Реферат: Разработка устройства логического управления

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Элементысистем автоматики»

“Разработкаустройства логического управления ”


Содержание

1.Введение

2.Структурный синтез управляющегоавтомата

2.1 Построение направленного графаабстрактного автомата

2.2 Кодирование внутренних состоянийи выбор типа памяти

2.3 Определение логических функцийвозбуждения памяти.

2.4 Составление таблицы траекторий.

2.5 Выбор элементов и микросхем.

2.6 Составление модели в OrCAD наоснове полученных упрощенных выражений и проверка правильности работы модели

2.7 Результаты моделирования схемыавтомата.

3. Выбор аналоговых элементов

3.1 Датчик индукции.

4. Выбор схем, реализующих заданныепередаточные функции, вспомогательные функции и реализация коммутаций устройствсо схемой автомата Мура

4.1 Таймер

4.2 Тактовый генератор

4.3 Устройство начального пуска

4.4 Устройство реализации функции F1

4.5 Устройство реализации функции F2

4.5 Устройство индикации

4.6 Разработка устройств реализующихВ1, В2.

5 Устройства сопряжения

5.1 Согласование электролампы свыходом автомата.

5.2 Устройства сопряжения инормализация шкалы датчика

5.3. Устройства опорного напряжения

6. Возвращение разряда.

7. Устройство коммутации с внешнимиэлементами.

8. Заключение.


/>1.Введение

Современное промышленноепроизводство является сложным комплексным процессом, который требует быстрого имногомерного контроля за всеми параметрами. Такой контроль был бы невозможенбез применения современной электронной техники и автоматики вследствие того, чтосуществуют многочисленные физические явления недоступные для простоговизуального контроля. В настоящее время промышленная автоматика развиваетсязначительными темпами, что связано с постоянно повышающимся уровнем сложности икачества технологических процессов. Электронные промышленные устройства являютсясложными системами, в состав которых входят энергетические преобразователи, элементыэлектропривода, микропроцессорные узлы обработки информации и связи с внешнимиуправляющими объектами, а также датчики различного назначения, устройствасогласования с объектом управления. Очевидно, что задача разработкипромышленного автомата включает в себя комплекс проблем, которые сами по себе представляютотдельную область современной электроники. Важно обеспечить высокую надежностьи защиту от сбоев, поскольку существуют технологические процессы, нарушение которыхможет привести к катастрофическим последствиям опасным для жизни людей и окружающейсреды. Поэтому создание таких устройств требует от разработчика хороших знаний вобласти электроники и в области технологических процессов, для управления которымисоздается промышленный автомат.

Целью данного курсового проектаявляется разработка электронного автомата при заданных входных сигналах и контролируемыхпараметрах, а также исполнительных устройствах. Курсовой проект предусматриваетрешение основных задач реального инженерного проектирования электронной техники:структурный синтез, разработку принципиальной схемы, моделирование основных функциональныхузлов, конструирование. Функционирование автомата производится по приведенномув задании алгоритму.


/>/>/>2.Структурныйсинтез управляющего автомата

 

2.1 Построениенаправленного графа абстрактного автомата

На этапе проектированияцифрового автомата выбираем синхронный автомат Мура. Выбор асинхронногоавтомата был бы осложнен необходимостью устранения эффекта “гонок”, а выборсинхронного автомата Мили – усложнением комбинационно-логического устройства.

Автомат Мура состоит изкомбинационно-логического устройства (КЛУ) и триггерной подсистемы. КЛУформирует логическую функцию переходов, т.е. определяет, каким образом автоматпереходит в следующее состояние. При этом учитывается текущее состояние, кодкоторого хранится в триггерной подсистеме. При построении направленного графаавтомата Мура операторные вершины граф-схемы ставятся в соответствие состояниямавтомата. Переход в новое состояние осуществляется в зависимости от содержанияусловной вершины, следующей за операторной. Направленный граф автоматапредставлен на рис. 1.

Построение направленногографа автомата Мура:

Преобразование производимтак, чтобы истинное значение состояния соответствовало «1», а ложное – «0».


