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
PAGE 2
с Министерство общего и профессионального образования РФ
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
____________________________________________________________________
Кафедра РС
Утверждаю:
Дискриминатор импульсов
НУРС.467742.001 ПЗ
Пояснительная записка
|
Согласовано Проверил: Н. контр.: |
Разработал Студент гр* *. |
1997
СОДЕРЖАНИЕ
|
1. Обоснование необходимости разработки |
3 |
|
2. Упорядочение исходных данных для разработки схемы электри-ческой принципиальной |
4 |
|
2.1. Требования к входному сигналу. |
4 |
|
2.2. Требования к устройству сопряжения с ЭВМ. |
4 |
|
2.3. Требования к управляющим сигналам. |
4 |
|
3. Выбор и обоснование структурной схемы |
5 |
|
3.1. Выбор структурной схемы измерительного устройства |
7 |
|
3.1.1. Способ непосредственного подсчета |
7 |
|
3.1.2. Способ сравнения напряжения |
8 |
|
3.1.3. Дискриминатор с интегратором и АЦП |
8 |
|
3.1.4. Способ задержки сигнала |
9 |
|
3.1.5. Выбор и обоснование структурной схемы |
9 |
|
3.2. Выбор структурной схемы устройства подсчета времени |
10 |
|
3.3. Выбор структурной схемы устройства памяти |
10 |
|
3.4. Выбор структурной схемы устройства интерфейса |
11 |
|
3.5. Вывод |
11 |
|
4. Выбор элементной базы |
12 |
|
5. Разработка и расчет схемы электрической принципиальной |
14 |
|
5.1. Разработка схемы входного формирователя импульсов |
14 |
|
5.2. Разработка схемы тактового генератора |
14 |
|
5.3. Разработка схемы измерительного устройства |
15 |
|
5.4. Разработка схемы устройства подсчета времени |
16 |
|
5.5. Разработка схемы устройства памяти |
16 |
|
5.6. Разработка схемы устройства интерфейса |
17 |
|
5.7. Энергетический расчет схемы электрической принципиальной |
21 |
|
6. Конструкторско-технологическая отработка схемы электрической принципиальной |
22 |
|
7. Мероприятия по технике безопасности |
23 |
|
8. Заключение |
24 |
|
9. Библиографический список |
25 |
1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ
Дискриминатор импульсов по периоду повторения (далее в тексте называемый дискриминатор) может применяться в качестве измерительного прибора в программно-аппаратном измерительном комплексе, сопряженном с ЭВМ.
2 УПОРЯДОЧЕНИЕ ДАННЫХ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ.
2.1 Требования к входному сигналу.
Входной сигнал должен иметь амплитуду не менее 2,4 В, длительность импульсов не менее 2 мкс, полярность импульсов положительная.
2.2 Требования к устройству сопряжения с ЭВМ.
Устройство сопряжения с ЭВМ (далее в тексте называемое устройство интерфейса) должно быть универсальным и стандартным, то есть подходить к большинству используемых в настоящее время ЭВМ без внесения изменений во внутреннюю структуру ЭВМ.
2.3 Требования к управляющим сигналам.
Сигналы управления дискриминатором должны обеспечивать все режимы работы дискриминатора - анализ входного сигнала, передачу данных в ЭВМ и повторный перезапуск анализа сигнала.
3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
Дискриминатор, описанный в задании на курсовое проектирование, можно создать на основе различных структурных схем, некоторые из которых представлены на рис. 1.
Первая структурная схема (рис. 1, а) представляет собой простой формирователь импульсов, подключенный к любому входу, который может опрашивать ЭВМ. Такая схема имеет следующие преимущества: крайняя простота, очень низкая стоимость, совместимость с практически любым типом ЭВМ (любая ЭВМ имеет хоть один внешний порт, к одному проводу которого и подключается формирователь импульсов, который необходим для обеспечения совместимости уровня сигнала, с уровнями, используемыми в ЭВМ). Вся работа дискриминатора задается программой в ЭВМ. Но отсюда следуют серьезные недостатки: каждый тип ЭВМ должен иметь свою программу для работы с таким “дискриминатором”, причем свойства такого устройства целиком зависят от свойств ЭВМ и программы; если ЭВМ имеет низкую производительность, то она может не справиться с поставленной задачей, либо будет полностью загружена выполнением анализа входного сигнала, в то время как ее машинное время могло бы быть использовано для других целей. В итоге получается, что ЭВМ как бы входит в состав дискриминатора, и стоимость дискриминатора в этом случае включает стоимость ЭВМ, что сводит на нет все преимущества данной схемы.
