Реферат: Разработка цифрового таймера

Содержание

стр.

Введение……………………………………………………………………………………………………

Гл 1. Анализ функций устройстввыдержки времени ………………………

Гл 2. Разработка структурной схемы…………………………………………………..

Гл 4. Разработкапринципиальной схемы

4.1) Блоки предустановки значения выдержки………………………………………….

4.2) Блоки отсчета выдержки………………………………………….………………………..

4.3) Блоки управления………………………………………………………….…………………..

4.4) Генераторное оборудование………………………………………………………………

Списоклитературы …………………………………………………………………………………

Введение

Электронные таймерыпредназначены для установки интервалов времени, сигнализации и окончанияотсчета, управления технологическими процессами в различных отрасляхпромышленности и сельского хозяйства. В данной работе был проведен анализсхемотехнических решений электронных таймеров, разработана структурная ипринципиальная схемы цифрового таймера. По полученным в результате разработкисхемам был построен макет устройства и проведены его испытания, подтвердившиеработоспособность схемы.

Пояснительная записка включает введение, пять тематических глав, заключение исписок литературы. В каждой из глав рассмотрен отдельный этап разработки.

В главе 1- “Анализфункций устройств выдержки времени”, — рассматривается принцип действияцифровых и аналоговых устройств выдержки времени(УВВ).

В главе2, — “Разработкаструктурной схемы” — порезультатам анализа, была разработана структурная схема УВВ с диапазономвыдержек от 1 до 9999 условных интервалов времени.

В главе 3- “Характеристикаприменяемой элементной базы”- рассмотрены основные параметры применяемыхэлементов.

В главе 4– “Разработкапринципиальной схемы” — для каждого блока структурной схемы был рассмотренвариант реализации на ИМС серии К555, а также расчет конструктивных параметровпечатной платы устройства.

В главе 5– “Расчетисточника питания” — приводится расчет сетевого источника питания,включающий расчет стабилизатора напряжения и сетевого трансформатора.

В заключение приводится список литературы содержащий 11 источников.

Красчетно-пояснительной записке прилагается четыре чертежа:

· “Структурнаясхема”

· “Принципиальнаясхема”

· “Печатнаяплата”

· “Временные диаграммы состояний индикаторов”

Анализфункций устройств выдержки времени.____________________________________________________________

Если проанализировать схемы различныхвариантов устройств выдержки времени (УВВ), то можно сделать вывод, что алгоритмдействия устройств во всех случаях одинаковый.

Устройство формирует на выходе функцию, представленную на рис.1. Здесь по осиабсцисс отложено время t, а по оси ординат – функция состоянияустройства.

Рис.1

Если не принимать во вниманиедетали то любое УВВ (в том числе и механическое) можно представить в виденекоторого черного ящика имеющего один вход и один выход. На вход поступаетнекоторое внешнее воздействие X(t), а на выходеформируется функция S(t).

Рис.

Характер внешнего воздействия зависит от конструкции УВВ и в каждом конкретномслучае может быть различным. Что касается выходной функции то она для любойконструкции УВВ имеет одну общую деталь – она принимаеттолько два значения, причем в одном из них она может находиться только втечении строго определенного интервала времени T.Обозначим эти состояния как 0 и 1. Устройство находится в состоянии 0(пассивное состояние) до тех пор пока на его вход не поступит какое либовнешнее воздействие X(t). После этогооно переходит в состояние 1 (активное состояние). По прошествии времени T устройство возвращается в состояние 0.

В неэлектрических УВВ работающих по такомупринципу (например в механическом таймере) активное и пассивное состояния могутпроявляться в различных углах поворота управляющих рычагов, воздействующих наисполнительные механизмы. В электрических УВВ функция S(t) как правило, проявляется в изменениях значений напряжения навыходе.

В промышленности первые устройства выдержкивремени появились и стали применяться еще в дотранзисторную эпоху какальтернатива механическим. Их преимущества перед последними были очевидны –надежность, многофункциональность, простота и точность. Для формированияфункции S(t) был выбранпростой (а в то время и единственно приемлемый) принцип. Он заключался взарядке или разрядке конденсатора определенной емкости через достаточно большоесопротивление.

Для пояснения этого принципа рассмотримцепь, состоящую из последовательно соединенных конденсатора и резистора (рис.).

При подаче напряжения Е конденсатор начинает заряжаться. Напряжение на нем возрастает по экспоненциальному закону:

Uc(t)=E(1-exp(-t/pt)) (1)

где Uc(t) – напряжениена конденсаторе в момент времени t, а pt=RC – постоянная времени.

Напряжение на резисторе можно найти поформуле:

Рис. 3

Ur(t)=E-Uc(t) (2)

Как видно из формулы (1), для того чтобы напряжение наконденсаторе достигло определенного уровня Uс1 необходимо некоторое время tв, определяемое по формуле:

tв=R*C*ln(E/(E-Uc1)) (3)

Из формулы (3) видно, что tвзависит от емкости конденсатора С, сопротивления резистора R, напряжения Е и собственно от уровня Uc1. Если сделать один из этих параметровпеременным, а остальные жестко стабилизировать, то можно получить устройствовыдержки времени с переменным значением интервала Т, причем этот интервал будетоднозначно зависеть от переменного параметра.

