Курсовой. Разработка цифрового измерителя частоты
 Скачать 313 Kb.
|
Задание на курсовую работу по дисциплине«Электроника и микросхемотехника»Тема: Разработка цифрового измерителя частоты По исходным данным, приведенным в табл.3 и 4, требуется: 1. Разработать структурную схему цифрового измерителя частоты. Описать работу устройства. 2. Разработать принципиальную схему устройства. Описать данную схему, построить временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип действия устройства. 3. Произвести расчет элементов устройства. 4. Описать используемые для построения устройства интегральные микросхемы. Привести их справочные данные. Требования к оформлению работыОформленная курсовая работа должна содержать пояснительно-расчетную записку с приложением необходимых схем и рисунков. Структура пояснительно-расчетной записки: 1) данные задания; 2) описание структурной схемы устройства; 3) описание принципиальной схемы устройства с использованием временных диаграмм; 4) расчет элементов устройства; 5) описание использованных интегральных микросхем; 6) список литературы. Пояснительно-расчетная записка оформляется на листах формата А4 с рамкой (титульный лист без рамки) и сшивается скрепками или нитками. Пояснительно-расчетная записка должна быть написана от руки. В процессе расчета величин и параметров элементов необходимо сначала привести расчетную формулу, затем подставить цифровые значения и полученный результат в принятых единицах измерения (СИ) округлить до практически необходимого номинального значения. Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов следует выбирать по номинальной шкале значений (табл.1). Рисунки, графики, схемы могут быть выполнены на миллиметровке. На принципиальной схеме необходимо указать номиналы резисторов и конденсаторов, тип полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем. Все элементы принципиальной схемы должны быть изображены в соответствии с государственными стандартами на условные графические обозначения: ГОСТ 2.743-82, ГОСТ 2.759-82, ГОСТ 2.708-81. Методические указания к выполнениюкурсовой работы Измеритель частоты электрических сигналов На рис. 1 представлена структурная схема устройства для измерения частоты переменных электрических сигналов. В состав устройства входят усилитель (1), триггер Шмитта (2), элемент «логическое умножение» (элемент «И») (3), двоично-десятичный счетчик (4), регистр (5), дешифратор (6), цифровой индикатор (7), генератор прямоугольных импульсов (генератор цикла измерения) (8), инвертор (9) и дифференцирующие цепи R1C1, R2C2. Для измерения частоты выполняется подсчет числа периодов входного сигнала за эталонный интервал времени. Чем выше частота сигнала, тем большее количество периодов будет зафиксировано. Для обеспечения высокой точности измерения эталонный интервал выбирается намного большим, чем период измеряемого сигнала.  Рис.1. Структурная схема измерителя частоты Рассмотрим работу устройства более подробно. Предположим, что генератор вырабатывает импульс высокого уровня. Фронт импульса через дифференцирующую цепь R1C1 поступает на вход «сброс» счетчика, приводя к обнулению последнего. Импульс высокого уровня поступает также на один из входов элемента «И». Это разрешает прохождение входных импульсов на вход «счет» счетчика. Усилитель и триггер Шмитта предназначены для преобразования переменного входного сигнала в импульсы стандартного уровня. В течение действия на выходе генератора напряжения высокого уровня (в течение эталонного интервала времени) счетчик подсчитывает количество периодов входного сигнала. После появления на выходе генератора напряжения низкого уровня подсчет входных импульсов прекращается, а на вход «запись» регистра через дифференцирующую цепь R2C2 поступает короткий импульс высокого уровня. При этом содержимое счетчика записывается в регистр. С помощью дешифратора полученный двоично-десятичный код, соответствующий частоте входного сигнала, преобразуется в семисегментный код, необходимый для управления цифровым индикатором. В течение действия на выходе генератора следующего импульса высокого уровня выполняется новый цикл измерения и т.д. При разработке измерителя частоты в качестве индикатора использовать светодиодный семисегментный индикатор на три знакоместа (три цифры) (см. Приложение). Длительность эталонного интервала времени (длительность выходных импульсов генератора) выбирать в соответствии с выражением  ,где fmax – максимальная частота диапазона измерения; k – значащая цифра максимальной частоты диапазона измерения. Пример. Выбрать длительность эталонного интервала времени для диапазона измерения частоты: 2 – 20 кГц. В измеряемом диапазоне значащая цифра максимальной частоты равняется двум, т.