Устройство для сбора и регистрации информации

Перечень элементов.spw

Устройство для сбора
и хранения информации
К50-15-25В-2000мкФ -20 +50% ОЖО.460.061 ТУ
К50-15-25В-100мкФ -20 +50% ОЖО.460.061 ТУ
К561КП2 бКО.348.741 ТУ
К140УД17 бКО.348.045 ТУ
К1113ПВ1 бКО.348.741 ТУ
К142ЕН5А бКО.347.098 ТУ
К142ЕН6А бКО.347.098 ТУ
К561CA1 бКО.348.4578 ТУ
К1564ЛА1 бКО.348.4578 ТУ
К1564ЛЕ1 бКО.348.4578 ТУ
К537РУ10 бКО.348.4578 ТУ
К176ИЕ1 бКО.348.4578 ТУ
К1564ЛИ1 бКО.348.4578 ТУ
К561ИЕ8 бКО.348.4578 ТУ
К561ТМ2 бКО.348.4578 ТУ
К1564ЛН1 бКО.348.4578 ТУ
CП5-2-200 Ом ± 5% ОЖО. 468.5067ТУ
CП5- 2 - 20 кОм ± 5%.ОЖО 468.5067ТУ
ОМЛТ-0.125- 20 кОм ± 10%.ОЖО 467.107 ТУ
ОМЛТ-0.125- 15 кОм ± 10%.ОЖО 467.107 ТУ
ОМЛТ- 0.125 -10 МОм ± 10%. ОЖО 467.107 ТУ
ОМЛТ-0.125-75 кОм ± 10%.ОЖО 467.107 ТУ
КД512А ТУ ТТ3.362.107 ТУ
РГ-05-14БВ-32768 Гц-М1-В 0.336.065 ТУ

Чертеж A1.cdw

курс. раб. вар 3.docx

Задание на курсовую работу
Спроектировать устройство для сбора и хранения информации:
- количество измерительных каналов 6
- напряжение на выходах первичных преобразователей напряжения 020 мВ
- период опроса каждого измерительного канала ..10 мс
- время сбора информации .6 с
- разрядность с учетом контрольного разряда .. .10
- включение ИИС: 0-24 ч с периодом в 2 ч
- выдача информации через 10 мин после окончания измерений по запросным сигналам ЭВМ
- питание: сеть ~220 В 50 Гц.
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ4
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКОЙ И ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЕ ПО ТЕМЕ:6
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ8
ВЫБОР И РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ10
1 Расчёт многоканального АЦП.10
3. Расчет блока управления.15
4. Выбор источника питания17
ИС – интегральная схема;
ОУ – операционный усилитель;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ТЗ – техническое задание;
ПИП – преобразователь измеряемого параметра;
КР – контрольный разряд;
БЗУ – буферное запоминающее устройство;
ИИС – информационно-измерительная система
Рассмотренное в данной работе устройство предназначено для сбора и хранения информации и представляет собой информационно-измерительную систему. Устройство может использоваться для экспериментальных исследований какого-либо объекта или среды. Устройство может быть использовано например для исследования воздушной среды (влажность атмосферы скорость ветра и т.д.) жидкой среды (температура концентрация солей состав среды и т.д.) твёрдой среды (изменения температуры и другие параметры).
Основными целями курсовой работы являются:
-закрепление теоретических знаний по дисциплине “Схемотехника”
-приобретение навыков анализа электрических принципиальных схем расчёт режимов работы элементов и решения других схемотехнических задач
-приобретение навыков по решению вопросов проектирования электронных устройств.
Аналитический обзор технической и периодической литературе по теме:
Схемотехника электронных средств: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальностей 220500 200800 210100 Сост. Лаврентьев Б.Ф. – Йошкар-Ола: МарГТУ 2003.
Изложены основные задачи и содержание курсовой работы по схемотехнике ЭС приведены требования к оформлению его расчётно-пояснительной записки и графической части. Подробно рассмотрена методика расчёта информационно-измерительной системы.
Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие Под ред. С.В. Якубовского.-М.: Радио и связь 1985.
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник Под ред. С.В. Якубовского.-М.: Радио и связь 1990.
Приводятся классификация условные обозначения основных типов ИС и их корпусов. Рассмотрены структурные схемы и принцип действия всех основных типов базовых логических элементов (ТТЛ ЭСЛ КМОП И2Л) комбинационных устройств микросхем памяти микропроцессоров аналоговых ИС и др. Приведены их основные параметры и особенности применения. Издание 1990 г. Содержит данные о новых сериях ИС.
Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных средств: Учебное пособие. – Йошкар-Ола: МарГТУ 2003.