Вторая структурная схема - это две совмещенные ЭВМ, первая из которых выполняет функции анализа входного сигнала, а вторая обрабатывает получаемые результаты. Первая ЭВМ может быть недорогой однокристальной ЭВМ (ОЭВМ), в постоянную память которой записана программа дискриминатора. Так как обычно ОЭВМ предназначены для сходных с нашим заданием целей, они имеют несколько входов, к которым можно подключить формирователь импульсов (или даже несколько формирователей, и получится многоканальный дискриминатор). Программа ОЭВМ может быть изменена, и одно и то же устройство будет выполнять разные функции, а не только описанную в нашем техническом задании. То есть, данная схема обладает очень большой гибкостью. Подобные устройства находят все большее применение в измерительной технике, устройствах автоматики и т. д., но на сегодняшний день стоимость разработки и изготовления такого устройства с программным обеспечением к нему достаточно высока.
Третья схема содержит формирователь импульсов Ф, измерительное устройство ИЗМ, тактовый генератор Г и устройство интерфейса И. Тактовый генератор определяет временные характеристики дискриминатора, которые не зависят от характеристик подключенной к нему через устройство интерфейса ЭВМ. Измерительное устройство осуществляет выделение импульсов заданных длительностей из входного сигнала и сообщает о результатах измерения ЭВМ. ЭВМ должна опрашивать дискриминатор не реже, чем 20409 раз в секунду (во избежание возможной потери данных) в течение 120 секунд, которые также подсчитываются в ЭВМ. В зависимости от производительности ЭВМ это может означать частичную занятость процессора работой с дискриминатором, полную занятость или вообще отсутствие возможности анализа принимаемых данных (например, если дискриминатор опрашивается программой - циклом из десяти команд, то производительность ЭВМ должна быть не менее 204090 операций в секунду, иначе ЭВМ может не успеть принять данные и результаты подсчета будут неверными), то есть этой схеме присущ тот же недостаток, что и у первой схемы.
Если же данные о результатах измерений накапливаются в самом дискриминаторе, то с их последующей обработкой справится любая ЭВМ, причем обработка результатов измерений производится после истечения времени анализа входного сигнала, и все время анализа может быть использовано для выполнения других задач с помощью данной ЭВМ. Структурная схема дискриминатора, содержащего кроме всех устройств предыдущей схемы еще и устройство подсчета времени и устройство памяти (для накопления результатов измерений), показана на рис. 1,г. При разработке схемы электрической принципиальной мы будем исходить из этой схемы.
Итак, дискриминатор, описанный в техническом задании, должен состоять из следующих частей:
1. Тактового генератора, синхронизирующего работу всей схемы.
2. Формирователя входных импульсов для приведения параметров входного сигнала к значениям, приемлемым для обработки в дискриминаторе.
3. Измерительного устройства - для определения периода входных импульсов и дискриминации - выделения импульсов с периодом 50, 100, 150, 200, 250 и 300 мкс.
4. Устройства подсчета времени - счетчика на 120 секунд и формирователя сигнала готовности дискриминатора.
5. Устройства памяти - для запоминания количества импульсов каждого периода, выделенных дискриминатором.
6. Устройства интерфейса - для связи с ЭВМ - передачи данных в ЭВМ и приема сигналов управления.
Так как дискриминатор состоит из нескольких устройств, рассмотрим структурные схему каждого из них.
3.1 Выбор структурной схемы измерительного устройства
Подсчет длительности импульсов и дискриминацию можно производить разными способами. Рассмотрим некоторые из них.
3.1.1 Способ непосредственного подсчета
При поступлении на вход устройства импульса через формирователь Ф запускается счетчик С1 (рис. 2), подсчитывающий число импульсов опорного генератора Г1, период которых известен. После прихода следующего импульса на вход устройства подсчитанное значение сравнивается с заданными и в результате сравнения выдается или не выдается сигнал, соответствующий периоду входного импульса. Счетчик перезапускается, и процедура повторяется.
Рис. 2 Структурная схема дискриминатора с непосредственным подсчетом
3.1.2 Способ сравнения напряжения
Селекция импульсов с интегрирующей цепью и амплитудным селектором. Вместо счетчика используется интегратор. Он перезапускается входным импульсом и напряжение на его выходе растет до прихода следующего импульса, после этого выходное напряжение сравнивается с набором эталонных напряжений с помощью компараторов К1...К6 и шифратора Ш. Результат сравнения будет соответствовать периоду входных импульсов и запишется в устройство памяти П.
Рис. 3 Структурная схема дискриминатора с интегратором
3.1.3 Дискриминатор с интегратором и АЦП
Промежуточный между первым и вторым способ заключается в сравнении не напряжения выхода интегратора, а в сравнении кода на выходе АЦП, подключенного к выходу интегратора, с заданными значениями.
