Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования РФ
Государственное образовательное учреждение
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
Кафедра «Радиосистемы»
УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ МЕЛЬКАНИЙ С РЕГУЛИРОВКОЙ ЯРКОСТИ ИСТОЧНИКА СВЕТА
НУРС 441467.002 ПЗ
Курсовой проект по учебной дисциплине
"Дискретные электронные устройства"
Руководитель
________П.И. Тихомиров
«___»__________2002 г.
Студент группы
_________
«___»__________2002 г.
2002
СОДЕРЖАНИЕ
|
1 Обоснование необходимости разработки |
3 |
|
2 Упорядочивание исходных данных для разработки схемы электрической принципиальной |
4 |
|
3 Выбор, обоснование и расчет структурной схемы |
5 |
|
4 Выбор элементной базы |
8 |
|
5 Разработка и расчет (синтез) схемы электрической принципиальной |
10 |
|
6 Конструкторско-технологическая обработка |
16 |
|
7 Мероприятия по технике безопасности |
17 |
|
8 Список литературы |
18 |
Деятельность, требующая от сетчатки выполнения неудобной для нее работы, приводит к чрезмерной нагрузке на зрительную систему. Такой деятельностью, в частности, является работа на компьютере.
Для диагностики патологических процессов в зрительной системе, а также для определения степени утомления глаз часто применяется метод исследования критической частоты слияния световых мельканий - КЧСМ-диагностика.
Метод основан на том, что сетчатка по-разному воспринимает пульсирующий световой сигнал: если частота пульсаций невелика, мы видим серию вспышек - мельканий, а при большой частоте сигнал воспринимается как ровное свечение. Таким образом, увеличивая частоту пульсаций, можно установить ее граничное значение, за которым глаз перестает различать мелькания. Это и есть КЧСМ.
У здоровых людей и людей с разными видами глазной патологии показатели КЧСМ разные. Например, исследования, проводившиеся во ВНИИ глазных болезней им. Гельмгольца, показали, что средняя величина КЧСМ у здоровых детей в возрасте от 5 до 15 лет составляет 45-55 Гц. В случае глазной патологии КЧСМ ниже (26-37 Гц), ее величина зависит от характера патологии зрительного анализатора.
У здорового взрослого человека КЧСМ составляет 45-50 Гц для центральной части сетчатки. На периферии КЧСМ всегда на 10-15 Гц выше. Поэтому, например, "боковым зрением" мы видим, как мелькает экран компьютера или телевизора. В среднем, КЧСМ лежит в пределах 15-60 Гц и зависит от индивидуальных особенностей человека.
Утомление зрительной системы обычно приводит к падению КЧСМ на несколько герц. Так, у операторов ПК КЧСМ может снизиться на 5-6 Гц по сравнению с исходной величиной, причем только в центральной части сетчатки, на которую ложится основная нагрузка.
Исследования, проведенные в группе студентов и школьников, показали, что величина снижения КЧСМ при работе на компьютере - характеристика индивидуальная. У некоторых испытуемых показатель КЧСМ снижался на 2-3 Гц через час работы, у других - через 3-4 часа работы. Такие исследования крайне важны при создании новых типов мониторов ПК, телевизоров и других систем с графическим представлением информации.
Исходя из вышесказанного, возникает необходимость в разработке прибора для проведения КЧСМ-диагностики.[1]
Частота мельканий должна изменяться в диапазоне 15..60 Гц, что обусловлено пределами чувствительности человеческого глаза.
Рассмотрим вариант структурной схемы с использованием ФАПЧ. Структурная схема такого измерителя приведена на рисунке 1.
Колебания с перестраиваемого генератора поступают в блок источника света, в результате чего получаем световые мелькания нужной частоты.
Управление частотой осуществляется путем установки нужного коэффициента деления.
Достоинством такой схемы является высокая стабильность установленной частоты (кварцевая стабилизация), а также высокой точностью установки частоты (делитель частоты – логическая микросхема).
Рассмотрим более простой, но менее точный вариант устройства с плавной регулировкой частоты. Структурная схема такого измерителя приведена на рисунке 2.