Рассмотрена элементная база электронных приборов. Приведены основные принципы построения аналоговых импульсных и цифровых устройств. Особое внимание уделено запоминающим устройствам и преобразователям информации микропроцессорным комплектам и устройствам.
Лаврентьев Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Уч. пособие.-Йошкар-Ола МарГТУ 2001.
Рассмотрена элементная база электроники. Изложены принципы построения аналоговых и импульсных электронных устройств. Основное внимание уделено операционным усилителям и устройствам на их базе. Рассмотрены также основные устройства цифровой электроники.
Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника; Учебник для вузов Под ред. О.П. Глудкина.-М.: Радио и связь 1996.
Рассмотрена элементная база полупроводниковой электроники характеристики устройств основные схемы включения и особенности применения. Изложены принципы построения типовых аналоговых импульсных и цифровых устройств. Подробно рассмотрены расчет синтез и анализ устройств с заданными техническими характеристиками.
Анализ технического задания
Устройство для сбора и регистрации информации является многоканальным. Каждый измерительный канал содержит первичный преобразователь предназначенный для преобразования измеряемого параметра в физическую величину удобную для измерения.
В состав ИИС входят четыре устройства: многоканальное АЦП буферное запоминающее устройство (БЗУ) блок управления и блок питания (рис.1).
Рис.1. Структурная схема устройства
Блок управления каждые 2 часа формирует сигнал «начало цикла» который устанавливает в «0» счетчик адреса БЗУ а также формирует операцию запись в БЗУ (=0) и импульсы запуска FАЦП.
АЦП последовательно в течение 6 секунд преобразует 6 аналоговых сигналов в цифровой 9-ти разрядный код формирует контрольный разряд и передает все 10 разрядов в БЗУ для записи и регистрации. Запуск БЗУ производится импульсом «конец преобразования» с АЦП.
После заполнения всего БЗУ (или части БЗУ) с выхода счётчика адреса выдаётся сигнал «Конец цикла измерений» который поступает в блок управления где формирует операцию «Считывание из БЗУ» (WR=1) и запускает схему задержки.
Через 10 минут после окончания цикла измерений схема задержки запускает «Схему управления выдачей в ЭВМ» которая по запросным сигналам от ЭВМ выдаёт из БЗУ в ЭВМ всю хранимую в БЗУ информацию.
После выдачи всей информации с БЗУ формируется сигнал «Конец цикла измерений» и всё устройство переходит в режим ожидания прихода следующего сигнала «Начало цикла». Временная диаграмма работы устройства представлена на рис.2
Выбор и расчёт элементной базы и принципиальной схемы
1 Расчёт многоканального АЦП.
Многоканальное АЦП предназначено для последовательного преобразования в двоичный код входных аналоговых сигналов. Многоканальное АЦП содержит аналоговые ключи прецизионные усилители счётчик каналов и АЦП. Расчёт сводится к выбору элементной базы и расчёту усилителя.
В качестве аналоговых ключей используем микросхему серии К561СА1 в качестве прецизионных усилителей выберем ОУ типа К140УД17 в обратную связь которых нужно поставить обязательно прецизионные резисторы например С2-14. Разрядность не превышает 10 поэтому в качестве АЦП выберем микросхему К1113ПВ2 у которой преобразуемое напряжение лежит в пределах 0-10 В. Количество ОУ в зависимости от общего коэффициента усиления будет один или два.
Так как количество датчиков равно 6 то необходимо последовательно коммутировать их. Это реализуем с помощью аналоговых ключей К561КП2. Датчики будут подключаться через разъем c входа D1 – D6 а коммутация реализуется через счетчик DD6 считающий от 1 до 6 импульсы от сигнала «Увеличение адреса” из БЗУ.
Напряжение на выходе первичных преобразователей UВХ изменяется в пределах от 0 до 20 мВ количество каналов m=6. Время опроса каждого датчика ТОПР=10 мсек.
Принципиальная электрическая схема многоканального АЦП приведена на рис. 3 временная диаграмма его работы – на рис.4.
1 Расчет многоканального АЦП
Подсчитаем коэффициент усиления измерительного тракта:
КОБЩ = UВЫХ UВХ = 10 20 *10 –3 = 500 где UВЫХ – максимальное входное напряжение АЦП; UВЫХ = 10В для однополярного сигнала.
где К1 и К2 - соответственно коэффициенты усиления первого и второго каскадов усилителя.
Примем К1=50 тогда К2=10.
По характеристикам датчиков примем входное сопротивление усилителя RВХ =10 кОм. Тогда R1=10 кОм
R4 = К1* R1 = 500 кОм
Для второго каскада усилителя также примем R5=R6=10 кОм. Тогда R7=К2* R3=100 кОм. Для возможности подстройки усиления возьмем R7=110 кОм.