Рис. 4 Дискриминатор с интегратором и АЦП
3.1.4 Способ задержки сигнала
Входной импульс поступает в линию задержки, и появляется на ее выходе через заданный отрезок времени, и если на входе и выходе одновременно присутствуют импульсы, то есть следующий импульс поступил на вход через время задержки предыдущего импульса, то период импульсов равен времени задержки сигнала. Дискриминацию импульсов по нескольким заданным периодам можно реализовать, например, последовательным включением нескольких линий задержки.
Рис. 5 Структурная схема дискриминатора с линиями задержки
3.1.5 Выбор и обоснование структурной схемы
Способ непосредственного подсчета самый естественный, но возникают трудности в сравнении полученного результата с заданными значениями - Сравнение можно осуществлять в двоичном коде, но схема получается громоздкой. Можно подавать выходной двоичный код на дешифратор, но дешифратор должен иметь количество выходов, соответствующее периодам и погрешностям измерения периодов дискриминируемых сигналов, а в нашем случае это слишком большие числа.
В способе сравнения напряжения получение результата сравнения проще, чем в предыдущем способе, но устройство, реализующее такой способ нуждается в настройке и регулировке, его параметры сильно зависят от внешней среды и поэтому трудно обеспечить заданную погрешность измерения. Такими же недостатками обладает схема с интегратором и АЦП.
В способе задержки сигнала вообще не нужно производить сравнения, но в нашем случае в чистом виде этот способ применить нельзя. Этот способ наиболее эффективен, когда требуется измерить не период, а длительность импульсов с большой скважностью (период больше длительности более, чем в два раза), причем длительность импульсов мала (порядка сотен нс - требуются короткие линии задержки). А в нашем случае нужно измерить период входных импульсов. Нам нужно выделить сигналы с периодом 50 мкс, если использовать очень длинную линию задержки на 50 мкс (300000 км/с * 50 мкс = 15000 м), то устройство среагирует как на импульс с периодом 50 мкс, так и на два импульса с периодом 25 мкс, то есть произойдет ложное срабатывание. Этого можно избежать, если каким-то образом обнулять линию задержки при поступлении каждого импульса, но с обычной линией задержки этого сделать нельзя, но вместо нее можно использовать цифровой элемент задержки.
В итоге получается, что для нашего дискриминатора подходят способ непосредственного счета (обладающий серьезным недостатком - громоздкостью конструкции), и способ задержки сигнала с цифровым элементом задержки.
Упростить схему устройства с непосредственным счетом можно, проанализировав исходные данные - заданные периоды повторения импульсов. Так как все они кратны 50 мкс, то можно подсчитывать не просто число импульсов тактового генератора за время периода входного импульса, а число периодов 50 мкс за время периода входного импульса, причем учитываются только импульсы, периоды которых отличаются от периода, кратного 50 мкс не более чем на 1 мкс. То есть, нужно устройство, вырабатывающее импульсы через 50 мкс после прихода входного сигнала (и далее через каждые 50 мкс), а это и есть цифровой элемент задержки.
3.2 Выбор структурной схемы устройства подсчета времени
Устройство подсчета времени можно также реализовать различными способами, например сравнением напряжения, но в силу перечисленных выше недостатков этого способа, лучше подсчитывать время работы дискриминатора обычными счетчиками. Также можно подсчитывать время работы дискриминатора в соединенной с ним ЭВМ, но в зависимости от выполняемых ЭВМ задач такое решение может быть непригодным, например из-за занятости ЭВМ выполнением другой задачи по истечении времени работы нашего дискриминатора.
3.3 Выбор структурной схемы устройства памяти
Устройство памяти должно запоминать результаты измерения периодов входных импульсов, то есть просто подсчитывать их количество. То есть оптимальным решением для устройства памяти будут шесть блоков памяти (для подсчета импульсов с периодом 50, 100, 150, 200, 250 и 300 мкс), с возможностью счета, вывода результатов и очистки. Разрядность блоков памяти рассчитывается так: время счета 120 с, период самых быстрых импульсов 50 мкс, максимальное число подсчитанных импульсов 120000000 / 50 = 2400000, минимальная разрядность блока памяти log2 (2400000) = 21.1946029751579679 = 22.