Чтобы получить из данной схемы практическиприменимое устройство, достаточно подключить параллельно конденсатору какоелибо пороговое устройство с двумя устойчивыми состояниями, которое придостижении напряжением Uс значения Uс1изменяло бы свое состояние.

Структурная схема одного из вариантов такогоУВВ

приведена на рис.

/>Для формирования на выходе устройства функцииS(t) с двумяустойчивыми состояниями используется ключ SH1и контакты реле К1.1.

Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянииконденсатор С разряжен, ключ SH1 разомкнут, напряжение на выходе равно нулю,движок резистора R устанавливается в определенное, заранееизвестное положение, соответствующее интервалу времени Т.

Пороговое устройство включает реле К1 вслучае если напряжение на выводах 1-2 становится больше некоторого значения Uc1.

При замыкании ключа SH1 (внешнее воздействие) на выходе устройствапоявляется напряжение Uвых=Е. С этого момента начинает заряжатьсяконденсатор С – начинается формирование интервала Т. По прошествии времени Тнапряжение на конденсаторе достигнет уровня Uс1 и пороговое устройство включит реле К1. Своими контактами К1.1оно разомкнет выходную цепь и напряжение на выходе снова станет равным нулю (Uвых=0). В данном случае напряжения 0 и Е соответствуютпассивному и активному состоянию.

В качестве порогового устройства можноиспользовать какую либо ключевую схему. Конкретный вариант этой схемы выбираютисходя из условия получения максимально возможного входного сопротивления,чтобы исключить его влияние на процесс зарядки конденсатора. Во временагосподства ламповой техники в качестве порогового устройства использовалисьтиратроны или газовые стабилитроны, а с развитием полупроводниковой электроникистали применять транзисторные ключи на полевых транзисторах.

Напряжение с выхода устройства можно податьна какую либо нагрузку, например на лампу фотоувеличителя.

При всей очевидной простоте такого УВВ оноимеет ряд недостатков, которые стали особенно сильно проявляться приужесточении требований к точности задания и воспроизведения интервала Т. Каквидно из схемы для задания значения Т используется способ поворота движкапеременного резистора на определенный угол F.При этом погрешность установки порядка одного градуса на однооборотном переменномрезисторе практически не заметна. Но в тоже время такая погрешность, особенно ввысокоомных резисторах, соответствует погрешности установки сопротивления внесколько килоом. При длительных выдержках времени (порядка нескольких часов)это приведет к погрешности порядка одной минуты. К тому же очень трудно будетвновь установить эту же выдержку еще раз, если движок резистора по каким либопричинам окажется в другом положении.

Другой причиной неточности являетсяконденсатор, параметры которого (особенно у электролитического) нестабильны вовремени. Эта нестабильность может привести к тому что разница между интерваламивыдержек в 1 час при первом и втором запуске УВВ составит порядка 2-3 мин(данные для электролитического конденсатора).

Наконец, изменение напряжения питания такжеприводит к изменению длительности выдержки.

Для снижения влияния этих причинприходилось использовать прецизионные переменные резисторы, удорожавшие внесколько раз все устройство, применять специальные средства стабилизациинапряжения питания и т.п.

С развитием цифровой техники, и в частностис появлением быстродействующих цифровых счетчиков, появилась возможностьсущественно улучшить параметры УВВ путем пересмотра самого принципа работы.Согласно новому принципу построения УВВ в качестве интервала Т берется не времязарядки конденсатора а время нескольких его перезарядок. Преимущества такогоУВВ очевидны – резистор можно сделать постоянным и следовательно недорогим, а вкачестве конденсатора применить неэлектролитический, малой емкости. НедостатокУВВ подобной конструкции – дискретная сетка выдержек времени – легкоустраняется путем снижения времени одной перезарядки до значения порядка 10е-3с и ниже (частота перезарядок >1 КГц). В качестве устройства, котороеавтоматически производит перезарядку конденсатора вполне естественноиспользовать RC-генератор. Структурная схема такого УВВприведена на рис.

Рис.

Импульсыс генератора, период которых соответствует времени одной перезарядкиконденсатора, поступают на вход цифрового счетчика импульсов. С выхода счетчикачисло поступивших импульсов в двоичном коде подается на устройство контроля(УК). Как только число импульсов достигнет заданного значения, УК посылаетсигнал на исполнительное устройство ИУ, которое производит какое либодействие. В реальных УВВ подобного типа устройство контроля, помимо этого можетосуществлять блокировку счетчика, остановку генератора, включение сигнализациии т.п.

Еще одно преимущество подобныхУВВ состоит в том, что для повышения точности выдержки времени можно вообщеотказаться от использования в генераторе времязадающей RC-цепи и применитьвместо нее более стабильные элементы, например кварцевые резонаторы.

Разработка структурной схемы

_______________________________________________________________

Структурнаясхема устройства приведена на рис.

Рис.

На схеме введены следующиеобозначения:

Клав. – Клавиатура;

К – Кодер клавиатуры;

РЗ – Регистр-защелка;

СВВ – Счетчик выдержки времени;

ПК – Преобразователь кода;

Инд-р. – Семисегментныйиндикатор;

ДН – Детектор нажатий;

СН – Счетчик нажатий;

ДПЗ – Дешифратор позицийзагрузки;

СО – Схема обнуления;

СУ – Схема управления;

БУИУ – Блок управленияисполнительным устройством;

ИУ – Исполнительное устройство;

ТГ – Тактовый генератор;

ДЧ – Делитель частоты;

СБ – Схема блокировки;

СУ – Сигнальное устройство.