е. k = 2. Определим длительность эталонного интервала  .Расчет генератора прямоугольных импульсов В качестве генератора прямоугольных импульсов (генератора цикла измерения) рекомендуется использовать автоколебательный мультивибратор на биполярных транзисторах (рис.2), генератор на операционном усилителе (рис.3) или на логических элементах (рис.4). Тип генератора выбирается в соответствии с вариантом задания (табл.4). Исходные данные для расчета генератора: период Т, скважность Q и уровень (ТТЛ или КМОП) выходного сигнала.  Рис.2. Автоколебательный мультивибратор на транзисторах Расчет автоколебательного мультивибратора на транзисторах. 1. Выбираем напряжение источника питания Е. Если мультивибратор работает совместно с ТТЛ-микросхемами, принимаем Е=+5 В. Если же в разрабатываемом устройстве применяются КМОП-микросхемы, выбираем Е=+9 В. 2. Выбираем сопротивление коллекторных резисторов. Если требуется КМОП-уровень, принимаем R1=R4=(10-20) кОм. Для обеспечения ТТЛ-уровня выбираем R1=R4=(1-2) кОм. 3. Определяем максимальный коллекторный ток транзисторов  .4. Выбираем тип транзисторов. Необходимо, чтобы параметры выбранного транзистора удовлетворяли следующим требованиям Uкэ доп>Е, Iк доп>Iк max , fгр >10/T, где Uкэ доп – допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Iк доп – допустимый коллекторный ток, fгр – граничная частота коэффициента передачи по току. Параметры транзисторов приведены в справочниках по полупроводниковым приборам [4,5]. Рекомендуется выбирать маломощные высокочастотные транзисторы. Параметры некоторых транзисторов представлены в Приложении к данным методическим указаниям. 4. Определяем длительность импульсов (tи) и пауз между импульсами (tп)  , , .5. Выбираем емкости конденсаторов С1 и С2  ,где Ск – емкость коллекторного перехода транзистора (для высокочастотных транзисторов Ск=5-10 пФ), См – емкость монтажа (См=10-20 пФ). Определяем длительность фронта выходных импульсов  .Проверяем выполнение условия  .Если данное условие не выполняется, выбираем меньшую емкость конденсатора С2. 6. Рассчитываем сопротивления базовых резисторов  , .После расчета сопротивления резисторов следует выбрать ближайшие значения из стандартного ряда сопротивлений (табл.1). 7. Проверяем выполнение условий насыщения транзисторов  , ,где h21э min – минимальное значение коэффициента передачи по току для выбранного транзистора. Если хотя бы одно из условий не выполняется, необходимо или выбрать транзистор с большим коэффициентом передачи по току, или выбрать большую емкость конденсаторов С1, С2 и рассчитать заново сопротивления R3, R2. Таблица 1 Стандартный ряд сопротивлений
Расчет генератора на операционном усилителе. На рис.3 представлена схема генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе. Для получения однополярных импульсов стандартного уровня в состав генератора входит транзисторный ключ. Рассмотрим методику расчета генератора. 1. Определяем длительность импульсов (tи) и пауз между импульсами (tп) , , .2. Выбираем тип операционного усилителя (ОУ). При этом учитываем быстродействие ОУ. Необходимо, чтобы выполнялось условие  ,где Vu вых – максимальная скорость изменения выходного напряжения ОУ, Uвых max – максимальное выходное напряжение ОУ. Параметры операционных усилителей приведены в справочной литературе [1,4]. Параметры некоторых ОУ представлены в Приложении к данным методическим указаниям. 3. Определяем допустимый выходной ток операционного усилителя  ,где Rн min – минимальное сопротивление нагрузки, которое разрешается подключать к данному ОУ (определяется по справочнику). 4. Рассчитываем элементы делителя R3, R4. Выбираем ток делителя  .Выбираем коэффициент передачи делителя . Рекомендуется принять =0,30,7. Во избежание выхода из строя операционного усилителя необходимо выполнить условие  ,Uдф вх max – максимальное дифференциальное входное напряжение ОУ. Определяем сопротивления резисторов R3, R4  , . Рис.3. Генератор прямоугольных импульсов на операционном усилителе 5. Выбираем емкость конденсатора С1  ,где См – емкость монтажа (См=10-20 пФ). 6. Определяем сопротивления резисторов R1 и R2  , .Если хотя бы одно из сопротивлений резисторов R1, R2 превышает 100 кОм, необходимо выбрать большую емкость конденсатора С1 и рассчитать заново сопротивления R1, R2. 7. Выбираем напряжение питания Е1 и сопротивление коллекторного резистора R6. Для получения импульсов стандартного ТТЛ-уровня принимаем Е1=+5 В, R6=12 кОм. Если требуется КМОП-уровень выбираем Е1=+9 В, R6=1020 кОм. 8. Выбираем тип транзистора VT1. Необходимо, чтобы параметры выбранного транзистора удовлетворяли следующим требованиям Uкэ доп>Е1, Iк доп>Iк max=E1/R6, fгр >10/T, где Uкэ доп – допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Iк доп – допустимый коллекторный ток, fгр – граничная частота коэффициента передачи по току. 9. Определяем сопротивление резистора R5, исходя из условия насыщения биполярного транзистора  ,где h21э min – минимальное значение коэффициента передачи по току для выбранного транзистора, S=1,53 – коэффициент насыщения транзистора. 10. Выбираем тип полупроводниковых диодов VD1-VD3. Проверяем выполнение условия  ,где tвос – время восстановления обратного сопротивления для выбранного диода (определяется по справочнику). Расчет генератора прямоугольных импульсов на логических элементах. Схема генератора представлена на рис.4. Рассмотрим методику расчета генератора при использовании ТТЛ-микросхем (серии К133, К155) или ТТЛ-Ш микросхем (серии К555, К1531, К1533). Типовые значения основных параметров микросхем данных серий приведены в табл.2. 1. Выбираем сопротивления резисторов R1, R2  ,  ,где U0 – уровень логического нуля; Iвх0 – входной ток логического элемента (ЛЭ) в состоянии логического «0»; Uп+ – допустимая статическая помеха на нулевом уровне (помехозащищенность снизу).  Рис.4. Генератор прямоугольных импульсов на логических элементах 2. Определяем длительность импульсов (tи) и пауз между импульсами (tп) , , .3. Рассчитываем емкость конденсаторов  , ,где U1 – уровень логической единицы; Uп– – допустимая статическая помеха на единичном уровне (помехозащищенность сверху); rвых1 – выходное сопротивление ЛЭ в состоянии логической «1». Таблица 2 Параметры ТТЛ и ТТЛШ-микросхем
4. Выбираем тип полупроводниковых диодов. Проверяем для выбранного диода выполнение условия  ,где tвос – время восстановления обратного сопротивления диода. Параметры диодов приводятся в справочной литературе [4]. Рекомендуется выбирать импульсные маломощные диоды. входной усилитель Входной усилитель предназначен для увеличения входного сигнала до уровня логической единицы цифровых микросхем. Предлагается реализовать входной усилитель на базе операционного усилителя (рис.5). Благодаря неинвертирующей схеме включения операционного усилителя, обеспечивается высокое входное сопротивление разрабатываемого измерительного устройства.  Рис.5. Входной усилитель Для защиты входной цепи операционного усилителя от высокого синфазного сигнала в схеме применяется двухсторонний амплитудный ограничитель на стабилитронах VD1, VD2 и резисторе R3. В соответствии со структурной схемой измерительного устройства нагрузкой усилителя является триггер Шмитта (цифровая микросхема). Полупроводниковый диод VD4 предназначен для защиты входа триггера Шмитта от отрицательного напряжения, а диод VD4 – от высокого положительного напряжения. Расчет входного усилителя. Рассмотрим методику расчета входного усилителя. 1. Определяем требуемый коэффициент усиления по напряжению  ,где Uвхm – амплитуда входного напряжения; U1 –уровень логической единицы для выбранного типа цифровых микросхем (для ТТЛ-микросхем U1 =(2,4–5)В, для КМОП-микросхем U1 =(8,4–9)В). 2. Выбираем тип операционного усилителя (ОУ). При этом учитываем быстродействие ОУ. Необходимо, чтобы выполнялось условие  ,где частота единичного усиления ОУ, fmax – максимальная частота диапазона измерения. Параметры операционных усилителей приведены в справочной литературе [1,4]. Параметры некоторых ОУ представлены в Приложении к данным методическим указаниям. 3. Выбираем сопротивление резисторов R2 и R4  , ,где Rнmin – минимальное сопротивление нагрузки для выбранного операционного усилителя. 4. Определяем сопротивление резистора R1  .5. Выбираем сопротивление резистора R3 R3=(1-2)кОм. 6. Выбираем тип полупроводниковых стабилитронов по условию  ,где Uвхm – амплитуда входного напряжения; Uст – напряжение стабилизации стабилитрона;Uсф вх max – максимально допустимое синфазное входное напряжение операционного усилителя. Параметры стабилитронов приведены в справочной литературе [4]. Параметры некоторых стабилитронов представлены в Приложении к данным методическим указаниям. 7. Выбираем напряжение Е1 Е1=+5 В (при использовании цифровых ТТЛ-микросхем); Е1=+9 В (при использовании цифровых КМОП-микросхем). 8. Выбираем тип полупроводниковых диодов VD3, VD4 по условию  ,где tвос – время восстановления обратного сопротивления диода, fmax – максимальная частота диапазона измерения. Параметры диодов приводятся в справочной литературе [4]. Параметры некоторых диодов представлены в Приложении к данным методическим указаниям. Рекомендуемая литература
Таблица 3
Таблица 4
Примечания. * БТ – генератор на биполярных транзисторах (автоколебательный мультивибратор), ОУ – генератор на операционном усилителе, ЛЭ – генератор на логических элементах. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||