Устройство управления на базе мультиплексора

                                                               

                                                               ВСТУП 

          Виконання комплексного курсового проекту сприяє кращому  розумінню та закріпленню усіх раніш  набутих знань по таким дисциплінам, як:

1) Мікросхемотехніка;

2) Основи конструювання, технологія  виготовлення та ремонт ВЕТ;

3) Радіоелектроніка;

4) ТЕМК;

       Курсовий  проект необхідний для того, щоб  вміло приймати самостійні рішення  щодо розробки функціональної схеми, вибору серії ІМС, розробки принципової схеми, розробки друкованої плати. Хоча завдання можуть бути подібними, але внаслідок втілення творчих ідей, всі схеми та пристрої абсолютно індивідуальні.

       Так як на сьогоднішній день більшою популярністю користуються зарубіжні ІМС, а вітчизняні складають обмежену кількість, то у курсовому проекті будуть використані цифрові пристрої на базі зарубіжних аналогів ІМС. Згідно технічного завдання комплексного курсового проекту розробляється пристрій керування на базі мультиплексора. Завдання орієнтовано на використання ІМС типу ТТЛ, ТТЛШ, КМОН(серії зарубіжних аналогів 74, 74S, 176). Вибір конкретної серії виконується самостійно з урахуванням наступних вимог:

       1)Частоти;

       2)Енергоспоживання;

       3)Швидкодії.

       За  допоиогою вибранної серії ІМС, розробляється принципова електрична схема, яка дає детальний опис принципу роботи прилада. На основі схеми будуються часові діаграми, які підтверджують правильність роботи схеми.

       Для високого рівня працездатності пристрою та довговічності, курсовий проект передбачає також розрахунок надійності даного пристрою.

                                                  

                                           

                                             

1 СПЕЦІАЛЬНА  ЧАСТИНА 

     1.1 Розробка функціональної схеми 

           Функціональна схема визначає основний склад виробу та його функціональні частини, їх призначення та взаємозв’язки. Також функціональна схема пояснює процеси, які відбуваються у даному пристрої. Цією схемою користуються при побудові принципової схеми, а також при наладці виробу, ремонті та експлуатації.

    1 – генератор на основі операційного  підсилювача;

    2 – старт-стопний пристрій;

    3 – вузол індикації роботи;

    4 – кон’юнктор;

    5 – двійковий лічильник;

    6 – восьмиканальний мультиплексор  

        Рисунок 1.1 – Функціональна схема пристрою  
 
 

    Після надходження стартового сигналу, пристрій виробляє команди в паралельному коді на виході. Команда змінюється з надходженням кожного наступного тактового імпульса. Тактові імпульси будуть синхронізовані зі стартовим сигналом. Коли пристрій знаходиться у стані „ввімкнено”, то світодіод буде випромінювати, тим самим показуючи роботу пристроя.  
 
 
 

       1.2 Вибір серії ІМС 

       Для проектування цифрового пристрою необхідно  обрати потрібну серію ІМС. При цьому необхідно брати до уваги такі фактори, як швидкодія, струм споживання та потужність, а також індивідуальні особливості та параметри різних серій ІМС.

       По  типу ІМС поділяють на: РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, КМОН.

       Характерною особливістю ІМС КМОН є низьке енергоспоживання. Перевага елементів КМОН – висока стійкість до перешкод, а недолік – відносно мала швидкодія. Значення тактової частоти у пристроях, реалізованих на ІМС типу КМОН – повинно бути 1...5 МГц.

             Елементи ТТЛ характеризуються більш високою швидкодією, ніж елементи КМОН, але мають значно більше енергоспоживання. В свій час дуже велике розповсюдження отримали мікросхеми серії 155, які можуть використовуватися в пристроях з тактовою частотою до 10 МГц.

       Використання  елементів ТТЛШ дозволяє отримати високу швидкодію та помірне вживання потужності(енергоспоживання, по відношенню до елементів ТТЛ, зменшується в 5...6 разів).