3.4 Выбор структурной схемы устройства интерфейса
Устройство интерфейса предназначено для передачи данных в ЭВМ и приема сигналов управления. так как мы имеем шесть блоков памяти с разрядностью не менее 22 бит, то всего получается около 132 линий данных, передаваемых в ЭВМ плюс сигнал готовности и принимаемый сигнал сброса. Такая конфигурация неприемлема из-за сложности, громоздкости, ненадежности и высокой стоимости. Для связи с ЭВМ необходимо применять стандартный интерфейс, который уже имеется в большинстве современных ЭВМ. Два наиболее распространенных интерфейса - параллельный (Centronics или по российскому стандарту ИРПР и ИРПР-М) и последовательный (типа RS232, “токовая петля” и т. д.). Последовательный интерфейс имеет меньше линий связи, но он медленнее и сложнее в реализации, поэтому для связи с ЭВМ мы будем использовать универсальный параллельный интерфейс ИРПР.
3.5 Вывод
Итак, дискриминатор будет состоять из измерительного устройства с цифровым элементом задержки, устройства подсчета времени на счетчиках, устройства памяти на счетчиках и устройства параллельного интерфейса ИРПР.
4 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Так как периоды и длительности измеряемых импульсов достаточно велики (десятки и единицы микросекунд), в качестве элементной базы можно выбрать любое семейство распространенных микросхем - ТТЛ, КМОП или ЭСЛ. Параметры некоторых серий этих семейств приведены в таблице 1.
Таблица 1. Электрические параметры микросхем разных структур
|
Техноло- |
Серия |
Напряжение |
Потребляемая мощность, |
Задержка, нс, не более |
|
|
гия |
питания |
мВт, не более |
включения |
выключения |
|
|
ТТЛ |
К155 |
+5В 5% |
22 |
15 |
22 |
|
К133 |
+5В 10% |
22 |
15 |
22 |
|
|
130 |
+5В 10% |
44 |
10 |
10 |
|
|
134 |
+5В 10% |
2 |
70 |
70 |
|
|
ТТЛШ |
КР531 |
+5В 5% |
19 |
5 |
4,5 |
|
530 |
+5В 10% |
19 |
5 |
4,5 |
|
|
К555 |
+5В 5% |
2 |
10 |
10 |
|
|
533 |
+5В 10% |
2 |
10 |
10 |
|
|
1530 |
+5В 10% |
19 |
2,5 |
2,5 |
|
|
1533 |
+5В 10% |
1 |
4 |
4 |
|
|
КР1533 |
+5В 10% |
1 |
4 |
4 |
|
|
1531 |
+5В 10% |
4 |
3,8 |
3,9 |
|
|
КР1531 |
+5В 10% |
4 |
3,8 |
3,9 |
|
|
КМОП |
К176 |
+9В 5% |
0,03 |
200 |
200 |
|
КР1561 |
+3..15В |
0.06 |
80 |
80 |
|
|
564 |
+3..15В |
0,06 |
160 |
110 |
|
|
1564 |
+2..6В |
0.03 |
11 |
11 |
|
|
ЭСЛ |
К500 |
-5,2 5% |
50 |
2,9 |
2,9 |
Микросхемы эмиттерно-связанной логики - самые быстродействующие, но и самые энергоемкие. Логические уровни этих микросхем не совместимы с уровнями, применяемыми в интерфейсе ИРПР. Для решения этой проблемы требуются преобразователи уровня, что усложняет схему дискриминатора. Так как нам не требуется очень высокое быстродействие, мы не будем применять в дискриминаторе микросхемы этого семейства.
Современные микросхемы КМОП серии 1564 обладают достаточным для нашего дискриминатора быстродействием, приближающимся к быстродействию схем ТТЛ (при СН=15...100 нФ задержка распространения сигнала 9..11,5 нс на логический элемент). Это семейство характеризуется низким энергопотреблением (на частоте 10 кГц рабочий ток логического элемента серии 1564 равен 3 мкА), благодаря чему на их основе можно создавать устройства с автономным питанием. Но при повышении частоты ток потребления микросхем этого семейства резко возрастает, и на частоте 1 МГц для логического элемента серии 564 он равен 20 мА.
Самые широко применяемые в настоящее время в вычислительной технике - микросхемы семейств ТТЛ и ТТЛШ. По быстродействию самые быстрые микросхемы ТТЛШ приближаются к семейству ЭСЛ, а по потреблению энергии самые маломощные микросхемы этого семейства приближаются к схемам КМОП (на высокой частоте).
Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ имеют самый богатый функциональный состав и наиболее хорошо удовлетворяют параметру совместимости с ЭВМ, поэтому мы будем использовать в нашем дискриминаторе микросхемы серии К555 - наиболее типичный представитель семейства ТТЛШ.
Пассивные элементы, применяемые в нашем дискриминаторе - кварцевый резонатор РГ06-14-ДБ-1000К-Б1-У (1 МГц), резисторы типа МЛТ-0.125, конденсаторы К10-47.