Рассмотримработу устройства при начальном вводе значения выдержки. Для ввода выдержкииспользуются клавиши 0…9 клавиатуры. При нажатии на клавишу сигнал от неепоступает на кодер клавиатуры (КК), который преобразует номер клавиши винверсный двоичный код. С кодера клавиатуры этот номер поступает на входрегистра–защелки (РЗ). Он предназначен для фиксации номера нажатой клавиши навремя, необходимое для записи в счетчик выдержки времени (СВВ), а также дляисключения влияния “дребезга контактов” клавиатуры на работу устройства.

Регистр-защелка фиксирует предварительно установленные на его входах значенияпо команде со схемы управления (СУ). Число записей в секунду зависит от частотытактового генератора. Оптимальное его значение составляет 10-20. Сигнал с РЗинвертируется и поступает на входы параллельной загрузки СВВ, а также на входдетектора нажатий (ДН).

Детекторпредставляет собой элемент И с четырьмя входами. Если не нажата ни однаклавиша, то на выходе КК установлен код 0000. Этот код записывается в РЗ,инвертируется и поступает на ДН в виде 1111. В результате на выходе ДНустанавливается логическая единица. При нажатии на какую либо клавишу на выходекодера клавиатуры установится значение, в котором будут присутствовать и нули иединицы. Это исключает возможность появления на входе ДН четырех единиц, и,следовательно, на выходе ДН при любой нажатой клавише установится логическийноль. Такой способ распознавания нажатых клавиш позволил упростить КК,отказавшись от специальной шины индикации нажатий, и позволил применить РЗ на 4бита.

С выходадетектора нажатий сигнал поступает на счетчик нажатий (СН) и дешифратор позицийзаписи (ДПЗ). Счетчик нажатий имеет три разряда. Два из них используютсянепосредственно для подсчета нажатий, а третий – для блокировки схемыуправления после ввода всех цифр. Счетчик переключается из одного состояния вдругое только после отпускания клавиши. Это позволяет более рациональноиспользовать его разряды благодаря присвоению первому нажатию номера 00.

Со счетчиканажатий число нажатых клавиш передается в двоичном коде на дешифратор ДПЗ. Онпреобразует это число в десятичное и, по сигналу от схемы управления, подает разрешающийсигнал на соответствующий сегмент СВВ. Разрешающий сигнал подается на один издвух стробирующих входов ДПЗ. На второй стробирующий вход подается сигнал свыхода ДН. Это необходимо чтобы при ненажатых клавишах запретить загрузку в СВВзначения 1111.

Записанный всегмент СВВ двоично-десятичный номер нажатой клавиши поступает на дешифратор,который преобразует его в код семисегментного индикатора. Этот код подается наполупроводниковый индикатор, который высвечивает соответствующее число.

Послеотпускания клавиши на вход детектора нажатий поступает код 1111, на его выходесоответственно происходит перепад 0 – 1 и счетчик нажатий переводится вследующее состояние. После 4-го отпускания клавиши логическая единицаустанавливается в третьем разряде СН. С этого разряда она подается на схемууправления, блокируя ее работу и запрещая дальнейшую загрузку значений в СВВ, атакже на блок управления исполнительными устройствами (БУИУ), разрешая запускисполнительных устройств. Цикл ввода на этом заканчивается. При желании можноповторить ввод. Для этого на клавиатуре нажимают клавишу «Сброс». Сигнал отэтой клавиши подается на схему обнуления, которая вырабатывает сигнал обнулениядля РЗ, СВВ и СН, переводя их в исходные состояния.

Для запускапроцесса формирования выдержки необходимо нажать на клавишу «Пуск» на клавиатуре. Сигнал с этой клавиши подается на вход БУИУ, который разрешаетпрохождение импульсов с делителя частоты на вход СВВ. Первый же перепад 0 – 1с выхода схемы блокировки прохождения импульсов через БУИУ включаетисполнительное устройство. Начинается цикл формирования выдержки. Онпродолжается до тех пор пока на вход СВВ не поступит заданное количествоимпульсов N. При появлении на входе СВВ фонта импульсас номером N+1 на БУИУ подается сигнал окончаниявыдержки, который отключает исполнительное устройство. На этом интервалвыдержки заканчивается. Как видно из приведенных вкладок он может бытьрассчитан по формуле:

T= tи + tзсвв – tзн

где

tи – длительность импульса на входе СВВ,

tзсв — задержка распространения в СВВ,

tзн – задержка включение нагрузка, обусловленная задержкой вБУИУ.

Еслиминимальный интервал выдержки составляет 1с то последними двумя значениямиможно пренебречь, т.к. их величины (порядка десятков ns)не будет вносить существенной погрешности .

Помимо БУИУсигнал окончания выдержки подается также на схему обнуления, которая приводитвсе устройство в исходное состояние, разрешая тем самым загрузку новогозначения в СВВ.

В заключениинеобходимо отметить, что процесс формирования выдержки времени в любой моментможно прервать путем нажатия на кнопку «Сброс».