Величину резистора на выходе DA3 примем 2кОм (для УД17). В качестве этого резистора выбираем подстроечный резистор R8 и постоянный резистор R9. Обычно R8 01*R9 R9 =2 кОм
В качестве R8 применяется подстроечный резистор который обеспечивает подстройку коэффициента усиления К1 усилительного каскада примерно на 5%.
Подсчитаем частоту опроса АЦП fАЦП:
fАЦП = m TОПР =6 001= 600 Гц где m – количество измерительных каналов TОПР – время опроса каждого канала.
Сигнал опроса представляет собой импульс прямоугольной формы низкого уровня длительностью ТАЦП >TОБР.К БЗУ где
TОБР.К БЗУ – время обращения к БЗУ
ТАЦП - рассчитывается после расчета БЗУ.
Для получения контрольного разряда к выходу АЦП подключается ИС К561СА1 DD1. Дифференцирующая цепочка C1R11 и ИС DD7.4. формирует сигнал «Конец преобразования». Время преобразования для ИС К1113 составляет 30 мксек.
Рис. 3.Схема многоканального АЦП.
Рис.4. Временная диаграмма работы многоканального АЦП.
В качестве счетчика DD6 выберем К176ИЕ1. Напряжение питания которого составляет +5В потребляемая мощность 200 мкВт.
DA1 – К561КП2. Напряжение питания +5В потребляемая мощность 50 мкВт.
DA2DA3 – К140УД17 напряжение питания двуполярное ±15В ток потребления 5мА.
DA4 – АЦП К1113ПВ2. Напряжения питания 15 В ток потребления 20мА.
DD1 – К561СА1. Напряжение питания +5В потреблемая мощность 50 мкВт.
DD7.1-DD7.4 – К1564ЛИ1 4 логических элемента 2И-НЕ. Напряжение питания +5В потребляемая мощность 5 мкВт.
Буферное ЗУ предназначено для записи хранения и выдачи измеряемой информации. В соответствии с ТЗ время сбора информации ТСБОРА=6 сек. Тогда при частоте опроса АЦП fАЦП=600 Гц количество ячеек памяти (количество измерений) будет равно
N= fАЦП*ТСБОРА=3600.
Разрядность с учетом контрольного равна 10.
БЗУ можно построить на статических ИС серии К537РУ. Для проектируемого устройства в БЗУ используем 2 микросхемы К537РУ10 с совмещёнными информационными шинами.
Для работы БЗУ необходимо сформировать адрес А сигнал выборкиCS сигнал операцииWR. Примерная принципиальная схема БЗУ приведена на рис. 5. Счетчик адреса на 3600 чисел включает ИС DD8 DD9 и DD2.
Схема управления БЗУ включает в себя триггер DD11.1 DD11.2 и распределитель импульсов DD10.
Рис. 5. Схема буферного запоминающего устройства
В исходном состоянии триггер DD11.1 находится в состоянии «0» на входе R DD10 будет «1» и счётчик распределитель DD10 установлен в «0».
В момент прихода с АЦП сигнала «Конец преобразования» триггер DD11.1 устанавливается в состояние «1» и счётчик DD10 начинает считать тактовые импульсы fТИ.
На выходе DD10 формируется последовательность тактовых импульсов (0-8) которая формирует управляющие сигналы:CS строб увеличение адреса БЗУ. Девятый импульс последовательности устанавливает триггер DD11.1 в исходное состояние (на входе R DD10 будет «1»).
Рис. 6. Временная диаграмма работы БЗУ
Весь цикл обращения к БЗУ составляет максимум 10 периодов частоты fТИ т.е. время записи в БЗУ (ТБЗУ) равно ТОБР К БЗУ = 10 fТИ.
Например если fТИ =32768 Гц то ТОБР К БЗУ = 10 32768= 305 мксек.
Подсчитаем длительность импульса запуска АЦП ТАЦП:
ТАЦП >ТПРЕОБР. АЦП + ТОБР К БЗУ =30 мксек + 305 мксек =335 мксек для fТИ=32768 Гц.
Примем ТАЦП =1 fАЦП =16 мсек Т1
Для формирования ТАЦП можно использовать одновибратор на триггере или на таймере. Информационные выходы БЗУ и импульс «Строба» через разъем SX2 подключены к ЭВМ.
В качестве счетчика адреса DD8 DD9 используем К176ИЕ1 напряжение питания которого составляет +5В потребляемая мощность 200 мкВт.
DD4DD5 – К537РУ10. Напряжение питания которых +5В ток потребления - 20 мА.