Таблица состояний

Таблица 1

Q3 Q2 Q1 Q0 Y 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 4 1 1 1 5 1 1 6

Учитывая:

0=000

1=001

2=010

3=011

4=100

5=101

6=110

Убираем старший разряд иполучаем:

Таблица 2

Q2 Q1 Q0 Y 1 1 1 2 1 1 3 1 4 1 1 5 1 1 6

Здесь использованыследующие логические условия и сигналы:

B1= b1/> b2        B2=b1/>b2 ;

В дальнейшем используютсяследующие сокращения:

/>

/>

Сигналы:

S – сигнал контактногодатчика (S=0 – контакт разомкнут, S=1 ‑ контакт замкнут); />временная задержка, />.

Направленный графавтомата построен, исходя из заданного алгоритма, и имеет шесть состояний,соответствующих операторным вершинам исходного алгоритма.

/>2.2 Кодирование внутренних состоянийи выбор типа памяти

Поскольку автомат имеетшесть внутренних состояний, потребуется использовать трехразрядный код исоответственно три ячейки памяти. Это следует из формулы:

n=[целая часть(log2N)]+1,

где N — число внутренних состоянийавтомата; n — количество ячеек памяти.

В качестве элементовпамяти применяются динамические D — триггеры, таким образом, автомат будет синхронным. Отказ от разработкиасинхронного автомата связан со сложностью кодирования состояний асинхронногоавтомата с учетом эффекта «гонок». В связи с этим надежность асинхронногоавтомата при воздействии внешних возмущений, которые присутствуют впромышленных условиях, будет невысокой. Например, наличие импульсных помех всигнальных цепях внешних датчиков и каналов связи может привести к ложнымпереключениям логических элементов, если не использовать дополнительных мер позащите от помех. При этом синхронный автомат более устойчив к импульснымпомехам, так как входной сигнал D –триггера должен быть зафиксирован заранее, до прихода тактового перепада, навремя не меньшее чем защитный интервал.

/>2.3 Определение логических функцийвозбуждения памяти.

Определим функции возбужденияпамяти. При составлении функций возбуждения памяти учитываются только те переходы,включая петли, при которых в соответствующем разряде логический «0» меняется на«1» или «1» сохраняется.

По графу составляемпередаточные функции

/>

Упростив выражения,применяя алгебру логики, получим:

/>

Теоретически возможныдальнейшие преобразования приведенных выражений и их минимизация в ещё большейстепени, но в данном случае минимизация производилась с учетом использованиямультиплексоров при реализации автомата.

Таким образом, числоэлементарных логических элементов в схеме автомата будет сведено к минимуму.

2.4 Составлениетаблицы траекторий

Составим таблицу траекторий(таблица 1):

Таблица 1

/>№ п/п

При переменных Переходы 1

/>/>/>

001->101->011->001 2

/>/>/>/>

001->101->011->110->011 3

/>/>/>/>

001->101->110->100->101 4

/>/>/>/>/>

001->101->110->100->010->110 5

/>

001

2.5 Выбор элементов имикросхем

 

По заданию курсовогопроекта выбираем ТТЛ-логику (при напряжении питания 12 В).

Для реализации автоматапотребуются микросхемы:

3 8-входовыхмультиплексора (74151А),

3 D-триггера сдополнительными входами установки и сброса (7474),

7 элемента НЕ (7404).

2 элемента ИЛИ (7432)

2 элемента И (7408)

Также в состав автоматавходят некоторые другие микросхемы, которые будут рассмотрены при разработкесоответствующих функциональных блоков.

2.6 Составление модели в OrCADна основе полученных упрощенныхвыраженийипроверка правильности работы модели

2.7 Результатымоделирования схемы автомата.

Подставляя насоответствующие входы значения /> проверяемправильность составления модели:

/>               001

3. Выбор аналоговых элементов

 

3.1 Датчикиндукции

Датчик индукции выбираемиз условия, что измерения будут производиться в диапазоне -5мТ…10мТл.

Выбираем датчик SS143A .

Внешний вид датчикаприведен на рис. 4.