В данной схеме управление частотой осуществляется непосредственным (с помощью потенциометра) изменением напряжения подаваемого на перестраиваемый генератор. Импульсы генератора поступают на счетчик, который подсчитывает их число в единицу времени (за 1 с), то есть частоту управляемого генератора. Импульсы сброса и интервал индикации формируются с помощью генератора, стабилизированного кварцем на 10 кГц и делителем на 10000.
Проанализируем структурные схемы устройства, которые приведены в пункте 3.1.1 и 3.1.2.
Для выбора структурной схемы, наиболее удовлетворяющей заданию на курсовое проектирование, сравним структурные схемы по различным критериям: по количеству элементов, потребляемой мощности, простоте настройке, надежности работы.
Очевидно, что вторая структурная схема содержит меньше число элементов, а следовательно потребляет меньшую мощность.
Достоинством первой схемы являются высокая точность и цифровая установка частоты, однако, в ТЗ оговорена точность измерений 0.5 Гц, что составляет (с учетом диапазона измерений 15..60 Гц) 1..3 % погрешности. Следовательно, достоинства первой схемы не оправдывают ее сложность и высокое (по сравнению со второй схемой) энергопотребление.
Вторая схема менее устойчива к уходам частоты, но т.к. ручная регулировка частоты производится при каждом использовании прибора (специфика применения), а измерение и индикация частоты цифровым счетчиком производятся непрерывно в течение всего периода работы, то данный недостаток не играет существенной роли. Дешевизна же данной схемы и простота реализации являются несомненными достоинствами,
Вывод:
Вторая структурная схема более предпочтительна, т.к. она более экономична, проста в исполнении и погрешность схемы удовлетворяет требованиям ТЗ.
Используя выбранную в пункте 3.2 структурную схему, произведем её доработку, в целях получения рабочего варианта структурной схемы и её использования при последующих расчетах схемы электрической принципиальной. В частности генератор управляемый напряжением будет работать не на рабочей частоте 15..60 Гц , а на частоте в 10 раз большей – 150..600 Гц. На усилитель и источник света импульсы пойдут через делитель на 10. Это, во-первых, увеличит точность измерения (погрешность счетчика снизится с 1 Гц до 0.1 Гц). А во-вторых, снижаются требования к конденсатору, стабилизирующему частоту перестраиваемого генератора (об этом речь пойдет ниже). Доработанная структурная схема представлена на исунке 3.
4 Выбор элементной базы
Рассмотрим возможности современной элементной базы с точки зрения задачи курсового проектирования.
При анализе технического задания и выбранной структурной схемы можно сделать следующие выводы:
Следовательно, для создания прибора пригодны стандартные микросхемы малой мощности общего применения.
Дискретные электронные устройства различаются по функциональному составу серий, типу схемотехнической реализации выполняемых функций (ТТЛ, ТТЛШ и т.д.), типовым параметрам (время задержки распространения, удельная потребляемая мощность, работа переключения, коэффициент разветвления по выходу, напряжение питания, тип корпуса, отклонение напряжения питания от номинального значения, диапазон рабочих температур).
Проводя анализ характеристик серий дискретных цифровых устройств, приходим к выводу, что данное устройство лучше реализовать на серии 531. Данная серия содержит большое количество микросхем и в составе этой серии есть почти все логические элементы, необходимые для реализации нашего устройства (за исключением дешифратора для семисегментного знакового индикатора - для этих целей придется использовать КР514ИД1). Например, микросхема К531ГГ1 - управляемый мультивибратор. Среди серий ТТЛ, ТТЛШ управляемые мультивибраторы представлены только в серии 530, 555 (микросхема 530-, 555ГГ2) и в выбранной нами серии 531 (микросхема 531ГГ1). Но при сравнении серий 530, 531, 555, оказывается, что мультивибратор способный работать на низкой частоте 150..600 Гц (управляемый генератор в структурной схеме) присутствует только в серии 531. На основании вышеизложенного делаем вывод, что реализацию курсового проекта наиболее подходит, именно, 531 серия ИС. Эта серия удовлетворяет всем параметрам, заданным в техническом задании.[2]
Для получения логического уровня 1 входы ТТЛ ИС рекомендуется подключать к источнику питания через токоограничивающий резистор для защиты от скачков напряжения, возникающих, например, при включении питания. Обычно для этих целей берут резистор сопротивлением 1 кОм. В данном случае будет достаточно применить постоянный непроволочный металлодиэлектрический резистор общего назначения. Эти резисторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Из данной серии резисторов в курсовом проекте применён резистор С2-23 мощностью 0.125 В, сопротивлением 1 кОм, с допуском ±5% из ряда Е24. Эксплутационные данные данного резистора удовлетворяют требованиям технического задания [3].
