме применена DD1 К176ИЕ5 с часовым кварцевым резонатором 32768 Гц.



Совместная работа DD1 и DD5 построена таким образом, чтобы интервал измерения длился 0,5 с, а интервал индикации 1,5 с (рис.3,г . счет-индикация (индикация при включении VT5); рис.3,е . импульс сброса должен опережать импульс счета, поэтому интегрирующая цепочка R6С5 сдвигает импульс счета и с помощью DD5 организуется алгоритм сброс счет/индикация с различными временными интервалами). Импульс сброса снимается с выв.5 DD5.1 и через дифференцирующую цепочку C9R13 подается на DD6.DD9. Импульс счета формируется DD3.1, на вход которой приходит импульс, сдвинутый на 0,5 с, и импульс переключения счет-индикация выв.9 DD5.2.

Делитель частоты поступаемого сигнала собран на быстродействующих счетчиках DD2.DD4 (тактовая частота 77 МГц, коэффициент деления 500, импульс счета 0,5 с, общий коэффициент деления 1000 (так как интервал счета дает деление на 2 ). Счетчики-дешифраторы DD6.DD9 позволяют делить частоту на 10, и результат деления отображается на ЖКИ индикаторе.

Потребление тока незначительно благодаря применению МС серии 176 (561) и ЖКИ индикатору.

Настройка частотомера.

Входной каскад VT1-VT3 необходимо собрать на отдельной экранируемой плате (можно навесным монтажом) и проверить работу в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц с помощью ГСС. Регулируя емкость конденсатора С4 и подстраивая R6, устанавливают эталонную частоту 1 Гц на выв.5 DD1, а на выв.3 DD3.1 -- длительность импульса 0,5 с. при этом на выв.5 DD6.DD9 должны поступать импульсы сброса достаточной длительности для сброса счетчиков. С помощью эталонной частоты и осциллографа необходимо убедиться в правильной работе делителя частоты DD2.DD4. Можно изменять параметры конденсаторов С6-С8, С10 (указанные емкости должны иметь хороший ТКЕ и малую утечку и индуктивность).

Микросхемы DD2.DD4 можно заменить на зарубежные аналоги НС4520, DD3 -- на 74АС00.

1.2 Цифровой частотомер

Прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний в пределах 100...99999 Гц и может быть использован для настройки различных генераторов, электронных часов, устройств автоматики. Амплитуда входного сигнала -- 1...30 В.

Рис. 4. Структурная схема цифрового частотомера

Структурная схема частотомера показана на рисунке 130. Его основные элементы: формирователь импульсного напряжения сигнала fх измеряемой частоты, генератор образцовой (эталонной) частоты, электронный ключ, счетчик импульсов с блоком цифровой индикации и управляющее устройство, организующее работу прибора. Принцип его действия основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени, равного в данном приборе 1 с. Этот необходимый измерительный интервал времени формируется в блоке управления.

Сигнал fх, частоту которого надо измерить, подают на вход формирователя импульсного напряжения. Здесь он преобразуется в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Далее преобразованный сигнал поступает на один из входов электронного ключа, А на второй вход ключа подается сигнал измерительного интервала времени, удерживающий его в открытом состоянии в течение 1с.

В результате на выходе электронного ключа, а значит, и на входе счетчика появляется пачка импульсов. Логическое состояние счетчика, в котором он оказывается после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации в течение интервала времени, устанавливаемого устройством управления.

Принципиальная схема частотомера показана на рисунке 4. Кроме транзисторов, в частотомере используют восемь цифровых микросхем серии К176 и пять (по числу разрядов) семисегментных люминесцентных индикаторов типа ИВ-6. В микросхему К176ИЕ12 (D1), предназначаемую специально для электронных часов, входит генератор (условный символ G), рассчитанный на совместную работу с внешним кварцевым резонатором Z1 на частоту 32 768 Гц. Делители частоты микросхемы делят частоту генератора до 1 Гц. Эта частота, формируемая на соединенных вместе выводах 4 и 7 микросхемы, и является в частотомере образцовой.

В микросхеме К176ЛЕ5 (D2) четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ, а в микросхеме К176ТМ1 (D3) --два D-триггера. Один из элементов 2ИЛИ-НЕ выполняет функцию электронного ключа (D2.4), а три других и оба D-триггера работают в устройстве управления.

Каждая из микросхем К176ИЕ4 (D4--D8) содержит декадный счетчик импульсов, т. е. счетчик до 10, и преобразователь (дешифратор) ее логического состояния в сигналы управления семи-сегментным индикатором. На выходах а--д этих микросхем формируются сигналы, обеспечивающие индикаторам Н1 -- Н5 свечение цифр, значение которых соответствует логическому состоянию счетчиков. Микросхема D4 и индикатор H1 образуют младший счетный разряд, а микросхема D8 и индикатор Н5 -- старший счетный разряд частотомера.

В конструкции прибора индикатор Н5 д6лжен быть крайним слева, а H1 -- крайним справа.

Для питания микросхем, транзисторов и управляющих электродов индикаторов можно использовать две соединенные последовательно батареи 3336Л (GB1), а для питания нитей накала индикаторов -- один элемент 343 или 373 (G1).