5 РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
5.1 Разработка схемы входного формирователя импульсов
Так как нам задана амплитуда и полярность импульсов, но не заданы их уровни, необходимо из входного сигнала сформировать импульсы с логическими уровнями, совместимыми с ТТЛ-уровнями, используемыми в дискриминаторе. Для этого уберем постоянную составляющую входного сигнала конденсатором С3 и привяжем его уровень к нулевому с помощью резистора R3 и стабилитрона VD2, который также ограничит амплитуду входного сигнала до значения 4.7В, что необходимо для предотвращения выхода из строя входных цепей дискриминатора из-за перенапряжения. Сопротивление резистора R3 примем равным 5 кОм для обеспечения уровня логического нуля на входах элементов DD1.4 и DD2.1. Сопротивление R5 возьмем равным 200 Ом, т.е. много меньше R3, чтобы на R3 падало как можно большее напряжение UR3=UВХ*R3/(R5+R3). Так как амплитуда входных сигналов не менее 2,4 В, микросхемы ТТЛ будут срабатывать от таких сигналов. Постоянная времени цепочки (R5+R3)C3R3C3 не должна быть меньше 100 нс (см. ниже), т.е. емкость C3 не должна быть меньше 20 пФ. Возьмем ее равной 1 нФ.
Далее сформируем из входного сигнала короткие импульсы постоянной длительности, задаваемой временем задержки сигнала элемента DD1.4 и постоянной времени цепочки R4C2. Эти импульсы назовем входными импульсами, они управляют работой дискриминатора.
Постоянная времени цепочки должна быть такой, чтобы длительность импульсов была равна 100 нс - время, достаточное для срабатывания всех устройств дискриминатора.
(1)
Возьмем резистор R4 сопротивлением 510 Ом, тогда емкость конденсатора C2 равна 647 пФ.
5.2 Разработка схемы тактового генератора
Мы будем использовать генератор тактовых импульсов на двух элементах НЕ (DD1.1 и DD1.2) и кварцевом резонаторе, схема которого широко используется в цифровых устройствах. Элемент DD1.3 устраняет влияние на генератор остальных устройств, подключенных к генератору. Частота генерируемого сигнала равна 1 МГц, что наиболее удобно для анализа сигнала с погрешностью 1 мкс. Диод VD1 используется для синхронизации тактового генератора с входными импульсами для устранения погрешности начала отсчета периодов импульсов.
5.3 Разработка схемы измерительного устройства
Измерительное устройство подсчитывает периоды входных импульсов и выделяет импульсы с периодом, кратным 50 мкс 1 мкс.
Для этого используется делитель тактовой частоты 1 МГц на 50, выполненный на двух счетчиках К555ИЕ19 (DD9.1 и DD9.2) и двух элементах 2И (DD14.1 и DD14.2). При достижении числа на выходах счетчиков значения 1100102 = 5010 уровень логической единицы через элемент 2ИЛИ (DD3.3) поступает на входы сброса счетчиков, и процесс счета повторяется. Другой вход элемента ИЛИ используется для синхронизации счетчиков с входными импульсами, которые и подаются на этот вход. Синхронизацией обеспечивается эффект, подобный задержке входного сигнала на 50 мкс.
Выходной сигнал элемента DD14.2 используется для формирования положительного импульса длительностью 2 мкс с помощью D-триггера DD13.1 (К555ТМ2) (см. диаграмму рис. 6), обеспечивающего выделение импульсов с разбросом периода 1 мкс.
Рис. 6 Диаграмма напряжений на выводах счетчика DD9 и триггера DD13.1
Сформированный импульс подается на счетный вход счетчика DD4.2 (К555ИЕ19), который подсчитывает число периодов 50 мкс, укладывающихся в период сигнала. При достижении счетчиком значения 10002 устанавливается RS-триггер, собранный на элементах 2ИЛИ-НЕ (DD16.1 и DD16.2, К555ЛЕ1), сбрасывающий счетчик и удерживающий его в нулевом состоянии до прихода входного импульса, который сбрасывает RS-триггер и отключает блокировку счета.
Если входной импульс приходит во время действия уровня логической единицы на выходе DD13.1, это значит, что период входного импульса отличается от числа, кратного 50 мкс, не более, чем на 1 мкс, и этот импульс необходимо зафиксировать в памяти дискриминатора. Это обеспечивается подачей логической единицы с элемента DD14.4 (К555ЛИ1) на неинвертирующий вход разрешения дешифрации микросхемы DD18 (К555ИД7), адресные входы которой соединены с выходами счетчика DD4.2.
Таким образом, полученная схема может выделять из входного сигнала импульсы с периодами 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 и 400 мкс, при этом формируются импульсы отрицательной полярности на соответствующих выходах дешифратора (выход 0 соответствует 50 мкс, 1 - 100 мкс и т. д.).