5 Разработка и расчет схемы электрической принципиальной
Исходя из требований технического задания на разработку, итогов синтеза структурной электрической схемы и выбора элементной базы, разработаем рабочий вариант схемы электрической принципиальной. Для облегчения разработки и расчетов рассмотрим все блоки структурной схемы по отдельности.
5.1 Разработка и расчет схемы управления перестраиваемым генератором
В качестве генератора мы используем стандартную микросхему – управляемый мультивибратор 531ГГ1. Для фиксации частоты мультивибратора необходимо подсоединить к соответствующим выводам внешний элемент: конденсатор или кварцевый резонатор. Данная микросхема состоит из двух мультивибраторов, каждый из которых вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум.
Первая половина микросхемы, используемая в качестве генератора управляемого напряжением, стабилизируется конденсатором, при этом на выходе формируются колебания с частотой:
f0=0.0005/Cвн, (1)
где Cвн – емкость внешнего конденсатора.
Учитывая, что f0 600 Гц получим Cвн 0,84 мкФ. Очевидно, что повышение рабочей частоты генератора снижает требования к емкости стабилизирующего конденсатора, а значит и к его габаритам, стабильности и стоимости.
Схема управления перестраиваемым генератором представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема управления перестраиваемым генератором
Переменный резистор R1 предназначен для плавного изменения напряжения на входе управления частотой FC1 перестраиваемого генератора. Подстроечный резистор R2 предназначен для более точной настройки диапазона изменения управляющего напряжения.
На выходе генератора меандр со скважностью 2 и с частотой следования импульсов 150..600 Гц.
5.2 Разработка схемы формирования импульсов счета и сброса.
Вторая половина микросхемы КР531ГГ1, стабилизированная кварцем на 10000 Гц используется в качестве опорного генератора. В данной схеме используется кварцевый резонатор РК-171.
Для получения импульсов с частотой 1 Гц применяем делитель на 104 построенный на четырех двоично-десятичных счетчиках КР531ИЕ11.
Пятый счетчик с использованием логических элементов “2И” (Микросхема КР531ЛИ1 – 4 элемента “2И”) и инвертора КР531ЛН1 формирует импульсы сброса, счета и интервал индикации.
Рисунок 5 – Схема формирования импульсов счета и сброса.
Временные диаграммы, поясняющие работу данной схемы, представлены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Временные диаграммы, поясняющие работу схемы формирования импульсов сброса и счета
Поскольку счетчик не двоичный, а двоично-десятичный, то интервал индикации будет принимать два значения - 2 и 4 секунды. Но для пользователя это не существенно.
5.3 Разработка схемы счета и индикации частоты
В качестве счетчика частоты используем каскад из 3х двоично-десятичных счетчиков КР531ИЕ11. Применение трех счетчиков обусловлено тем, что перестраиваемый генератор работает на частотах 150..600 Гц , а значит для счета нужны три десятичных разряда.
Два старших разряда счетчика определяют частоту мелькания источника света, так как она в 10 раз ниже частоты перестраиваемого генератора. Таким образом, для индикации частоты мельканий необходимо на индикатор подавать сигналы только с двух двоично-десятичных счетчиков, определяющих старшие разряды.
Схема счета и индикации частоты представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Схема счета и индикации частоты
Для индикации применены знаковые индикаторы АЛС314А красного цвета. Для преобразования двоично-десятичного кода в семисегментный использован дешифратор КР514ИД1. Сигнал сброса предшествует сигналу счета, счет длится 1 с (см. пункт 5.2). В результате по окончании счета получаем на счетчиках значение частоты перестраиваемого генератора с точностью до 1 Гц или же значение частоты мельканий источника света с точностью до 0.1 Гц. На индикаторе высвечивается целое число мельканий в секунду, следовательно, обеспечивается заданная в ТЗ точность 0.5 Гц.
5.4 Разработка схемы источника света с регулируемой яркостью.