Формирователь импульсного напряжения образуют транзисторы V2--V5. Сигнал fx, поданный на его вход через гнездо X1, переключатель S1, конденсатор С1 и резистор R1, усиливается и ограничивается по амплитуде дифференциальным каскадом на транзисторах V2 и УЗ. С нагрузочного резистора R5 сигнал поступает на базу транзистора V4 второго каскада, работающего как инвертор. Резистор R8, создающий между этими каскадами положительную обратную связь, обеспечивает им триггерныи характер работы. При этом на коллекторе транзистора V4 формируются импульсы с крутыми фронтами и спадами, частота следования которых соответствует частоте исследуемого сигнала. Каскад на транзисторе V5 ограничивает напряжение импульсов до уровня, обеспечивающего микросхемам необходимый режим работы Далее преобразованный сигнал поступает на входной вывод 12 электронного ключа D2.4. Второй входной вывод ключа подключен к выходу формирователя измерительного интервала времени, равного 1 с. Поэтому число импульсов, прошедших за это время через электронный ключ к счетчику, высвечивается индикаторами в единицах Герц.

Рис. 5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу управляющего устройства частотомера

Работу управляющего устройства иллюстрируют временные диаграммы (рис. 5).

На вход С (вывод 11) триггера D3.2 непрерывно поступают импульсы генератора образцовой частоты (рис. 5,а), а на такой же вход триггера D3.1 импульсы генератора запуска, собранного на логических элементах D2.1 и D2.2 (рис. 5, б). За исходный примем случай, когда оба триггера находятся в нулевом состоянии. В это время напряжение высокого уровня, действующее на инверсном выходе триггера D3.2, поступает на входной вывод 13 электронного ключа D2.4 и закрывает его. С этого момента через ключ прекращается прохождение импульсов сигнала измеряемой частоты на вход счетчика. С появлением на входе С триггера D3.1 импульса генератора запуска этот триггер принимает единичное состояние и напряжением высокого уровня на прямом выходе подготавливает триггер D3.2 к дальнейшей работе. Одновременно на выводе 9 элемента D2.3, соединенном с инверсным выходом триггера D3.1, появляется напряжение низкого уровня. Очередной импульс генератора образцовой частоты переключает триггер D3.2 в единичное состояние. Теперь на его инверсном выходе и на выводе 13 элемента D2.4 будет напряжение низкого уровня, которое открывает электронный ключ и тем самым разрешает прохождение через него импульсов сигнала измеряемой частоты.

Прямой выход триггера D3.2 (вывод 13) соединен с R-входом (вывод 4) триггера D3.1. Следовательно, когда триггер D3.2 оказывается в единичном состоянии, он, воздействуя напряжением высокого уровня на прямом выходе переключает триггер D3.1 в нулевое состояние. Этот триггер находится в нулевом, состоянии до тех пор, пока сохраняется интервал измерительного времени. Очередной импульс генератора образцовой частоты на входе С триггера D3.2 переключает его в нулевое состояние и напряжением высокого уровня на инверсном выходе закрывает электронный ключ. В результате прекращается прохождение импульсов сигнала измеряемой частоты к счетчику и начинается цифровая индикация результатов измерения (рис 5 ,(5, ж).

Каждому интервалу измерительного времени предшествует появление на выводах 5 R-входов микросхем D4--D8 кратковременного импульса положительной полярности (рис. 5, г), сбрасывающего триггеры счетчика в нулевое состояние. С этого момента и начинается цикл счет -- индикация работы частотомера. Формирование импульсов сброса происходит на выходе логического элемента D2.3 в моменты совпадения на его входах напряжений низкого уровня. Время индикации можно плавно изменять в пределах 2...5 с резистором R17 генератора импульсов запуска.

Светодиод V7 в коллекторной цепи транзистора V6, работающего в режиме ключа, служит для визуального наблюдения, за длительностью времени индикации.

В частотомере предусмотрена возможность контроля его работоспособности. Для этого переключатель S1 переводят в положение «Контроль», при котором входная цепь прибора оказывается соединенной с выводом 14 микросхемы D1 генератора образцовой частоты. При исправной работе частотомера индикаторы должны высвечивать частоту 32 769 Гц.

Рис. 6. Внешний вид частотомера

Внешний вид описанного частотомера показан на рисунке 6. Через удлиненное прямоугольное отверстие в лицевой стенке корпуса, прикрытое пластинкой зеленого органического стекла, хорошо видны светящиеся цифры индикаторов. Слева от отверстия расположен «глазок» светодиодного индикатора V7. Под ним находится переменный резистор R17 установки длительности индикации результата измерения и входное гнездо X1. Слева от них --выключатель питания S2 («Я») и двухсекционный переключатель S1 «Измерение-контроль». При нажатии на кнопку «K» (контроль) вход формирователя импульсного напряжения подключается к генератору образцовой частоты, а при нажатии на кнопку «И» (измерение) -- к входному гнезду X1.