Элемент 2И-НЕ (DD15.1, К555ЛА3) предназначен для блокировки счета счетчика DD4.2 сигналами шины 4(сброс дискриминатора) и 14 (готовность дискриминатора), которые будут описаны далее.
5.4 Разработка схемы устройства подсчета времени
Время анализа входного сигнала - 120 секунд, и чтобы подсчитать это время мы будем использовать счетчики. Количество тактовых импульсов, вырабатываемых тактовым генератором за время анализа, равно 12000000010=1110010011100001110000000002, то есть потребуется 27-разрядный счетчик, или семь 4-разрядных счетчиков, т.е. 3.5 микросхемы К555ИЕ19(DD4.1, DD5.1, DD5.2, DD6.1, DD6.2, DD7.1, DD7.2). Также нужна схема, отслеживающая появление числа 120000000 на выходах счетчика, которую мы реализуем на элементе 8И-НЕ (DD8.1) и двух элементах 2И (DD2.2 и DD2.3). При достижении счетчиком этого значения на выходе элемента 8И-НЕ появляется уровень логического нуля (сигнал шины 14, готовность дискриминатора), блокирующий продолжение счета устройством подсчета времени (элементы DD1.5 и DD3.1) и измерительным устройством (элемент DD15.1).
5.5 Разработка схемы устройства памяти
Нам требуется запоминать количество импульсов, приходящих с шести выходов измерительного устройства, в течение 120 секунд. Максимальное количество импульсов, которое может появиться на входах блоков памяти разное и требует разного числа разрядов памяти для хранения. Эти данные приведены в таблице 2.
Таблица 2. Минимальная разрядность боков памяти.
|
номер блока памяти |
период импульсов |
максимальное количество импульсов |
минимальная разрядность блока памяти |
|
1 |
50 |
2400000 |
22 |
|
2 |
100 |
1200000 |
21 |
|
3 |
150 |
20 |
|
|
4 |
200 |
20 |
|
|
5 |
250 |
19 |
|
|
6 |
300 |
19 |
Из таблицы видно, что блоки памяти 1 и 2 требуют более 20 разрядов, что соответствует применению шести четырехразрядных счетчиков для каждого блока, а блоки 3, 4, 5 и 6 требуют не более 20 разрядов, и для каждого из них хватит пяти таких счетчиков (но микросхем К555ИЕ19 в каждом блоке будет по 3).
В целях унификации блоков памяти мы будем применять во всех блоках по шесть включенных каскадно счетчиков (24 разряда). Счетные входы всех блоков памяти подключены к выходам дешифратора DD18. Входы сброса всех счетчиков объединены и подключены к линии шины 4 (сброс дискриминатора).
5.6 Разработка схемы устройства интерфейса
Так как разрядность каждого из блоков велика, и их шесть, а разрядность выбранного нами интерфейса равна восьми, мы не можем передавать состояние всей памяти дискриминатора в ЭВМ одновременно, а должны это делать порциями. Если передавать данные по одному байту за один раз - потребуется три цикла передачи данных для каждого блока. Но нам нужно передать в ЭВМ не только данные о состоянии памяти, но и данные о готовности дискриминатора, а для этого потребуется еще один разряд данных. Так как сигнал готовности дискриминатора желательно передавать в ЭВМ всегда, независимо от передачи данных, то это потребует дополнительной линии, а она не предусмотрена в стандарте интерфейса ИРПР. Можно использовать дополнительную линию, но тогда это не будет соответствовать стандарту интерфейса, и у ЭВМ может не оказаться возможности принимать сигнал готовности дискриминатора. В то же время на сигналы данных интерфейса ИРПР не накладывается никаких ограничений, и для передачи сигнала готовности дискриминатора можно использовать одну из линий данных, а информацию о состоянии памяти передавать по оставшимся линиям данных. Сгруппировав эту информацию порциями по 7 или 6 бит можно передать состояние одного блока памяти за четыре цикла передачи данных. Мы будем передавать данные о состоянии памяти порциями по 6 бит.
Чтобы сгруппировать данные таким образом мы используем мультиплексоры К555КП12, по три в каждом блоке памяти. Выходы мультиплексоров могут находиться в высокоимпедансном состоянии, поэтому можно объединить соответствующие выходы всех шести блоков памяти, и выбирать, какой из блоков в данный момент подает информацию на линии данных, с помощью входов “разрешение выхода” мультиплексоров. Эти входы мы подключим к выходам дешифратора DD11. Адресные входы мультиплексоров выбирают, какая порция состояния памяти передается на шину данных.