В качестве источника света используются светодиоды АЛ336И с длиной волны 572 нм (зеленый), что соответствует наилучшей чувствительности человеческого глаза. Яркость диода 50 мкд. Напряжение диодов в прямом и обратном направлении равно Uпр max=2.8 В Uобр max=2 В [4], поскольку амплитуда импульсов ТТЛ микросхем составляет +5 В, то два светодиода включены последовательно. Поскольку ток, потребляемый светодиодами, превышает выходной ток обычных ТТЛ, то необходимо использовать схему с открытым коллектором. Для этого применяем микросхему КР531ЛН2 (6 инверторов с открытым коллектором). Регулировка яркости светодиода осуществляется при помощи переменного резистора.
Импульсы на инвертор поступают через делитель на 10, в качестве делителя используется двоично-десятичный счетчик КР531ИЕ11.
Схема источника света представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Схема источника света
5.5 Схема электрическая принципиальная изделия
Рабочая схема электрическая принципиальная устройства включена в комплект курсового проекта и изображена в документе НУРС 441467.002 ЭЗ.
5.6 Энергетический расчет
Проведем энергетический расчет, включающий в себя расчет токов потребления от используемых источников питания, подводимой мощности и мощности, рассеиваемой активными элементами схемы и резисторами.
В таблице 1 приведены токи потребления и рассеиваемые мощности на активных элементах и резисторах [2].
|
Позиционное обозначение |
Наименование |
Iпот, мА |
Pпот, мВт |
|
DD1 |
КР531ГГ1 |
150 |
750 |
|
DD3..DD7, DD8, DD14..DD16 |
КР531ИЕ11 |
160 |
800 |
|
DD9 |
КР531ЛН1 |
54 |
270 |
|
DD10 |
КР531ЛН2 |
354 |
1770 |
|
DD11 |
КР531ЛИ1 |
57 |
285 |
|
DD12..DD13 |
КР514ИД1 |
50 |
250 |
|
HL1, HL2 |
АЛС314А |
5 |
120 |
|
R1,R2 |
Переменный резистор |
5 |
25 |
|
R3 |
Подстроечный резистор |
5 |
25 |
|
VD1, VD2 |
АЛ336И |
20 |
100 |
Всего: 2215 11075
Как следует из таблицы, суммарный ток потребления 2.2 А и суммарная мощность, рассеиваемая активными элементами схемы и резисторами равна 11075 мВт = 11.1 Вт. Подводимая мощность равна мощности, рассеиваемой активными элементами схемы и резисторами, т.е. Рподв.= 11.1 Вт.
6 Конструкторско-технологическая отработка схемы электрической принципиальной
Проведем конструкторско-технологическую отработку схемы электрической принципиальной на основе данных раздела 5 и требований технического задания.
6.1 Отработка электромагнитной совместимости
Схема не содержит элементов способных излучать электромагнитные помехи. Следовательно, требования (учитывающие электромагнитную совместимость) по размещению элементов на печатной плате отсутствуют. В техническом задании на курсовой проект требования на электромагнитную совместимость также не заданы.
6.2 Отработка тепловой совместимости
В схеме отсутствуют мощные элементы, способные излучать сколько-нибудь значительную тепловую энергию. Учитывая сказанное выше, получаем, что требования (учитывающие тепловую совместимость) по размещению элементов на печатной плате отсутствуют. В техническом задании на курсовой проект требования на электромагнитную совместимость также не заданы.
6.3 Отработка схемы с позиций механической прочности
В составе схемы массогабаритные изделия (трансформаторы, низкочастотные дроссели, радиаторы, мощные транзисторы и пр.) отсутствуют. Учитывая это, получаем, что требования (с позиций механической прочности) по размещению элементов на печатной плате отсутствуют. В техническом задании на курсовой проект требования на механическую прочность также не заданы.
7 Мероприятия по технике безопасности
При проведении контрольно-измерительных работ необходимо соблюдать правила по технике безопасности по ГОСТ 12.2.006-87.
Напряжение питания схемы изделия равно +5 В.
При проведении контрольных измерений необходимо заземлить корпуса измерительной аппаратуры и корпусной шины изделия, т.к. измерительные приборы могут питаться от сети высокого напряжения, например, переменного напряжения 220В и случайное попадание высокого напряжения в электрическую цепь нашего устройства, может привести к выходу из строя интегральных микросхем.