Разработкапринципиальной схемы

Блоки предустановки значениявыдержки

____________________________________________________________

1) Клавиатура

Клавиатура,используемая в данной разработке должна содержать не менее двенадцати клавиш –клавиши для ввода цифр 0…9 и две функциональные клавиши – “сброс” и “пуск”.

Как показал анализ различных конструктивныхвариантов клавиатур, а также обзор промышленно выпускаемых клавиатур, наиболееприемлема конструкция фирмы “TESLA” типа GP-8213.

Конструкция представляет собой пластину из диэлектрического материала(стеклотекстолит) на которой методом химического травления выполнены контактныеплощадки. Пример такой площадки показан на рисунке (рис. ). Для замыканиямежду собой этих контактов используется резиновый диск, на который напыленатонкая пленка электропроводящего материала.

Диск приклеивается к резиновому основанию,которое исполняет роль пружины (рис. ).

При нажатии на клавишуконтактный диск прижимается к металлическим контактным площадкам и замыкает ихмежду собой. Как показали измерения, несмотря на то, что электропроводящий слойдостаточно тонкий, сопротивление такого контакта составляет примерно 60 Ом, чтовполне приемлемо для управления цифровыми микросхемами ТТЛ (ТТЛШ).

Схема соединения контактныхплощадок приведена на рис. Н. Одна из сторон каждого контакта клавиш 0…9 атакже клавиши “пуск” соединяется с источником питания +5В. Входная сторонаклавиши “стоп” соединяется с нулевым проводом.

Сопротивление резистора R зависит от входного сопротивления кодера клавиатуры, ибудет определено далее.

Клавиатура укрепляется напередней панели устройства под окном цифрового индикатора.

2) Кодер клавиатуры

Как сказано выше, кодер клавиатуры долженобеспечивать преобразование десятичного кода в инверсный двоичный код. Средимикросхем серии 155 (555) имеются микросхемы выполняющие функцию перекодировкикода “1 из 10” в двоичный код. Однако эти микросхемы имеют один существенныйнедостаток – у них отсутствуют инверсные выходы. Это не позволяет использоватьих в данном кодере без применения дополнительных инверторов. Поэтому былопринято решение в качестве кодера использовать составленную соответствующимобразом диодную матрицу.

Таблица истинности кодера приведена в табл., а принципиальная схема кодирования одного из входов (”2”) – на рис.

Номер входа Выходной код 1 2 4 8 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 4 1 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1 8 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1

Рис.

При подаче положительного напряжения на вход “2” диоды открываются и на выходеустанавливаются инверсные логические уровни 1101, соответствующие числу два.

Резисторы R1-R4 необходимы длянадежного открывания диодов, в случае если входное сопротивлениерегистра-защелки окажется слишком велико.

Минимальное сопротивление этих резисторов выбирается исходя из максимальногодопустимого тока через диоды. При этом учитывается то, что их сопротивление должнобыть в 5-6 раз больше чем сопротивление ограничительного резистора в блокеклавиатуры.

Максимальное сопротивление резисторов ограничивается минимальным входным токомлогических элементов ТТЛШ, при котором входной сигнал воспринимается каклогический ноль. Это сопротивление рекомендуется не более 3 кОм. Исходя изэтого было выбрано сопротивление R1-R4 2,7 кОм, а сопротивление ограничительного резистора вклавиатуре – 470 Ом.

3)Регистр-защелка

Регистр-защелка должен обеспечивать запись входных значений по сигналу от СУ ивыдачу этих значений в инверсном коде. Помимо этого он должен иметь входобнуления. Количество разрядов регистра должно быть не менее четырех. При всеммногообразии возможные технических решений наиболее экономичным является использованиев качестве РЗ микросхемы К555ТМ8, которая предназначена для построенияпараллельных регистров данных, запускаемых перепадами тактовых импульсов. Микросхема расположена в 16-контактном корпусе и содержит набор D-триггеров, имеющих общие входы синхронного сброса R и тактовогозапуска С._В микросхеме ТМ8 число триггеров четыре, у каждого есть прямые и инверсные выходы Q. Цоколевка микросхемы показана на рис… Режимы работытриггеров микросхемы соответствуют табл… Сброс всех триггеров в состояние Qн = 0 произойдет, когда на входасинхронного сброса R будет подано напряжение низкогоуровня. Входы C и Dn при этом не действуют, ихсостояние безразлично.

Информацию отпараллельных входов данных D1-D4можно загрузить в триггеры микросхемы, если на вход Rподать напряжение высокого уровня, а на тактовый вход С – положительный перепадимпульса. При этом предварительно установленные на каждом входе D напряжения высокого или низкого уровня появятся на выходе Q.

МикросхемаК555ТМ8 потребляет ток 18 мА, максимальная тактовая частота составляет 35 МГц,время задержки распространения сигнала сброса – 28 ns.

/>/>

Рис.

Табл.

Режим работы

вход Выход R C Dn Qn Qn Сброс Х Х 1 Загрузка 1 1 0-1 1 1 Загрузка 0 1 0-1 1

4) Детектор нажатий

Как былосказано выше, в качестве детектора нажатий используется логический элемент И счетырьмя входами. Поскольку в серии К555 есть только элементы И–НЕ то придетсяиспользовать дополнительный инвертор. Наиболее целесообразно в качестве ДНиспользовать микросхему К555ЛА1 – два логических элемента 4И–НЕ. Схема ДН,построенная на этой микросхеме приведена на рис.