Другие детали частотомера смонтированы на двух печатных платах размерами 115X60 мм, выполненных из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. На одной из них (рис. 7, а) находятся детали формирователя импульсного напряжения, генератора образцовой частоты и устройства управления, на другой (рис 7, б)--микросхемы D4--D8 и цифровые индикаторы H1-- Н5. Все постоянные резисторы типа МЛТ. Подстроечный резистор R3 -- СПЗ-16, переменный R17 может быть любого типа. Оксидные конденсаторы СЗ и С5-- К50-6 или К53-1А, неполярные С1 и С8 -- К53-7 (можно заменить наборами конденсаторов типа К73-17). Конденсаторы С2, С4 могут быть типа КЛС или К73-17, С6 -- керамический КТ-1, КМ, подстроечный конденсатор С7-- КПК-МП. Переключатель S1 «Измерение-контроль» образуют два кнопочных переключателя П2К с зависимой фиксацией в нажатом положении; выключатель питания S2 -- тоже П2К, но без фиксации, т. е. с возвратом в исходное положение при повторном нажатии на кнопку. Микросхему К176ИЕ12 можно заменить на подобную ей микросхему К176ИЕ5, скорректировав соответственно печатные проводники монтажной платы. Цифровые индикаторы могут быть типа ИВ-3А (вместо ИВ-6), но тогда в цепь питания их нитей накала надо будет включить резистор сопротивлением 2 Ом на мощность рассеяния 0,5 Вт.

Налаживание безошибочно смонтированного частотомера сводится в основном к установке наилучшей чувствительности формирователя импульсного напряжения и, если надо, к подстройке генератора образцовой частоты. При установке необходимой чувствительности на вход частотомера подают от генератора 34 сигнал с амплитудой 1 В, к выходу электронного ключа D2.4 подключают осциллограф и подстроечный резистором R3 добиваются появления на экране осциллографа пачек импульсов. Подстройку образцовой частоты генератора производят: грубо -- подбором конденсатора С6, точно -- подстроечный конденсатором С7. Точность настройки контролируют по образцовому частотомеру, подключенному к выводу 14 микросхемы D1.

2 Функциональная схема устройства

Рисунок 3 - Функциональная схема

Входной сигнал, проходя через компаратор, согласуется по уровню ТТЛ, согласно установленному опорному напряжению. T-триггер обеспечивает длительность импульса, равную периоду входного сигнала.

Схема привязки асинхронного сигнала к синхронной последовательности обеспечивает пропускание одного сигнала в один период измерения, который устанавливается соответствующим устройством с помощью галетного переключателя, реверсивного счетчика и генератора тактовых импульсов в 1 Гц.

Элемент И обеспечивает пропускание импульсов частотой 10 МГц (t = 00,0001 мс) к модулю счета только в период времени, соответствующий периоду измеряемого сигнала. В момент подачи импульса СВФ (схема выделения фронта) подает сигнал на обнуление счетчиков в модуле счета.

Вывод информации обеспечивается дешифраторами и ЖКИ. Генератор (Ген.) обеспечивает подачу на ЖКИ переменного напряжения [4].

3 Описание применяемых электрорадиоизделий

Маломощные быстродействующие цифровые интегральные микросхемы серии SN74ALSxxxx фирмы Texas Instruments (США) предназначены для организации высокоскоростного обмена и обработки цифровой информации, временного и электрического согласования сигналов в вычислительных системах. Микросхемы этой серии по сравнению с известными сериями логических ТТЛ микросхем обладают минимальным значением произведения быстродействия на рассеиваемую мощность.

Отечественный аналог -- серия КР1533.

Микросхемы изготавливаются по усовершенствованной эпитаксиальнопланарной технологии с диодами Шоттки и окисной изоляцией, одно- и двухуровневой металлизированной разводкой.

Конструктивно микросхемы данной серии выполнены в 14-, 16-, 20- и 24-выводных стандартных пластмассовых корпусах типа 201.14-1, 238.16-1, 2140.20-8, 2142.24-2.

Технические характеристики:

стандартные ТТЛ входные и выходные уровни сигналов;

напряжение питания 5,0 В ±10 %;

задержка на вентиль 4 нс;

мощность потребления на вентиль 1 мВт;

тактовая частота до 70 МГц;

выходной ток нагрузки низкого уровня до 24 мА;

выходной ток нагрузки высокого уровня до -15 мА;

гарантированные статические и динамические характеристики при емкости нагрузки 50 пФ в диапазоне температур от -10 °С до +70 °С и напряжений питания 5 В±10 %;

устойчивость к статическому электричеству до 500 В;

широкий набор типономиналов микросхем [5].

3.1 Счетчик двоично-десятичный SN74ALS192

Двоично-десятичный счетчик SN74ALS192. Аналог - КР1533ИЕ6. Микросхема представляет собой двоично-десятичный реверсивный счетчик синхронного типа. Положительный импульс напряжения по входу R устанавливает выходы счетчика в исходное состояние -- уровень «логического 0» на счетных выходах. Для предварительной установки счетчика в определенное состояние необходимо на информационные входы подать соответствующие уровни, а на вход пробирования предварительной записи подать отрицательный импульс напряжения. Для осуществления прямого счета на вход "-1" подается высокий уровень напряжения, а на вход прямого счета "+1" - положительные импульсы. Счет будет вестись от того числа, которое было предварительно записано в счетчик. После заполнения счетчика выходы устанавливаются в состояние высокого уровня, а на выходе прямого переноса появится отрицательный импульс переноса счета в старший разряд. Аналогично счетчик работает в режиме обратного счета [5].