В таблице ниже (таблица4) приводятся характеристики и параметры датчикаиндукции, удовлетворяющегозаданию курсовой работы

Таблица 4

Характеристика Параметры Диапазон измерения магнит. индукции от 1мТл до 21.5мТл Выходное напряжение датчика max400 В Напряжение питания Постоянное 3.8...30В Диапазон рабочих температур –40...+125°C Потребляемый ток 10мА

Функциональная схемалинейных датчиков магнитного

поля на эффекте Холла


Линейные датчикимагнитного поля (на эффекте Холла) состоят из олупроводникового элемента Холла,стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада (рис.1). В зависимости от модели, выходной каскад датчика представляет собойусилитель

на биполярномтранзисторе, включенном по схеме с открытым коллектором (p-n-p) или подвухтактной схеме (комплементарная пара p-n-p + n-p-n). Выходное напряжениеэтих датчиков находится в линейной зависимости от величины и направлениявектора магнитной индукции (рис. 2).


/>4. Выбор схем, реализующих заданныепередаточные функции, вспомогательные функции и реализация коммутаций устройствсо схемой автомата Мура

 

4.1 Таймер

 

Возьмем синхронныйсчетчик:

Синхронные (илипараллельные) счетчики характеризуются тем, что все их разряды в пределах одноймикросхемы переключаются одновременно, параллельно. Это достигаетсясущественным усложнением внутренней структуры микросхемы по сравнению спростыми асинхронными счетчиками. В результате полная задержка переключениясинхронного счетчика примерно равна задержке одного триггера, то естьсинхронные счетчики гораздо быстрее асинхронных, причем их быстродействие непадает с ростом количества разрядов выходного кода (конечно, до определенных пределов).

Для объединениянескольких синхронных счетчиков с целью увеличения числа их разрядов (длякаскадирования) используется специальный выходной сигнал переноса.

Синхронные счетчики сасинхронным переносом занимают промежуточноеположение по быстродействию между асинхронными счетчиками и полностьюсинхронными счетчиками. Управление их работой проще, чем у синхронныхсчетчиков, но сложнее, чем у асинхронных. Работают данные счетчики поположительному фронту входного сигнала (или, что то же самое, по заднему фронтуотрицательного сигнала). Основная суть их работы сводится к следующему: всеразряды одного счетчика переключаются одновременно, но при каскадированиикаждый следующий счетчик (дающий более старшие разряды) переключается сзадержкой относительно предыдущего счетчика (дающего более младшие разряды). Тоесть задержка переключения многоразрядного счетчика увеличивается в данномслучае не с каждым новым разрядом (как у асинхронных счетчиков), а с каждойновой микросхемой (например, 4-разрядной).

Сигнал переноса у этих счетчиков при прямом счете вырабатываетсятогда, когда все разряды равны единице (достигнут максимальный код) и когдаприходит входной сигнал. Поэтому сигнал переноса,повторяющий входной сигнал, будет задержан относительно входного сигнала. Иименно этот сигнал переноса используется в качествевходного для следующего счетчика при каскадировании. То есть входной сигналвторого счетчика задержан относительно входного сигнала первого счетчика,входной сигнал третьего счетчика задержан относительно входного сигнала второгосчетчика и т.д.

Временная диаграмма4-разрядного синхронного счетчика с асинхронным переносомпоказана на рис. 4,1. Из рисунка видно, что разряды переключаются одновременнопо положительному фронту входного сигнала (с некоторой задержкой), аотрицательный сигнал переноса также задержанотносительно входного отрицательного импульса. Понятно, что переключениеразрядов счетчика, работающего с этим сигналом переносав качестве входного, будет происходить с дополнительной задержкой относительнопереключения разрядов данного счетчика.