Один изэлементов используется по своему прямому назначению, а второй выступает вкачестве детектора.

Рис.

Микросхемапотребляет ток 2,2 мА. Максимальная задержка распространения в одном ЛЭ – 15 ns. Цоколевка микросхемы показана на рис.

Рис.

5) Дешифратор позиций загрузки

Согласно структурной схеме дешифратор позиций загрузкина основании входного двухразрядного двоичного кода должен устанавливатьлогический ноль на одном из четырех выходов. Кроме того он должен иметь дваинверсных входа стробирования, подключаемых к схеме управления и к детекторунажатий. Наиболее подходящим решением в данном случае является использование вкачестве ДПЗ одного из дешифраторов ИМС К555ИД4.

Микросхема К155ИД4 (рис. ) — два дешифратора, принимающих двухразрядный код адреса А0, А1.Дешифратор DC A имеет двавхода разрешения:прямой Еа и инверсный Ёа,а дешифратор DC B —только инверсные входы разрешения дешифрацииЕb.

Рис.

Если микросхема используется как демультиплексор, дешифратор DCA может принимать по входам Еа и Еа какпрямой, так и инверсный адресные коды. Состояния для обоих дешифраторов как при дешифрации кода А0, А1,так и при демультиплексировании по адресу А0, А1 сведены в табл.

Табл.

Микросхема К555ИД4 потребляет ток 10 мА. Время задержки распространения сигналаот адресного входа А к выходу Y составляет 32 ns, времяраспространения от входа разрешения Е к выходу Yнепревышает 30 ns для обоих вариантов исполнения.

Принципиальнаясхема ДПЗ построенного на К555ИД4 приведена на рис.

Рис.

На входы А0 и А1 подается двоичное числопроизведенных нажатий клавиш от счетчика нажатий, а на входы Е1 и Е2 – сигналыразрешения от детектора нажатий и схемы управления. Выходы 0,1,2,3 подключаютсяк соответствующим разрядам счетчика выдержки времени.

Блоки отсчета выдержки

_______________________________________________________

1) Счетчик выдержкивремени

Счетчик выдержки времени является одним из основных узлов данного устройства.Он предназначен для подсчета количества поступающих от задающего генератораимпульсов. Принципиальная схема счетчика приведена на рис. Счетчик работает врежиме вычитания – из заданного первоначально количества импульсов с приходомочередного импульса вычитается единица. Когда счетчик полностью обнулится, наего выходе "<0" (МС DD1) появляетсялогический ноль, который, воздействуя на БУИУ, отключит нагрузку. Загрузказначений в счетчик производится параллельным способом, путем подачисоответствующего двоичного значения на входы D0- D4, и логического нуля на один из входовразрешения загрузки Е.

Рис.

Тактовыеимпульсы подаются на счетный вход +1 микросхемы DD4. Блокдешифраторов подключается к выводам 1-2-4-8 каждой из микросхем.

Для построениясчетчика была использована микросхема К555ИЕ6, что позволило обойтись всегочетырьмя микросхемами без каких либо дополнительных элементов. Цоколевкамикросхемы показана на рис.

Рис.

Микросхемапредставляет собой реверсивный двоично-десятичный счетчик. Импульсныетактовые входы для счета на увеличение +1 (вывод 5) и на уменьшение -1 (вывод 4) в этой микросхемераздельные. Состояние счетчика меняется по положительным перепадам тактовых импульсов отнизкого уровня к высокому на каждом из этихтактовых входов.

Для упрощения построения счетчиков с числом разрядов,превышающих четыре, микросхема имеет выводы окончания счета на увеличение (">9", вывод 12) и науменьшение ("<0", вывод13). От этих выводов берутсятактовые сигналы переноса и заема для последующего и отпредыдущего четырехразрядногосчетчика. Дополнительной логики припоследовательном соединении этих счетчиков не требуется: выводы ">9" и"<0" предыдущеймикросхемы присоединяются к выводам "+1" и "-1" последующей. По входамразрешения параллельной загрузки РЕ и сброса R запрещается действиетактовой последовательности и даются команды загрузки четырехразрядногокода в счетчик или его сброса.

Еслина вход "–1" подается импульсный перепад от низкого уровня к высокому,от содержимого счетчика вычитается 1. Аналогичный перепад, поданныйна вход +1, увеличиваетсчет на 1. Если для счетаиспользуется один из этих входов, на
другом тактовом входе следуетзафиксировать напряжение высокого логическогоуровня. Первый триггер счетчика не может переключиться, если на его тактовомвходе зафиксировано напряжение низкого уровня. Во избежание ошибок менятьнаправление счета следует в моменты, когда запускающий тактовый импульс перешел на высокий уровень,т. е. во время плоской вершины импульса.

На выходах ">9" и "<0"нормальный уровень—высокий. Если счет достиг максимума (цифра 9), с приходом следующего тактового перепада от высокого уровня к низкому на вход +1 (более 9) на выходе ">9" появится напряжение низкого уровня. После возврата напряжения натактовом входе "+1" к высокому уровню, напряжение на выходе">9" останется низкимеще на время, соответствующее двойной задержке переключения логическогоэлемента ТТЛ.