Счетчики DD10.1 и DD10.2 формируют номер выводимой порции данных, и их выходы соединены, соответственно, с адресными входами мультиплексоров блоков памяти и с адресными входами дешифратора DD11. Счетчик DD10.1 представляет собой делитель частоты на 4, что соответствует количеству порций данных в одном блоке памяти, а счетчик DD10.2 - делитель частоты на 6, что соответствует количеству блоков памяти в дискриминаторе. Вывод Q3 этого счетчика подключен к линии данных Д7, по переходу этого сигнала из 1 в 0 ЭВМ может определить, что в данный момент дискриминатор выводит самую первую порцию данных блока памяти 1. Сброс счетчиков DD10.1 и DD10.2 производится сигналом шины 4 (сброс дискриминатора). Счетный вход DD10.1 подключен к линии шины 5 (сигнал готовности -ГОТ), при переходе сигнала на которой из 1 в 0 на линии данных подается следующая порция данных.
По линии данных Д6 мы будем передавать сигнал готовности дискриминатора, который имеет негативную полярность, т.е. 1 - дискриминатор продолжает анализ входного сигнала, 0 - дискриминатор закончило анализ и готово к передаче данных.
Передача данных из дискриминатора в ЭВМ происходит следующим образом:
1) ЭВМ сбрасывает сигнал занятости (линия шины 6, сигнал ЗАН)
2) Дискриминатор вырабатывает негативный сигнал строба данных (линия шины 7, сигнал -СТР) длительностью 8 мкс.
3) ЭВМ принимает сигнал строба данных, переход которого из 0 в 1 означает, что данные на выходе дискриминатора верны и стабилизировались.
4) ЭВМ считывает данные с линий Д0...Д7 и записывает их в память для дальнейшей обработки. Сигнал Д6 - готовность дискриминатора, негативный. Переход сигнала Д7 из логической единицы (в предыдущем цикле передачи данных) в логический ноль (в настоящем цикле) означает, что данные считаны из блока памяти 1, самая первая порция.
5) ЭВМ вырабатывает негативный сигнал готовности (линия шины 5, сигнал -ГОТ), означающий, что данные приняты. Этот сигнал, в зависимости от типа ЭВМ может вырабатываться как аппаратно при считывании данных, так и программно, после считывания данных.
6) Дискриминатор принимает сигнал готовности, переключая номер выводимой порции информации о состоянии памяти.
7) Если передача данных закончена, ЭВМ устанавливает уровень логической единицы на линии ЗАН, и прекращает прием данных.
Если передача данных не закончена, то цикл передачи данных повторяется с шага 2.
Надобность в дальнейшей передаче данных определяется программой ЭВМ. Данные о состоянии памяти могут передаваться в ЭВМ как по окончании анализа входных сигналов, так и во время анализа, исходя из целей программы и возможностей ЭВМ. Программа в случае передачи данных во время анализа входного сигнала должна следить за возможными ошибками при приеме данных, так как они передаются несинхронно с работой измерительного устройства. Устранить такие ошибки можно, например, несколькими считываниями состояния всех блоков памяти дискриминатора и последующей проверкой. После завершения анализа входного сигнала из памяти дискриминатора всегда считываются правильные данные.
Диаграмма передачи данных показана на рис. 7.
Рис. 7 Передача данных от дискриминатора к ЭВМ
Реализован такой алгоритм передачи данных следующим образом:
На выходе элемента 2И-НЕ (DD15.2), входы которого подключены к сигналам занятости (линия шины 6, через инвертор DD12.3) и готовности (линия шины 5), появляется положительный перепад, когда сигнал готовности равен 1 и сигнал занятости переходит из 1 в 0 (что соответствует началу передачи данных), и когда сигнал готовности равен нулю и сигнал готовности переходит из 0 в 1 (что соответствует ответу ЭВМ о приеме очередной порции данных). Этим положительным перепадом устанавливается D-триггер DD19.1, снимая сигнал с входа сброса счетчика DD20.1, который начинает считать, и через 4 мкс на выходе элемента 2ИЛИ-НЕ (DD16.4) появляется негативный сигнал стробирования данных (линия шины 7, сигнал -СТР), через 8 мкс появляется уровень логического нуля на выходе элемента 2И (DD2.4), сбрасывающий триггер DD19.1 и счетчик DD20.1. Сигнал строба переходит из 0 в 1. Если в ходе этих действий сигнал занятости переходит из 0 в 1 счетчик DD20.1 сбрасывается и выработка сигнала стробирования прекращается. Диаграмма работы схемы показана на рис. 8.
Рис. 8 Диаграмма работы схемы формирования сигнала стробирования данных
Сброс дискриминатора происходит следующим образом:
1) ЭВМ устанавливает сигнал занятости.