DD10 – К561ИЕ8. Напряжение питания +5В поиребляемая мощность 1 мВт.
DD11.1- DD11.2 – К561ТМ2. Напряжение питания +5В ток потребления - 3 мА.
DD2- К1564ЛА1 два логических элемента 4И-НЕ.
DD3.1- DD3.2 – К1564ЛЕ1 четыре элемента 2ИЛИ-НЕ. напряжение питания +5В потребляемая мощность 3 мкВт.
DD20.1-DD20.4 – К1564ЛИ1 четыре логических элемента 2И-НЕ. напряжение питания +5В потребляемая мощность 3 мкВт.
DD21.2 – К1564ЛН1 шесть логических элементов НЕ. напряжение питания +5В потребляемая мощность 3 мкВт.
3. Расчет блока управления.
Блок управления предназначен для формирования сигналов «Начало цикла» «Запуск АЦП» «Выдача в ЭВМ» «WR» а также для формирования времени задержки. Возможная схема блока управления и временная диаграмма его работы приведены на рис.7 и рис 8.
Здесь в качестве генератора импульсов использована ИС К176ИЕ12 триггер DD19.1 формирует сигнал записи–чтения WR и запускает схему задержки.
ИС DD14 и DD19.2 формирует задержку 10 мин Через 10 минут после окончания цикла измерений схема задержки запускает «Схему управления выдачей в ЭВМ» которая по запросным сигналам от ЭВМ выдаёт из БЗУ в ЭВМ всю хранимую в БЗУ информацию.
ИС DD22.2 – одновибратор который формирует сигнал запуска АЦП. Длительность импульса определяется по формуле:
ТАЦП =069* R16C5=16 мсек
Возьмем R16=100 кОм C5=23 нФ.
DD12 13 – К176ИЕ12 генератора импульсов
DD17.1-17.3 – К1564ЛИ1 четыре логических элемента 2И-НЕ
DD18.1-18.2 – К1564ЛА1 два логических элемента 4И-НЕ
DD19 22 – К561ТМ2 два D-триггера
DD21- К1564ЛН1 шесть логических элементов НЕ.
Рис.7 Схема блока управления.
Рис.8 Временная диаграмма работы блока управления
4. Выбор источника питания
Данное устройство имеет два напряжения питания U1=5В и U2=±15В. Блок питания состоит из двух стабилизаторов напряжения.
Для определения токов потребления для каждого стабилизатора напряжения составим следующую таблицу.
Стабилизатор напряжения на 5 и 15 вольт представлен на следующем рисунке:
Рис.9 Схема стабилизатора напряжения на микросхеме К142ЕН5А на 5В и на микросхеме 142ЕН6А на ±15В.
Справочные данные микросхемы К142ЕН5А:
Uвх=7.5 15В; Uвых=4.9 5.1В; Iн=3А; Iпотр=10мА; КнI=3%.
Исходя из справочных данных и таблицы 1 удостоверяемся что IпотрIн 43 мА3000мА.
С6: К50-16-25В-2000мкФ
С10: К50-16-25В-100мкФ
Справочные данные микросхемы К142ЕН6А:
Uвх= -30 +30В; Uвых=14.7 15.3В; Iн=2А; Iпотр=7.5мА; КнU=0.1%; КнI=0.0015%.
Условие IпотрIн 675мА2000мА выполняется.
С7 С8: К50-16-25В-2000мкФ
С9С13 : КМ-6-Н90-20нФ
С11 С12: К50-16-25В-100мкФ
В качестве диодного моста в обоих случаях применяем диодный мост КЦ 412А.
В соответствии с рассчитанными стабилизаторами выяснили что вторичные обмотки трансформатора должны иметь напряжения U1=10В и U2=35В со средним выводом. Токи вторичных обмоток: I1=1А I2=0.5А.
При выполнении работы были закреплены теоретические знания в области проектирования электронных устройств.
Результатом работы явилась структурная схема а также разработанная по ней схема электрическая принципиальная. Также были приобретены навыки анализа принципиальных схем расчётов режима работы элементов и решения других схематических задач.
Схемотехника электронных средств: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальностей 220500 200800 210100 Сост. Лаврентьев Б.Ф. – Йошкар-Ола: МарГТУ 2003. – 24 с.
Лаврентьев Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Учебное пособие. – Йошкар-Ола: МарГТУ 2001
Опадчий Ю.Ф. Глудкин О.П. Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Радио и связь 1996. – 768с.
Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных средств: Учебное пособие. – Йошкар-Ола: МарГТУ 2003. – 288 с.
Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник Под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь 1989. - 496с.
Аналоговые и цифровые микросхемы Справочное пособие – М.: Радио и связь 1984. – 432с.