Аналогично на выходе"<0" появляется напряжение низкого уровня, если на вход "-1" пришелсчетный перепад низкого уровня. Импульсные перепады от выходов ">9" и "<0" служат, такимобразом, как тактовые для последующих входов "+1" и "-1" при конструировании счетчиковболее высокого порядка. Такиемногокаскадные соединения счетчиков ИЕ6 не полностью синхронные, поскольку на последующую микросхему тактовый импульс передается с двойной задержкойпереключения.

Если на вход разрешения параллельной загрузки Е (вывод 11) подать напряжение низкого уровня, то код,зафиксированный ранее на параллельных входахDO—D3 (выводы 15, 1, 10 и 9), загружается в счетчик и появляется на его выходах QO—Q3 (выводы 3, 2, 6 и 7) независимо от сигналов на тактовых входах. Следовательно,операция параллельной загрузки —асинхронная.

Параллельныйзапуск триггеров запрещается, если на вход сброса R (вывод 14) подано напряжениевысокого уровня. На всех выходах Q установится низкий уровень. Есливо время (и после) операций сброса и загрузкипридет тактовый перепад (от Н к В),микросхема примет его как счетный.

Счетчики К555ИЕ6 потребляют ток 34 мА. Максимальная тактовая частота 25 МГц. Времязадержки распространения сигнала от входа "+1" до выхода">9" 26 ns,аналогичные задержки от входа Е до выхода Q3составляют40 ns. Время действия сигнала сброса (от входа R до выходов Q) 35 ns.

На рис. , показана диаграмма работыдесятичного счетчика ИЕ6, где обозначены логические переходы сигналов присчете на увеличение и уменьшение. Кольцевой счет возможен в пределах 0...9, остальныешесть состояний триггерам запрещены. Составив определенную комбинацию входных сигналов, по табл. можно выбрать один из четырех режимов работы счетчика ИЕ6. Счетна увеличение здесь закончится привыходном коде ВННВ (9), на уменьшение — при НННН (0).

Рис.

Табл.

3) Блокиндикации.

Для индикации состояния СВВ былииспользованы семисегментные индикаторы типа АЛС324Б. Схема соединенияиндикаторов показана на рис.

Рис.

При конструировании устройства индикаторыустанавливаются на передней панели, слева направо, начиная с HL1. Стабисторы D1 и D2 служат дляпредотвращения перегрузки преобразователя кода. Принцип их действия заключаетсяв том что напряжение источника питания +5Vраспределяется между тремя сопротивлениями нагрузки и сопротивлениями D1 и D2, сопротивлением сегмента индикатора исопротивлением транзисторного ключа микросхемы. Поскольку суммарное падениенапряжения на сегменте индикатора и ключа микросхемы не должно превышать 2 –2,5 V (при этом ток через эти элементы будет впределах допустимого), в большинстве подобных схем раньше использовалсяограничительный резистор, который устанавливался в разрыв провода междумикросхемой и индикатором. При этом на каждый индикатор требовалось 7 такихрезисторов.

Установить один общий резистор мешала еголинейность, из–за которой, например, цифра 1 светилась очень ярко, а цифра 8 былапрактически не видна. Использование нелинейных элементов (стабисторов) позволило решить эту проблему. Благодаря нелинейной ВАХ падение напряжения на них остается практически постоянным, независимо от количества горящихсегментов, и поэтому яркость всех цифр одинакова. Применение такой схемыпитания индикаторов позволило отказаться от использования 28 резисторов.

2) Преобразователь кода.

Преобразователь кода предназначен дляперевода двоично – десятичного кода с выходов разрядов СВВ в код семисегментныхиндикаторов. Принципиальная схема этого блока показана на рис.

Рис.

Он состоитиз четырех специализированных микросхем этого КР514ИД1. На входы этих микросхемподается четырех разрядный двоично – десятичный код а выходы подключаются ксоответствующим разрядам индикатора. Как видно из схемы для управленияиндикатором применяется статический метод. Это позволило значительно упростить устройствоиндикации, хотя и потребовало использование большого количества соединительныхлиний. (28 штук).

Состояние выходов микросхемыКР514ИД1, сведены в таблицу.

Блоки управления

________________________________________________________________

1 ) Схемаобнуления.

Принципиальная схема блока обнуленияприведена на рис. Она состоит из 2 логических элементов DD1 и DD2 микросхемы К555ЛАЗ, причем элемент DD2 используется в качестве инвертора. Рассмотрим работу схемы.

Рис.

При первоначальном включении устройстваконденсатор С1 заряжается через резистор R1. При этом в течении некоторого времени(порядка 0,1 секунды), на входе 2 DD1 присутствуетлогический ноль. В результате на выходе этого элемента устанавливается(независимо от состояния входа 1) логическая единица. Она подается на входы R микросхем СВВ, в результате чего последний обнуляется. Элемент DD2 необходим, поскольку входы сброса СН, РЗ и БУПУ в отличие отаналогичных входов СВВ, инверсные. Клавиша «Сброс» клавиатуры подключаетсяпараллельно конденсатору С1, а импульс сброса от СВВ подается вход1. Это необходимо для того, чтобы время срабатывания схемы обнуления, котороескладывается с временем выдержки, было минимальным и не оказывало на негосущественного влияния .