Рисунок 5 - Расположение выводов

Таблица 1 - Назначение выводов

№ вывода	Условное обозначение
01	D2	Вход информационный
02	Q2	Выход второго разряда
03	Q1	Выход перйого разряда
04	"-1"	Вход "Обратный счет"
05	"+1"	Вход "Прямой счет"
06	Q3	Выход третьего разряда
07	Q4	Выход четвертого разряда
08	OV	Общий вывод
09	D4	Вход информационный
10	D3	Вход информационный
11	С	Вход стробирования предварительной записи
12	CR	Выход "Перенос"
13	BR	Выход "Заем"
14	R	Вход установки в состояние "логический 0"
15	D1	Вход информационный
16	Ucc	Вывод питания от источника напряжения

3.2 Компаратор К554СА2

Компараторы являются специализированными ОУ с дифференциальным входом и одиночным или парафазным цифровым выходом. Входной каскад компаратора построен аналогично схемам ОУ и работает в линейном режиме. На выходе компаратора формируются сигналы высокого логического уровня, если разность входных сигналов меньше напряжения срабатывания компаратора, или низкого логического уровня, если разность входных сигналов превышает напряжение срабатывания компаратора. На один вход компаратора подается исследуемый сигнал, на другой -- опорный потенциал.

Основными параметрами компараторов являются: чувствительность Uвхмин (точность, с которой компаратор может различать входной и опорный сигналы), быстродействие (скорость отклика, определяемая задержкой срабатывания и временем нарастания сигнала), нагрузочная способность (способность компаратора управлять определенным числом входов цифровых микросхем).

Компаратор К554СА2 (см. рисунок) имеет два дифференциальных усилительных каскада, выходной эмиттерный повторитель, стабилитронные схемы сдвига уровня и цепь ограничения амплитуды выходного сигнала. Дифференциальный входной каскад (VT1 и VT4) имеет обычное для интегральных ОУ малое напряжение смещения нуля. На эммитеры транзисторов VT1 и VT4 напряжение питания подается от генератора стабильного тока VT5, благодаря чему коллекторные токи транзисторов первого каскада почти не зависят входного синфазного сигнала. Второй дифференциальный каскад (VT3 и VT6) имеет балансную схему подачи смещения. В сбалансированном состоянии напряжение одиночного выхода этого каскада колебаниях положительного напряжения питания не меняется. Тем самым фиксируется потенциал базы транзистора VT2 (при включении положительного напряжения питания коллекторные токи транзисторов VT6 и VT3 также увеличиваются, оставляя напряжение коллекторного транзистора VT3 постоянным).

Для увеличения нагрузочной способности выхода по току транзистор VT6 снабжен эмиттерным повторителем VT8. Интегральный стабилитрон VD1, включенный в эмиттерные цепи транзисторов второго каскада, имеет опорное напряжение +6,2 В, что фиксирует потенциалы без транзисторов VT3 и VT6 на уровне примерно +6,9В. Следовательно, допустимый сигнал входов компаратора может приближаться к 7 В. Стабилитрон VD2, включенный в цепь выходного эмиттерного повторителя, сдвигает уровень выходного сигнала «вниз» на 6,2 В, чтобы сделать его совместимым с входными сигналами для цифровых микросхем ТТЛ - типа. Транзистор VT9 изолирует выходную цепь от схемы смещения генератора тока входного каскада VT5 с компенсирующим диодом (VT10 в диодном включении). транзистор VT7 (в диодном включении) ограничивает размах выходного сигнала в положительной области: при уровнях сигнала на выходе, больших +4 В, транзистор VT7 открывается и шунтирует дифференциальный выход второго каскада. благодаря ограничению амплитуды значительно увеличивается быстродействие компаратора [6].

Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема К554СА2, зависимости времени нарастания выходного напряжение соответственно от входного напряжения и емкости нагрузки

Рисунок 5 - Условно-графическое изображение К554СА2

Таблица 1 - Электрические параметры К554СА2

1	Номинальное напряжение питания Ucc1 Ucc2	12 В +10% -6 В +10%
2	Напряжение смещения нуля	не более 7,5 мВ
3	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,3 В
4	Выходное напряжение высокого уровня	2,5...4 В
5	Ток потребления от источника питания Ucc1 от источника питания Ucc2	не более 9 мА не более 8 мА
6	Средний входной ток	не более 75 мкА
7	Разность входных токов	не более 10 мкА
8	Время задержки выключения	не более 120 нс
9	Коэффициент усиления напряжения	не менее 750

Таблица 2 - Предельно допустимые режимы эксплуатации К554СА2

1	Напряжение питания Ucc1 Ucc2	10,8...13,2 В -5,4...-6,6 В
2	Значение статического потенциала	200 В
3	Максимальное входное дифференциальное напряжение	4,5 В
4	Минимальное сопротивление нагрузки	1 кОм
5	Температура окружающей среды	-45...+85 °C

3.3 Генератор EPSON SPG 8651B

Fosc. = 100 kHz

Рисунок 6 - Внутреннее устройство



Рисунок 7 - Внешний вид [7]