Примерами синхронныхсчетчиков с асинхронным переносом могут служить и двоичный счетчик ИЕ7 (рис. 4.2).ИЕ7 считает — от 0 до 15. Счетчик реверсивный, обеспечивает как прямой счет (по положительному фронту на входе +1), так иобратный счет (по положительному фронту на входе –1). При прямом счетеотрицательный сигнал переноса вырабатывается навыходе >15 (у ИЕ7). При обратном (инверсном) счете отрицательный сигнал переноса вырабатывается на выходе < 0 после достижениявыходным кодом значения 0000. Имеется возможность сбросасчетчика в нуль положительным сигналом на входе R, а также возможностьпараллельной записи в счетчик кода со входов D1, D2, D4, D8 по отрицательномусигналу на входе –WR. При параллельной записи информации счетчик ведет себя какрегистр-защелки, то есть выходной код счетчика повторяет входной код, пока навходе –WR присутствует сигнал нулевого уровня.

Таблица режимов работысчетчиков ИЕ7з

Выходы Режим работы R -WR +1 -1 1 Х Х Х Сброс в нуль Х Х Параллельная запись 1 1 1 Хранение 1 Хранение 1

0/>1

1 Прямой счет 1 1

0/>1

Обратный счет

Таблица .5

/>

Вход параллельной записиобозначается иногда на схемах также L, С, а выходы переносаобозначаются также CR и BR.

После сброса счетчикначинает счет по положительным фронтам на счетных входах от нулевого кода.После параллельной записи счет начинается от числа, записанного в счетчик.После переполнения счетчика ИЕ7 (достижения кода 1111) при прямом счетевырабатывается отрицательный сигнал переноса >15, повторяющий входной отрицательный импульс на входе +1 с задержкой. Последостижения кода 0000 при обратном счете вырабатывается отрицательный сигнал переноса < 0, повторяющий входной отрицательный импульсна входе –1 с задержкой.

Входные сигналы счета,записи и сброса не должны быть слишком короткими. Не должен быть слишком малымвременной сдвиг между сигналами на входах D1–D8 и сигналом записи как в началеимпульса записи, так и в его конце (сигнал записи -WR должен начинаться послеустановления входного кода, а заканчиваться — до снятия входного кода).

/>

/>Рис. 8. Формировательвременного интервала.

Через заданный интервалвремени после сигнала запуска, который придет с автомата, высокий уровень навыходе таймера сменится на низкий. Так как через /> намнеобходимо получить “1” то подключим к выходам таймеров инверторы. Тогда через 3ссигналы /> примут истинные значения.   Изблок-схемы (Рис.9) видно, что 3-секундный таймер должен запускается привыходном состоянии автомата «001». Т.к. таймер запускается отрицательнымимпульсом, то на вход элементов таймера подключим КЛУ.

Выходной импульс заданнойдлительности начинается сразу после входного сигнала, но длительность его можетотличаться от заданной на какое-то время, меньшее периода тактового сигнала. Иногдаэто более приемлемое решение, особенно при больших длительностях выходногосигнала, значительно больших, чем период тактового сигнала. Схема формирователявременного интервала показана на рис.4.

Работа схемы начинается сподачи короткого отрицательного импульса –Старт. Он перебрасывает триггер,который разрешает работу счетчиков снятием сигнала параллельной записи –WR. Поотрицательному фронту входного сигнала начинается положительный выходной сигналзаданной длительности. Счетчики начинают считать на уменьшение кода поположительным фронтам тактового сигнала с генератора. Когда они досчитают донуля, вырабатывается сигнал переноса, перебрасывающий триггер в исходноесостояние. Работа схемы возобновится после следующего сигнала – Старт.

Если входной код равен300, то длительность выходного сигнала составит от 3600Т до 3601Т, где Т — период тактового сигнала, в зависимости от момента прихода входного сигнала поотношению к тактовому сигналу. Абсолютная погрешность выдержки длительностивыходного сигнала в любом случае не превышает периода тактового сигнала Т.Погрешность при Т=0.01с равна

/>

 

4.2 Тактовый генератор

В качестве тактовогогенератора будем использовать микросхему КР531ГГ1. Данная микросхема удобнатем, что на выходе мы получаем стандартный сигнал ТТЛ логики и простотууправления частотой.

Микросхема представляетсобой два независимых генератора, частота которых определяется напряжением.