2) ЭВМ вырабатывает негативный сигнал готовности. В зависимости от типа ЭВМ этот сигнал может быть выработан аппаратно при чтении данных из дискриминатора либо программно сбросом и установкой соответствующего разряда внешнего устройства, управляющего работой интерфейса ИРПР в ЭВМ.
В устройстве интерфейса это реализовано на элементе 2ИЛИ-НЕ (DD16.3), подключенном к сигналу готовности и проинвертированному сигналу занятости, при появлении на которых одновременно логического нуля на выходе элемента появляется положительный сигнал сброса дискриминатора, выведенный на линию шины 4.
После сброса дискриминатор приходит в исходное состояние: измерительное устройство начинает анализ входного сигнала (блокировка измерительного устройства снимается первым пришедшим входным импульсом), устройство подсчета времени сбрасывается и начинает подсчет заново, память обнуляется.
5.7 Энергетический расчет схемы электрической принципиальной
Данные по энергопотреблению всех микросхем дискриминатора приведены в таблице 3.
Таблица 3. Энергетические параметры применяемых микросхем.
|
Тип микросхемы |
Потребляемая мощность, мВт |
Количество |
|
К555ЛН1 |
33 |
2 |
|
К555ЛА2 |
5,5 |
1 |
|
К555ЛА3 |
22 |
1 |
|
К555ЛЕ1 |
27 |
1 |
|
К555ЛИ1 |
2 |
|
|
К555ЛЛ1 |
2 |
|
|
К555ИД7 |
2 |
|
|
К555КП12 |
18 |
|
|
К555ТМ2 |
40 |
2 |
|
К555ИЕ19 |
25 |
|
|
Всего |
4957.5 |
56 |
То есть, дискриминатор потребляет мощность около 5 Вт. Для его питания необходим источник стабилизированного напряжения 5В 5%, рассчитанный на выходной ток не менее 1 А.
6 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОТРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
В дискриминаторе не используются катушки индуктивности, поэтому не требуется каких-либо специальных конструктивных мер по экранированию блоков дискриминатора или их определенному размещению, связанных с электромагнитной совместимостью.
Также в дискриминаторе не имеется теплоизлучающих и теплочувствительных элементов, требующих поддержания их теплового режима. Поэтому не требуется применять устройства принудительного охлаждения, радиаторы, термостаты и т. д..
Массогабаритные изделия также напрочь отсутствуют в составе дискриминатора, что позволяет ему удовлетворять требованиям ТЗ на механическую прочность изделия.
В дискриминаторе не имеется никаких органов регулировки и настройки, поэтому не требуется специальных мер по размещению элементов изделия.
7 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
В дискриминаторе используется напряжение питания +5В, не представляющее опасности для здоровья человека. При работе с дискриминатором соблюдайте требования мер безопасности, Изложенные в разделе “К” инструкции “Техника безопасности при работе с радиоэлектронным оборудованием”.
8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанный дискриминатор импульсов может применяться для дискриминации импульсов по периоду повторения и накопления результатов измерения в ЭВМ:
Периоды входных импульсов, выделяемых дискриминатором, составляют 50, 100, 150, 200, 250, 300 мкс, что соответствует пункту 1 раздела 4.1 технического задания НУРС 467742.001 ТЗ.
Дискриминатор реагирует на вхоные импульсы длительностью 2 мкс и амплитудой не менее 2,4 В (пункты 2 и 3) положительной полярности (пункт 5).
Дискриминатор способен выделять импульсы из входного сигнала с произвольным законом распределения интервалов, в том числе с нормальным распределением со средней частотой 8 кГц (пункты 5, 6 раздела 4.1 технического задания).
Дискриминатор способен производить анализ входного сигнала в течение 120 с с последующей выдачей сигнала готовности (пункт 7 раздела 4.1 технического задания).
Дискриминатор может быть соединен с ЭВМ в единый измерительный комплекс, что соответствует пункту 1 раздела 4.3 технического задания.
Из вышеперечисленного мы видим, что разработанный дискриминатор удовлетворяет требованиям задания на курсовое проектирование НУРС 467742.001 ТЗ.
9 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.:Радио и связь, 1990.
2. Расчет элементов импульсных и цифровых устройств. Под ред. Ю. М. Казаринова. М.: Высшая школа, 1976.
3. Разработка инструкции по настройке радиоэлектронных устройств. Методические указания. Новгород, 1990.
4. Мячев А.А. и др. Интерфейсы систем обработки данных. Справочник. М.: Радио и связь, 1989.
5. Мячев А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники. М.: Радио и связь, 1990.
6. Нарышкин А.К. Импульсные устройства ЭВМ, приборов и систем. М.: Энергоиздат, 1991.
7. Г.Р. Аванесян. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. Справочник. М.: Машиностроение, 1993.