Рисунок 8 - Распиновка

Таблица 3 - Настройка генератора [7]

3.4 Дешифратор К564ИД4 для ЖКИ

Микросхема 564ИД4 (CD4055A) -- аналог CD4055A -- дешифратор, переводящий двоичный позиционный код в десятичный эквивалент (одна декада: 0...9). К выводам 564ИД4 (CD4055A) подключается семисегментный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ, liquid crystal display - LCD), причём микросхема имеет вывод сформированного напряжения модуляции для ЖКИ. Дешифратор 564ИД4 (CD4055A) может получать два напряжения питания Uи.п (вывод 16) -Uи.п (вывод 17). Входной скачок однополярный (от 0 к +Uи.п) после каскадов сдвига уровня станет двухполярным. Внутренняя схема дешифратора 564ИД4 (CD4055A) позволяет увеличить почти в 4 раза результирующий потенциал, выделяющийся на сегменте ЖКИ, в сравнении с входным модулирующим напряжением. Например, если Uмод = 4В, результирующее напряжение UЖКИ = 15В. Повышенное напряжение между сегментом ЖКИ и его общей проводящей поверхностно необходимо для индикаторов большого размера. Пределы модулирующей частоты для дешифратора 564ИД4 (CD4055A): от 30 Гц (ниже заметно мерцание ЖКИ) до 200 Гц - предел быстродействия ЖКИ. Внутренний сигнал разрешения входа сегмента Е1 формируется для того, чтобы зажигался только выбранный сегмент [8].

Рисунок 9 - Распиновка

Рисунок 10 - Структурная схема МС



Рисунок 11 - Временная диаграммы работы с ЖКИ

Рисунок 12 - Структурная схема выхода на сегмент

В качестве генератора, обеспечивающего смену полярности на ЖКИ, используется генератор на КМОП логике. Генераторы на КМОП логике по принципу построения ничем не отличаются от генераторов на ТТЛ микросхемах, но ввиду малого энергопотребления КМОП микросхемами и гораздо меньших рабочих токов (в частности входных) отличия все же имеются. Прежде всего, для генераторов КМОП логики характерны большие величины времязадающих резисторов (десятки и сотни кОм в отличие от сотен Ом для ТТЛ) и малые емкости конденсаторов. К примеру, классическая схема генератора (изображенная на рисунке ниже), собранная на КМОП серии при сопротивлении резистора менее 1 кОм вообще не запустится.



Рисунок 13 - Генератор на КМОП МС

Ниже у МОП генераторов получится и максимальная частота генерации, которая ограничена верхней частотой переключения МОП элементов (обычно до 2 МГц). Причем эта частота падает при снижении напряжения питания. Достоинством же генераторов на КМОП микросхемах можно считать широкий диапазон питающих напряжений (для 561 серии напряжение питания может лежать в диапазоне от 2 до 12 В, тогда как ТТЛ логика достаточно жестко привязана к напряжению питания 5В, 10% погрешность). Плюс малые величины, а значит и габариты времязадающих конденсаторов и, главное, очень малое энергопотребление (1 мА и менее) [9].

В проекте расчетная частота генератора для ЖКИ:

F=0.52/R32*C2=0.52/15k*0.47u=73.75 [Гц]

3.5 Жидкокристаллический индикатор ITS-E0190SRNP

Рисунок 14 - Внешний вид и распиновка ЖКИ [10]

Индикатор цифровой четырехразрядный жидкокристаллический предназначен для отображения информации в виде цифр от 0 до 9 в каждом из четырех разрядов и десятичного знака после каждого из первых трех разрядов в средствах отображения информации индивидуального пользования.

Корпус стеклянный, плоский, выводы ленточные под распайку. Масса не более 25 г. Предельно допустимый электрический режим:

Напряжение управляющее, В……………………………. 4--15;

Частота управляющего напряжения, Гц............................ 30--3000

Индикатор должен управляться знакопеременным напряжением. Значение постоянной составляющей не должно превышать 300 мВ; при большем значении долговечность индикатора не гарантируется. Во избежание появления ложной информации напряжение на не включенных сегментах не должно превышать 1 В [11].



Рисунок 15 - Обозначение индикатора при заказе

3.6 ГТИ SG-8002DC

Появление в 1997 программируемых кварцевых генераторов фирмы Epson обозначило наступление новой эпохи в технологии производства кварцевых генераторов [15]. Вместо выпуска огромного ассортимента изделий с различными рабочими частотами, напряжениями питания и диапазонами рабочих температур появилась возможность использовать всего несколько стандартных функционально законченных генераторов, а многочисленные их вариации по основным электрическим параметрам обеспечивать уже программным путем на этапе поставки продукции или даже непосредственно у заказчика.

К сожалению, многолетний опыт поставок программируемых кварцевых генераторов показал, что широкому их распространению в значительной степени препятствует практически полное отсутствие информации по этим изделиям. До сих пор большинство разработчиков электронной техники с большим удивлением воспринимают даже само словосочетание "программируемые кварцевые генераторы" и совершенно не представляют себе как возможности, так и недостатки этих изделий.

Итак, что же представляют собой программируемые кварцевые генераторы? И как вообще могут совмещаться два этих на первый взгляд несовместимых понятия - "кварцевый генератор" и "программируемый"?