После обнуления на выходе “окончание счета”СВВ и следовательно, на входе 1 DD1устанавливается логическая единица, если конденсатор С1 заряжен аклавиша «Сброс» не нажата то схема перейдет в режим ожидания. На выходе “сбросСВВ” установится логический ноль разрешающий его работу. Конденсаторы С2и С3 предназначены для предотвращения ложного срабатывания схемы из– за помех. Их емкость должны относиться между собой как (50 – 100) * С3 =С2, а максимальная емкость С2 выбирается так, чтобы времяее зарядки не оказывало заметного влияния на точность интервала выдержки.

2) Схема управления

Принципиальная схема этого блока приведена на рис.

Онпостроен на одном из триггеров микросхемы К555ТМ2 и трех логических элементахмикросхемы К555ЛА3. Характеристики этих микросхем были даны выше.

Блок предназначен для синхронного управления РЗ и ДПЗ. На вход “Тактовыеимпульсы” подаются импульсы с ТГ. Благодаря инвертору на элементе DD1 триггер переключается по спаду импульса.

Рис.

Дляблокировки работы блока и следовательно окончания загрузки чисел с клавиатурыиспользуется вход S триггера.

3) Исполнительное устройство.

Исполнительное устройство должно обеспечивать включение нагрузки на времявыдержки или по прошествии этого времени. Принципиальная схема этого блокапредставлена на рис.

Рис.

Светодиод HL1служит для индикации включения нагрузки. Помимо этого он, совместно с R1 выполняет роль делителя напряжения. С выхода этого делителячерез резистор R2 напряжение подается на базу транзистора VT1 и открывает его. Резистор R2ограничивает ток базы транзистора и, тем самым, предотвращает его влияние наБУИУ. Его сопротивление необходимо выбирать по возможности больше. В нашемслучае оно было подобрано экспериментально и равно 10 кОм. В коллекторную цепьтранзистора включается реле К1, которое своими контактами управляет нагрузкой.Диод VD1 необходим для замыкания токов самоиндукции,возникающих в обмотке реле при запирании транзистора. Тем самым онпредотвращает пробой транзистора, а также возникновение помех по цепи питаниямикросхем. Сопротивление резистора R1 выбраноэкспериментально, по приемлемой яркости свечения светодиода.

4) Блокуправления исполнительным устройством.

Блок управления исполнительным устройствомвыполняет следующие функции:

включает исполнительное устройство в начале интервала выдержки выключает исполнительное устройство после окончания выдержки отключает исполнительное устройство при нажатии на клавишу «Сброс» воспринимает нажатие на клавишу «Пуск» и подает сигнал управления на устройство блокировки.

Принципиальная схема этого блокаприведена на рис.

Рис.

На триггере DD1 построено устройство управления схемойблокировки. Вход D триггера подключается к третьему разряду CH. После четырех нажатий клавиш сюда подается логический ноль,разрешающий запуск отсчета времени. К входу С подключается клавиша «Пуск»клавиатуры. Когда эта клавиша не нажата, на С установлен логический нольблагодаря резистору R1. При нажатии на клавишу «Пуск» перепад 0–1на входе С разрешает запись информации (нуля) на выход триггера и, следовательноразрешает прохождение импульсов делителя частоты к СВВ.

Вход S подключается схеме обнуления параллельно входу обнуления СН. На элементах DD1 – DD5 собрано устройство контроля, управляющее нагрузкой. Послевключения устройства в сеть или нажатия на клавишу «Сброс» триггер DD5 устанавливается в нулевое состояние. На вход D при этом подается логическая единица. Эта единица такжеустанавливается и на одном из входов элемента DD2,выполняющего в данном случае электронного ключа. После разблокирования схемыблокировки первый перепад 0–1 появившийся на ее выходе, пройдет через элементы DD2, DD3 и диод VD2на вход с триггера. Триггер переключится в единичное состояние и подастлогическую единицу на исполнительное устройство. Логический ноль с егоинверсного выхода поступит на DD2 и запретит прохождение через него следующихимпульсов. В этом состоянии устройство будет находится до окончания счета, либодо нажатия на клавишу “Сброс”. По окончании счета логический ноль ссоответствующего выхода СВВ поступит на входы элемента DD4,играющего роль инвертора, и далее через VD1,на вход С триггера. Логический ноль со входа Dперепишется на выход триггера и отключит исполнительное устройство. Элементы VD1, VD2 и R2 представляютсобой простейший логический элемент ИЛИ. Их применение позволило отказаться отмикросхемы с элементами ИЛИ и обойтись имеющимися лишними элементами микросхемыК555ЛАЗ. Сопротивление резистора R2 подобраноэкспериментально и равняется 2,7 кОм.

Характеристики использованных микросхем К555ТМ2 и К555ЛА3 приведены выше.

Генераторное оборудование

________________________________________________________________

1) Тактовыйгенератор

Тактовыйгенератор является одним из основных элементов цифрового таймера. От точностиустановки частоты этого генератора зависит точность интервала выдержки.

Вцифровых таймерах применяют, как правило, высокостабильные кварцевыегенераторы, которые устанавливают в специальные термостатирующие устройства,поддерживающие постоянную температуру окружающей среды.

Точностьвоспроизведения заданного временного интервала зависит также от частотыгенератора. Чем она больше, тем больше коэффициент деления делителя частоты, иследовательно, тем больше делится значение погрешности установки частоты.

Кварцевыегенераторы можно классифицировать по различным признакам.