Каждый генератор имеетдва входа для управления частотой: U – управление частотой, DU –управление диапазоном частоты. Если на вход U подан высокий уровень, а на DU низкий, то для фиксации частоты следует подсоединить междувходами Свн внешний элемент – конденсатор или кварцевый резонатор.

На выходахмультивибраторов получается меандр с частотой

/>

Приведенное вышевыражение справедливо только для ТТЛ серии.

По входу ЕI входную последовательность можнозапретить, если подать напряжение высокого уровня.

/>

Рис. 9. Схема подключениягенератора

находим емкость,необходимая длячастоты 100Гц из уравнения:

Отсюда />

Выбираем конденсатор: К10-17АМ47 5000пФ, 5%


4.3 Устройство начального пуска

Устройство представляет собойRC – цепь, формирующую при включениинизкий потенциал на входе сброса D –триггеров, для принудительного установления начального состояния.

Схема устройстваприведена ниже:

/>

Рис. 10 Устройствоначального сброса

.

Величины элементоввыбираем следующие: R25=1 кОм, С10=25нФ.

Резистор типа:С2-29В-0.125-1кОм±1%.

Конденсатор:К50-35-25В-24нФ.

 

4.4 Устройствореализации функции F1

Фильтр низких частотвторого порядка (F1)

F1 – ФНЧ второго порядка, fгр = 100Гц, Ку =3дБ, подъём на fгр +3 дБ, х1=+3 дБ.

Передаточная функция ФНЧописывается следующим уравнением:

/> 

/>

/> 

Для данного фильтра

/>

Если /> />

/> />/>;

/>/>

Для сравнения сигнала сфильтра и сравнения его с заданным воспользуемся формулой

/>

Отсюда для сравнениябудем брать величину

/> />

Для получения Uоп используем источник тока REF200 с выходом 100мкА и резистором 141кОм.

Схема реализации функции /> представлена на рис. 9.

Схема реализации Uоп представлена на рис. 10.

R1 С2-23имп. 0.25 Вт, 1%, 39 кОм

R2 С2-23имп. 0.25 Вт, 1%, 56 кОм

R3 С2-23имп. 0.25 Вт, 1%, 3.9 кОм

С2-(К50-35) 0,47 мкф х 50в,85 гр., эл-лит.конд.

С2-23 0,125/0,25 1% 1 кОм

С2-23 0,125/0,25 1% 300Ом

C2 — К50-35-25В-0.47 мкФ

C1 — К50-35-25В-20 нФ

Устройство сравнения:

DA1 — К140УД17Б

DA – K1401CA1

ФНЧ 2-го порядка

/>

Рис. 11. ФНЧ 2-гопорядка.

/>

Рис 12. Источник опорногонпряжения

4.5 Устройствореализации функции F2

Аппроксимирующийпреобразователь.

Реализация функции F2:

Аппроксимирующийпреобразователь – преобразователь реализующий принцип кусочно-линейной аппроксимации.

Рис.16. Аппроксимирующийпреобразователь.

Зависимость выходногонапряжения от входного представлена на рис.17

Статическаяхарактеристика.

На первом и втором участкепреобразователь работает как услилтель:

на первом участке с коэф.усления /> выбираем R1=10koM />

на втором участке коэф.усиления />

/>

Переход на 2 участокосущсетвляется когда выходное напряжение />,тогда открываются диоды D4 и D3. переход на третий участокосуществляется за счет ограничения тока двух-анодного стабилитрона.


Операционный усилитель — TL082,

Ризисторы:

R1:    С2-23имп. 0.25 Вт, 1%, 10 кОм

R2:    С2-23имп. 0.25 Вт, 1%, 20 кОм

R5=R6:      С2-23имп. 0.25 Вт, 1%, 430 Ом

R3=R4:      С2-23имп. 0.25 Вт, 1%, 82 кОм

Стабилитроны:   D1N4469

Диоды:       D1N3900

Для получения Uоп используем источник тока REF200 с выходом 100мкА и резистор С2-230,125/0,25 82кОм.

еще рефераты
Еще работы по коммуникациям и связям