Ответ на эти вопросы достаточно прост. Достаточно только на время отвлечься от слова "генератор". На самом деле эти изделия представляют собой синтезатор частоты с кварцевой стабилизацией. И название "генератор" было присвоено изделиям для того, чтобы подчеркнуть их место на рынке электронных компонентов. В большинстве случаев стандартный кварцевый генератор с фиксированной частотой может быть свободно заменен программируемым аналогом. Поэтому в дальнейшем мы будем придерживаться терминологии, предложенной фирмой Epson для изделий этого семейства.

Принцип работы. Блок схема программируемого кварцевого генератора семейства SG-8002 представлена на рисунке.

В состав микросхемы входит кварцевый генератор опорной частоты 25 МГц, делитель частоты с коэффициентом деления 1/Q, фазовый детектор, ГУН, делитель частоты с коэффициентом деления 1/P, однократно программируемое ЭППЗУ и управляемые выходные каскады.

Рисунок 16 - Способ программирования генератора

Фазовый детектор, ГУН и делитель 1/P образуют цепь фазовой автоподстройки частоты. На фазовый детектор поступает поделенный по частоте в Q раз сигнал с опорного кварцевого генератора и поделенный в P раз сигнал с ГУН. Фазовый детектор производит сравнение фаз этих двух сигналов и управляет ГУН таким образом, чтобы сохранялась постоянная разность фаз сигналов этих источников.

Таким образом, выходная частота ГУН будет составлять FVCO=FREFxP/Q, а ее стабильность определяться только стабильностью частоты опорного кварцевого генератора. При этом в зависимости от соотношения коэффициентов деления P и Q выходная частота может быть как выше, так и ниже частоты опорного генератора.

Значение опорной частоты совместно с коэффициентами деления делителей частоты определяет сетку допустимых выходных частот генератора. При соответствующей разрядности счетчиков шаг этой сетки может быть сделан достаточно малым. Кроме того для обеспечения генерации выходной частоты с максимально возможной точностью осуществляется дополнительная подстройка опорного генератора путем подключения к нему одного или нескольких конденсаторов, входящих в состав микросхемы.

Перед окончательным поступлением на выход генератора сигнал с ГУН проходит через делитель частоты на 2 для обеспечения симметрии выходного сигнала и через программируемые цепи сдвига уровня, обеспечивающие работу генератора с ТТЛ или КМОП нагрузкой.

Программирование. Все генераторы серии SG-8002 имеют только четыре вывода, которые используются также и для программирования генераторов. Программирование осуществляется по разработанной фирмой Epson технологии при помощи специального программатора и под управлением программы, установленной на IBM PC совместимом компьютере.

После введения исходных данных о необходимой частоте генерации, ее стабильности, диапазоне рабочих температур и конфигурации выходного каскада осуществляется проверка введенных данных на совместимость с возможностями заданного типа кварцевого генератора. В случае успешной проверки выдается приглашение к записи. После установки генератора в панельку программатора можно начинать программирование. Весь цикл записи осуществляется автоматически и состоит из нескольких этапов.

На первом этапе на вывод 1 (вход управления выходным каскадом) подается отрицательное напряжение, переводящее микросхему в режим программирования.

На следующем этапе осуществляется контроль выходной частоты. Для незапрограммированного генератора выходная частота должна равняться частоте колебаний опорного генератора. При значительном отклонении выходной частоты от штатного значения дальнейшее программирование прекращается и выдается сообщение об ошибке. Если измеренное значение частоты не выходит за допустимые границы, то исходя из результата измерения и необходимого значения частоты генерации, программа принимает решение о необходимости коррекции опорного генератора для достижения максимальной точности. Подгонка частоты кварцевого опорного генератора становится возможной благодаря наличию встроенного набора конденсаторов. В ходе программирования осуществляется подключение или отключение необходимых конденсаторов.

На следующем этапе программируются коэффициенты деления двух делителей частоты и цепи сдвига уровня в выходном каскаде. Затем вывод микросхемы OUT, который до сих пор служил входным, программируется, как только выходной. Таким образом блокируется любая возможность случайного перепрограммирования генератора в ходе его дальнейшей эксплуатации.

После окончания программирования проверяются и выводятся на экран основные параметры генератора: выходная частота, измеренная при комнатной температуре, потребляемый ток в рабочем режиме и режиме покоя, уровни выходного напряжения. Если микросхема по этим параметрам отвечает требованиям заказчика, то на этом ее программирование заканчивается.

Конструктивное исполнение.

Генераторы семейства SG-8002 выпускаются в пяти различных вариантах исполнения - три варианта для поверхностного монтажа (SG-8002JA/JC/JF)и два варианта для монтажа в отверстия печатной платы (SG-8002DB/DC). Типы корпусов и расположение выводов полностью соответствуют стандартным широко распространенным сериям генераторов серий SG-51, SG-531, SG-615, SG-636 и SG-710. Все генераторы выпускаются по единой технологии и практически не различаются по своим электрическим параметрам. Этим достигается максимальная степень взаимозаменяемости генераторов в существующей и вновь разрабатываемой аппаратуре.

Электрические параметры. В таблице приведены основные электрические параметры генераторов семейства SG-8002.

Эти параметры практически не зависят от варианта конструктивного исполнения и различаются только параметрами программирования. Возможны 6 вариантов программирования выходного каскада:

PT/ST для работы в 5-вольтовых цепях с ТТЛ нагрузкой,

PH/SH для 5-вольтовых цепей с КМОП нагрузкой

PC/SC для 3.0...3.3-вольтовых КМОП цепей.

Кроме того, в вариантах PT, PH и PC вывод 1 микросхемы OE (Output Enable) программируется для управления выходным каскадом микросхемы, а в вариантах ST, SH и SC вывод 1 ST (STtandby) используется для перевода микросхемы в режим покоя.

Разница этих двух режимов состоит в том, что в режиме OE при подаче на вход 1 низкого логического уровня выход микросхемы переводится в высокоимпедансное состояние, в то время как оставшиеся цепи микросхемы продолжают полностью функционировать.

Таблица 4 - Параметры кварцевого резонатора

Параметр	PT/ST	PH/SH	PC/SC	Примечание
Диапазон выходных частот	f0	1.000...125.000 МГц
Рабочее напряжение	VDD	5.0 ±0.5 В	3.3 ±0.3 В	3.0 ±0.3 В при fO<=66.7 МГц (PC/SC)
Диапазон рабочих температур	TOPR	-20...+70°C (-40...+85°C)	-40°C +85°C	см. подробное описание
Стабильность частоты	df/f	B: ±50 x 10-6 , C: ± 100 x 10-6 ,M: ±100 x 10-6	B,C: -20...+70°C, M:-40...+85°C см. подробное описание
Потребляемый ток	IOP	45 мА макс.	28 мА макс.	Макс. рабочая частота, без нагрузки
Потребляемый ток в режиме покоя	IOE	30 мА макс.	16 мА макс.	OE=GND(PT,PH,PC)
	IST	50 мкА макс.	ST=GND(ST,SH,SC)
Скважность	tW/t	-	40%...60%	КМОП нагрузка, уровень 1/2 VDD
		40%...60%	-	ТТЛ нагрузка, уровень 1.4 В
Выходное напряжение высокого уровня	VOH	VDD - 0.4 В мин.	IOH=-16 мА (PT/ST,PH/SH),-8 мА(PC/SC
Выходное напряжение низкого уровня	VOL	0.4 В макс.	IOL= 16 мА(PT/ST,PH/SH), 8 мА(PC/SC)
Максимальная нагрузочная способность	N	5 ТТЛ макс.	-	макс. рабочая частота
	CL	15 пФ макс.	25 пФ макс.	15 пФ макс.
Время нарастания и спада выходного сигнала	tTLH tTHL	4 нс	КМОП нагрузка 20% VDD...80% VDD , ТТЛ нагрузка 0.4 ...2.4 В
Время включения генератора	tOSC	10 мс макс	с момента достижения напряжением питания минимального значения рабочего напряжения
Долговременная стабильность частоты	fA	±5 х 10-6/год	TA= +25°C, VDD = 5.0 В/3.3 В (PC/SC)
Джиттер фронтов сигнала	tJ	250 пс макс.	fO=1...125 МГц, CL=15 пФ

В режиме ST при подаче на вход 1 низкого логического уровня работа микросхемы полностью прекращается, и выход соединяется с общим проводом через высокоомный резистор. В таком режиме покоя ток, потребляемый микросхемой от источника питания, уменьшается приблизительно на 3 порядка и не превышает 50 мкА. Платой за это является продолжительный выход микросхемы на рабочий режим после подачи на вывод ST высокого логического уровня. Это время составит около 10 мс и будет ровно таким же, как и при подаче напряжения питания на микросхему.

Если Вы не планируете использовать какой-либо из вариантов отключения генератора то вывод 1 можно соединить с положительным выводом источника питания или оставить не присоединенным. В состав микросхемы уже входит резистор номиналом порядка 30 кОм, подключенный между выводами 1 (OE/ST) и 4 (VDD). При этом при подаче на вход 1 низкого уровня номинал этого резистора увеличивается приблизительно в 10 раз для уменьшения протекающего на входе тока [13].

3.7 Переключатель ПГ3-11П4Н

Рисунок 17 - Примерный внешний вид галетного переключателя [12]

Технические характеристики:

ток, А от 1?10-4 до 0,5;

минимальное напряжение, В 5?10-2;

максимальное напряжение, В: при активной нагрузке 250 при индуктивной нагрузке: ток постоянный 36 ток переменный 127;

максимальная коммутируемая мощность, Вт(В?А) 25(25);

испытательное напряжение, В(эфф.) 750;

сопротивление контакта, Ом, не более 0,02;

сопротивление изоляции, МОм, не менее 1000;

емкость, пФ, не более: между соседними электрически несоединенными контактами 1,5 между замкнутым контактом и корпусом 4,0

момент переключения, Н?м(кгс?см) от 0,15(1,5) до 0,7(7);

число коммутационных циклов в зависимости от электрических режимов и рабочей температуры от 1250 до 12500;

минимальная наработка, ч 25000;

срок сохраняемости, лет 25.