1. По способам повышениястабильности частоты:

- Простойбез дополнительных элементов, предназначенных для улучшения каких либо егопараметров.

- Термокомпенсированный кварцевый генератор, отклонение частоты которогоуменьшается с помощью специальной электрической цепи.

-Термостатированные кварцевые генераторы, элементы электрической цепи которогополностью или частично помещены в термостат для уменьшения влияния окружающейсреды.

2.По допустимойнестабильности частоты КГ можно разделить на 7 групп:

- менее 0,001*10-6

- (0,001…0,01)*10-6

- (0,01…0,1) *10-6

- (0,1…1) *10-6

- (1…10) *10-6

- (10…100) *10-6

Внутри каждой группы стабильности могутбыть различными. Целесообразно для унификации требований выбирать нестабильности по следующему ряду в одной группе: ±1;±1,5; ±2; ±2,5; ±3; ±5; ±7,5 и±10.

Обычно в кварцевых генераторах заклассификационную стабильность принимают температурнуюстабильность частоты в рабочем интервале температур.

3.По диапазону частот:

- низкочастотные (1 —1000 кГц);

- среднечастотные (1—30 МГц);

- высокочастотные (выше 30 МГц).

4. Элементной базе и способам конструирования:

- на дискретных элементах;

- гибридные с резонатором;

- гибридные с пьезоэлементом;

- интегральные с пьезоэлементом;

-интегральные на пьезоэлементе

Поскольку конструирование кварцевых генераторов сложно и дорого, в макететаймера был использован простой RC генератор на логическихэлементах микросхемы К555ЛА3.

Принципиальнаясхема этого генератора приведена на рис.

/>
Сам генератор собран на элементах DD1-DD3. Он представляет собой обычныйнесимметричный мультивибратор. Частота выходных импульсов зависит от значенийэлементов C1, R1, R2 ивычисляется по формуле

F = 1/(3*(R1+R2)*C1)

ЭлементDD4 используется в качестве буфера. Онпредотвращает влияние нагрузки генератора на частоту.

2) Делитель частоты.

Делительчастоты предназначен для получения длительностей импульсов большей, чемдлительность импульсов, вырабатываемых генератором. Он позволяет применятьгенераторы импульсов высокой частоты и тем самым значительно упрощаетпостроение последних. К тому же применение делителя позволяет повысить точностьвоспроизведения заданного временного интервала, т.к. относительная погрешностьустановим частоты тактового генератора делится на коэффициент деления делителяК, т.е. уменьшается в К раз. Как было сказано в предыдущей главе, припостроении макета использовался простейший тактовый генератор на частотупорядка 10Гц. Это позволило также упростить и делитель частоты применив в немвсего одну микросхему – двоично–десятичный счетчик К555ИЕ6.

Принципиальная схема делителя представлена на рис.

Рис.

На вход “+1” микросхемы подаются импульсы стактового генератора. Выход “8” подключается ко входу СВВ и БУПУ. Такая схемаделителя позволила полностью исключить схему блокировки. Ее роль исполняет самделитель. Как было сказано ранее, если на вход Rподать логическую единицу то на выходах 1–2–4–8 микросхемы установитсялогический ноль независимо от состояний остальных входов. Это означает, чтомикросхема блокируется и не реагирует на импульсы, поступающие на вход “+1”,т.е. не пропускает их.

В реальных таймерах делитель частотыстроится, как правило на коэффициент деления К = 105…107.В сочетании с высокостабильным кварцевым генератором это позволяет получитьочень точное значение выдержек. Например в электронных частотомерах интервалсчета в 1 секунду получают путем деления частоты кварцевого генератора 5 МГцна 5000000.

3) Устройствосигнализации.

Устройство сигнализации представляет собой простейший генератор прямоугольныхимпульсов, к выходу которого подключен микротелефонный капсюль. Схема показанана рис.

Рис.

Сам генератор собран на элементах DD1, DD2. Для управления подачей звуковых сигналаиспользуется один из входов элемента DD1. Включениегенератора осуществляется подачей на этот вход логической единицы. Элемент DD3 служит в качестве буферного. Он предотвращает влияниесопротивления капсюля на частоту генерации. Конденсатор С3 предотвращаетпротекание постоянного тока через капсюль при отсутствии генерации. Его емкостьвыбирается в пределах 0,01 – 0,1 мкФ, в зависимости от требуемой громкости итональности звучания. Резистор R1выводит элемент DD1 в линейный усилительный режим. Егозначение для элементов ТТЛШ рекомендовано 220 Ом конденсатор С1создает положительную обратную связь, необходимую для самовозбуждения схемы.Частота автогенерации, как сказано выше, равняется

F=1/(3*R1*C1)

При емкости конденсатора С1=1мкФ и сопротивлением R=220Ом частота генерации равняется

F=1/(3*220*10-6)=1500Гц

Список литературы

___________________________________________________

1. В.Л. Шило «Популярныецифровые микросхемы» М. 1989 г

2. Н. Н. Васерин «Применениеполупроводниковых индикаторов» М. 1991 г.

3. Ю. И. Степанов«Справочник по ЕСКД» К. 1975 г.

4. А. Уильямс «Применениеинтегральных схем» М. 1987 г.

5. С. А. Бирюков «Цифровыеустройства на интегральных микросхемах» М. 1991 г.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике