Измеритель частоты синусоидального сигнала

     3.1 Расчет конденсаторов индивидуальной развязки

 

     При проектировании цифровых схем необходимо учитывать импульсные помехи в цепях  питания, которые обусловлены, в  основном, кратковременным возрастанием токов потребления интегральных микросхем при переключении из одного логического состояния в другое и динамическими токами перезаряда паразитных емкостей сигнальных линий  связи. Уменьшение импульсных помех  в цепях питания достигается  применением индивидуальных конденсаторов  развязки. Идея применения конденсаторов  развязки для уменьшения импульсных помех заключается во введении для  каждой интегральной схемы источника  энергии, роль которых выполняют  конденсаторы с малой собственной  емкостью (как правило, керамические КМ5, К10-9). Эти конденсаторы в промежутках между переключениями микросхем заряжаются до номинального уровня напряжения источника питания, а во время переключения ИС из одного логического состояния в другое разряжается на небольшое значение напряжения, отдавая ток перезаряда переключаемой микросхеме. Другими словами, индивидуальные конденсаторы развязки позволяют локализовать протекание динамических токов потребления в рамках цепи микросхема – индивидуальный конденсатор развязки.

     Выбор емкости конденсаторов производится из условия равенства заряда, накопленного конденсатором между переключениями логического элемента, заряду, переносимому за время переключения. При этом напряжение на конденсаторе не должно превышать некоторого наперед заданного  значения, равного допустимой помехе по шине питания. Конденсаторы для подавления высокочастотных пульсаций в цепях питания размещают по площади печатной платы равномерно относительно микросхем из расчета один конденсатор емкостью 0,02 мкФ на группу, содержащую не более 10 микросхем. Для микросхем повышенной степени интеграции емкость увеличивают до 0,1 мкФ и устанавливают конденсаторы около каждой микросхемы. Из этих соображений взяты конденсаторы С1-С4 типа К10-9 номинальной емкостью 100 нФ ± 10%. С1-С4: К10-9 – 20 В – 100 нФ ±20% 

     Выбор конденсаторов групповой развязки по питанию.

     Из-за бросков тока в системе питания  могут возникать «медленные»  колебания напряжения. При правильно  спроектированной цепи питания (включение  больших электролитических конденсаторов) эти колебания носят затухающий характер. Для снижения низкочастотных пульсаций в шинах питания  применяют блокирующие конденсаторы, включаемые между выводами «питание»  и «земля» около разъема питания  печатной платы. Если же емкость выбрана  неправильно. В цепи могут достаточно долго идти колебания. С целью  предотвращения таких явлений включают электролитические конденсаторы большой  емкости. С7 и С8 – алюминиевые  электролитические К53-16, предназначены для подавления помех в цепях постоянного и пульсирующего тока. Их емкость – 10 мкФ.

     3.2 Расчет элементов входной цепи

 

     Водная  цепь устройства должна обеспечивать свободное прохождение переменной составляющей измеряемого сигнала  и при этом обеспечивать требуемый  режим работы.

     Постоянный  резистор R1 на входе прибора служит для задания токов, протекающих через ограничивающие диоды VD1 и VD2, т. е. значение номинала этого резистора определяет токи диодов в открытом состоянии. У выбранных диодов КД521Г максимально возможная величина протекающего через них тока в прямом направлении должна составлять не более 20 мА. Тогда максимальный ток через диод

       , (6)

     где I_пр – ток, протекающий через диод в открытом состоянии, А; U_max – наибольшее значение максимальной величины входного напряжения, В; U_пр – падение напряжения на открытом диоде, В; R1 – необходимое значение номинала ограничительного резистора.

     Можно вычислить R1

      , (7)

     При подстановке соответствующих числовых значений

      (Ом)

     Значение  резистора из стандартного ряда R1=500 Ом. Мощность, рассеиваемая резистором P_R1

     

     Численное значение

      (Вт)

     В качестве R1 берется металлопленочный резистор С2-33и, применение которого допускается на частотах, заданных в техническом задании.

     R1: C2-33и – 0,25 – 500 ±5%

     Резисторы R5 и R5 образуют простой делитель, напряжение в средней точке которого должно быть равно 2,5 вольт. С одной стороны, для уменьшения потребляемой мощности необходимо, чтобы значение этих резисторов были как можно больше. С другой стороны, ток, протекающий через делитель, должен быть много больше, чем токи через открытые диоды для обеспечения их необходимо величины. Обычно задаются током делителя в 5-10 раз больше тока открытого диода. Пусть ток делителя I_дел=100 мА, тогда

      (Ом)

     Мощность, рассеиваемая каждым резистором

      (Вт)

     Резисторы необходимо взять с запасом по мощности, а их номинал – из стандартного ряда.

     R2: С2-33и – 0,5 – 27 ±5%

     R5: С2-33и – 0,5 – 27 ±5%

     Так как источник измеряемого сигнала  и операционный усилитель в данном случае являются развязанными по постоянному  току, то необходимо предусмотреть  заземление входов. Резисторы R3 и R4 служат тем путем, по которому текут входные токи операционного усилителя. Значение их номиналов должно быть таким, чтобы падение напряжения на этих резисторах при протекании входных оков не вызывало ложного срабатывания компаратора. Минимальная чувствительность данного интегрального усилителя составляет U_см=5 мВ, а входные токи I_вх порядка 1,2 мкА. Значит, для оценки значения резисторов можно воспользоваться формулой

      (кОм)

     Номиналы  обоих резисторов выбираются из стандартного ряда.

     R3: С2-33и – 0,125 – 4,2 кОм ± 5%

     R4: С2-33и – 0,125 – 4,2 кОм ± 5%

     Входные конденсаторы С5 и С6 выбираем такими, чтобы постоянная времени входной  цепи (С5+С6)∙(R1+R3) была больше половины периода входного сигнала минимальной частоты. Из этих соображений выбираем С5 и С6 равными 150 мкФ.

     С5: К53-7– 15В – 150 мкФ ±20%

     С6: К53-7– 15В – 150 мкФ ±20%

     На  неинвертирующем входе операционного  усилителя могут наблюдаться  броски напряжения, наводиться импульсные помехи, а это, в свою очередь, будет  способствовать неустойчивой работе компаратора  и может приводить к ложным срабатываниям. Все эти явления  носят случайный характер и в  сильной степени зависят от условий  эксплуатации прибора и близости бытовых и индустриальных помех, но при этом могут оказать довольно сильное влияние на точность измерений  и их достоверность. Для устранения влияния этой причины неинвертирующий  вход операционного усилителя подсоединяется к земле через конденсатор  небольшой емкости С9. Этот конденсатор  играет роль источника постоянного  напряжения при коротких бросках тока. Номинал емкости этого конденсатора выбирается равным 50 нФ. С9: К10-9 – 16 В – 50 нФ ±20%

     Если  подача питающего напряжения не сопровождается достоверным сбросом (т.е. удержанием единичного уровня на входе RST в течении 24 периодов колебаний резонатора), то микро-ЭВМ может начать выполнение программы до того, как в регистры специальных функций будут занесены начальные значения. При этом нельзя гарантировать, корректность выполнения программы. Следовательно, микроконтроллер должен иметь цепи, обеспечивающие автоматическое формирование сигнала сброса при включении питания. Инициализация (сброс) микроконтроллера осуществляется сигналом RST (активный высокий уровень напряжения) при условии подачи на микросхему внешнего сигнала синхронизации при подключенном кварце. Вход RST является входом внутреннего триггера Шмидта. Для того, чтобы сброс микросхемы гарантированно произошел, длительность сигнала высокого уровня на входе RST должна быть не меньше двух машинных циклов микро-ЭВМ.

     При подаче питания на входе RST DD3 появляется напряжение высокого уровня. По сигналу  сброса внутренний алгоритм однокристального микроконтроллера производит следующие  действия:

• устанавливает счетчик команд PC и все внутренние регистры специальных функций, кроме защелок портов Р0 — Р3, указателя стека SP и регистра SBUF, в ноль;
• указатель стека принимает значение, равное 07Н;
• запрещает все источники прерываний, работу таймеров/счетчиков и последовательного порта;
• в регистрах специальных функций PCON, IP и IE резервные биты принимают случайные значения, а все остальные биты сбрасываются в ноль;
• в регистрах SBUF устанавливаются случайные значения;
• устанавливаются фиксаторы - защелки портов Р0 — Р3 в «1».

     Сигнал  сброса на входе RST не влияет на внутреннее ОЗУ данных. После включения питания содержимое ячеек внутреннего ОЗУ данных принимает случайные значения. Автоматическое формирование сигнала сброса при включении питания может быть достигнуто подсоединением вывода RST к шине питания через конденсатор С12 емкостью 10 мкФ и к общему проводу через резистор сопротивлением 8,2 кОм. При включении питания подобная цепь удерживает высокий уровень на входе RST в течении времени, которое зависит от емкости конденсатора С12 и уровня, до которого он заряжен. Практика показывает, что при включении питающее напряжение достигает своего номинального значения как правило, примерно за 10 мс. При использовании кварцевого резонатора с частотой 24 МГц оно не превышает обычно 1 мс. Следовательно постоянная времени RC-цепи, соединенной с выводом RST, должна превышать указанный временной интервал. При формировании сигнала сброса указанным способом резкое падение напряжения питания вызывает мгновенное понижение напряжение на выводе RST ниже 0. Однако в микро-ЭВМ есть ограничительные диоды, и эти броски напряжения не выводят ее из строя.

     С12: К10-9 – 20 В – 10 мкФ ±20%

     R6: С2-33и – 0,125 – 8,2 кОм ±5%

     Встроенный  тактовый генератор микроконтроллера представляет собой обычный инвертор, предназначенный для использовании  в качестве элемента с положительным резистивным сопротивлением в цепи обратной связи. Роль реактивного сопротивления играет кварцевый резонатор. Емкость конденсаторов С10, С11 особой роли не играет. При использовании кварцевого резонатора их рекомендуемые номиналы 30 пФ.

     С10, С11: К10-9 – 20 В – 30 пФ ±20%

     Номинал резистора R7 определяет ток семисегментных индикаторов, т.к. ток протекающий через этот резистор должен быть в 50 раз меньше тока выходных ключей регистра DD4. Номинальный ток индикаторов – 15мА, отсюда следует

      (Ом)

     Мощность, рассеиваемая на резисторе R7

      (мВт)

     Номинал резистора R7 выбирается из стандартного ряда

     R7: С2-33и – 0,125 – 16 кОм ±5%

     Конденсатор С13 – фильтрующий, против помех

     С13: К10-9 – 16 В – 50 нФ ±20%

     3.3 Расчет потребляемой мощности.

 

     Для того, чтобы можно было обеспечить проектируемый прибор подходящим источником электропитания, необходимо узнать мощность, которую данный прибор будет потреблять при своей работе. Эта мощность складывается из нескольких основных составляющих.

• Во-первых, это мощность, которая рассеивается при протекании тока через постоянные резисторы. Это бесполезно расходуемая мощность, которая рассеивается в окружающее пространство и выделяется в виде тепла.
• Во-вторых, это мощность, потребляемая как семисегментными индикаторами, так и светоизлучающими диодами. Эта энергия идет на излучение в видимой части электромагнитного спектра и позволяет пользователю измерительного прибора судить о результатах измерения.
• В-третьих, это мощность, которая потребляется интегральными микросхемами во время своей работы. Значение этой мощности приведено в соответствующих справочниках, а при отсутствии этих данных ее можно рассчитать исходя из значений потребляемого тока и напряжения питания.

     Мощность, рассеиваемая резисторами.

 

     Резисторы R2, R5 образуют делитель напряжения, и через них протекает постоянный ток, определяемый напряжением питания и номиналами этих резисторов

      , (8)

     где P_R – мощность, рассеиваемая резистором, Вт; U_R – напряжение на резисторе, В; R – сопротивление резистора, Ом.

     Мощность  на резисторе R2

      (Вт)

     Мощность, выделяемая на резисторе R5, также равна 0,23 Вт.