3.8 Логические элементы

Рисунок 18 - Условно-графическое обозначение SN74ALS08 (аналог КР1533ЛИ1) [5]



Рисунок 19 - Условно-графическое обозначение SN74ALS04А (аналог КР1533ЛН1) [5]

Рисунок 20 - Условно-графическое обозначение SN74ALS1035 (аналог КР1533ЛП17). Шесть повторителей с повышенной нагрузочной способностью и открытым коллекторным выходом [5]

Рисунок 21 - Условно-графическое обозначение 74AС00 (аналог КР1554ЛА3) [5]



Рисунок 22 - Условно-графическое обозначение SN74ALS74A (аналог КР1533ТМ2). Два D-триггера синхронных с дополняющими выходами [5]

Микросхема содержит два независимых D-триггера, срабатывающих по положительному фронту тактового сигнала.

Низкий уровень напряжения на входах установки или сброса устанавливает выходы триггера в соответствующее состояние вне зависимости от состояния на других входах (С и D). При наличии на входах установки и сброса напряжения высокого уровня для правильной работы триггера требуется предварительная установка информации по входу данных относительно положительного фронта тактового сигнала, а также соответствующая выдержка информации после подачи положительного фронта синхросигнала [5].

4 Описание работы устройства

Измеряемый импульс амплитудой от 0,1 до 12 В подается на резистивный делитель из резисторов R10 и R12. Делитель обеспечивает согласование входного уровня со входом компаратора. Опорное напряжение задается ручкой переменного резистора R11 в диапазоне от 0 до 6 В, тем самым обеспечивая заданный интервал входного напряжения от 0,1 до 12 В. На выходе компаратора при прохождении импульса - логическая единица.

D-триггер DD7.2 включен как Т-триггер. Он обеспечивает формирование импульса, равного периоду входного сигнала (делит частоту на два).

Периодичность измерения импульса задается счетчиком DD3, работающим в реверсивном режиме. Он тактируются частотой 1 Гц, что обеспечивает заданную точность установки. Установка значений обеспечивается галетным переключателем, имеющим 4 платы переключателей с 11 позициями (используется 9). Запись в счетчик осуществляется каждый раз при достижении нуля.

Схема привязки асинхронного сигнала к синхронной последовательности, состоящая из элементов DD5, DD7.1 и DD8.1, обеспечивает прохождение одного целого измеряемого импульса (равного периоду входного сигнала) за одну периодичность измерения.

Модуль, в котором осуществляется счет длительности периода состоит из 6 двоично-десятичных счетчиков DD1, DD4, DD6, DD10, DD12, DD13 Прохождению на модуль счета импульсов препятствует логический элемент И DD8.2, который пропускает частоту от ГТИ только в момент поступления измеряемого импульса.

По приходу измеряемого импульса производится обнуление счетчиков. Импульс обнуления должен быть минимален, т.к. его длительность влияет на погрешность измерения. Обеспечивает обнуление схема выделения фронта на элементах DD10.1 и DD8.3. Время задающая цепочка из резистора R15 и конденсатора С1 обеспечивает нарастание импульса на входе 10 DD8.3.

Эта величина постоянной погрешности.

Время длительности периода выводится на 6 ЖКИ (два корпуса по 4 ЖКИ сегмента). Наименьший разряд ЖКИ отображает длительность в 0,0001 мс (0,1 мкс).

Для развязки и синхронизации по уровню микросхем серии ТТЛ и КМОП используются микросхемы DD15-DD18 с коллекторным выходом. Выход данных повторителей подтянуты на 5 В через резисторы R19-R42. Для работы с ЖКИ необходимо создать на сегменте двухполярное напряжение с частотой от 30 до 100 Гц. Для этого используем генератор на DD14. Его описание приведено в разделе 3.4.

На МС DD2 выполнен ГТИ для задачи периодичности измерения 1 Гц. Генератор DD9 на частоте 10 МГц обеспечивает измерение длительность периода входного сигнала с шагом 0,1 мкс. При погрешности измерения 0,05 мс (0,5 %). Счетчики и ЖКИ обеспечат измерения до 99,9999 мс.

Рисунок 23 - Диаграммы работы устройства

Заключение

Разработанное устройство полностью удовлетворяет полученному мной заданию. В состав устройства входят микросхемы ТТЛ и КМОП иностранного производства с указанием отечественного аналога. Осуществление задания периодичности измерения происходит благодаря пакетным переключателям. Благодаря широкой номенклатуры изделий электронной промышленности и их доступности ГТИ на несколько частот выполнен на одной микросхеме. Точность измерений составляет +-0,0001 мс. Максимальное измеряемое значение 99,9999 мс.

Список литературы

1. Журнал «Радио» 1985 г. №05.

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: энергоатомиздат, ленинградское отделение, 1988. - 304с.: ил.

3. И.И. Петровский, А.В. Прибыльский, В.С. Чувелев, Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник, В двух частях, АН08.

4. Дж. Коннели, Аналоговые интегральные схемы, М.: МИР, 1977.

5. Каталог ф. Платан. Устройства индикации.

6. Datasheet “ITS-E0190.pdf”.

7. Datasheet “Переключатели малогабаритные галетные типа ПГ3.pdf”

Размещено на Allbest.ur