       Вибір конкретної серії мікросхем, придатної  для пристрою, який проектується, здійснюється виходячи зі значень частоти генератора, а також споживаного струму й потужності. Для цього проводимо попередню оцінку енергоспоживання пристрою. Виходячи з функціональної схеми, визначаємо орієнтовний склад і кількість мікросхем. Згідно завданню , і використовуючи довідкові дані, вибираємо тип ІМС ТТЛШ серій: К555КП15, К555ИЕ7, К555ЛИ1, К555ЛА3. На наступних етапах проектування виконуємо більш точні розрахунки експлуатаційних параметрів цифрового пристрою.

    Вітчизняна  ІМС серії К555КП15, представляє  собою мультиплексор – селектор. Зарубіжний аналог SN74152N. Букви вназві означають: SN – фірма виробника; остання буква N означає, що корпус в мікросхеми пластмасовий. Число виводів корпуса складає чотирнадцять. Даний мультиплексор – селектор (в УГП позначається MS) SN74152N восьмиканальний, з трьома адресними шинами. Напруга живлення складає 5 В(Uж), струм живлення 10 mA(Iж), час затримки сигнала 45 нс(t_затр).

    Вітчизняна  ІМС К55ИЕ7 має зарубіжний аналог SN7493AJ(N), що представляє собою двійковий лічильник, число виводів якого чотирнадцять. Останні букви AJ означають, що діапазон робочих частот складає: від – 0 градусів до +70 градусів за Цельсієм. Основні технічні характеристики: час затримки сигнала 70 нс, струм живлення 30 mA.

    Також була використана ІМС К555ЛА3, зарубіжний аналог LS7400. ІМС LS7400 містить в собі чотири елемента І – НЕ. Перші букви LS означають, що мікросхема малого енергоспоживання з елементами шотки. Основними технічними показниками є: час затримки сигнала 20 нс та струм живлення 4,4 mA.

    ІМС операційного підсилювача К154УД3, зарубіжний аналог якої AD504L. Використання такої мікросхеми було визначено згідно завданню, за її технічними характеристиками. Перші букви AD у назві ІМС містять назву виробника; остання буква L означає, що ця мікросхема з елементами шотки. Основними параметрами є: напруга живлення 5 – 8 В, струм живлення 7 mA, час затримки сигнала 50 нс. Тип корпуса AD504L ТО – 99, а число виводів корпуса складає 8, але два з них не використовуються.                                                

         
 
 

       1.3 Розробка принципової схеми пристрою 

    Принципова  схема визначає повний склад елементів  і зв’язки між ними й дає  детальний опис про принцип роботи приладу. На ній зображують всі електричні елементи або вузли пристроїв, необхідні для здійснення й контролю у приладі заданих електричних процесів, всі електричні зв’язки між ними, а також елементи якими закінчуються вхідні й вихідні ланцюги.

    Принципова  схема проектованого цифрового  пристрою розробляється на основі функціональної схеми з урахуванням вибору конкретної серії ІМС.

    Моя схема пристрою керування на базі мультиплексора була смодельована в  спеціалізованій програмі Electronics Workbench. 
 

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Рисунок 1.2 – Принципова схема пристрою 
 
 
 
 
 
 

       1.4 Вибір генератора на основі операційного підсилювача(ОП) 

    Для побудови та синтезу генератора на основі операційного підсилювача був  використаний операційний підсилювач, який найбільш точно відповідав заданим  параметрам. В першу чергу увага  була сконцентрована на споживчому струмі(Іmax), на частоті(F), а також важливу роль грає напруга живлення(Uж).

    Частота генератора на основі ОП розраховується за допомогою наступної формули:                                           

                                   (1.1)

                           

                                                     

    Рисунок 1.3 – Схема генератора на основі операційного підсилювача 

    Операційний підсилювач зазвичай називають підсилювачем постійного струму, який має коефіцієнт підсилювання за напругою вище тисячі. Поява напівпровідникових ОП у вигляді інтегральних схем привело до того, що ОП дуже швидко став найбільш широко застосовуваним.

    Схема релаксаційного генератора на основі ОП зображена на рисунку 1.2. У мультивібраторі ланцюг ПОС виконаний на основі резистивного дільника R2,R3, а ланцюг ООС складається з пасивного інтегратора R1,C1

       Перевага – висока надійність, відносно низька ціна, простота виконання, високий коефійієнт підсилення.

       Недоліки – обмежений діапазон частот (до 1 МГц). 
 

       1.5 Вибір стартстопного пристрою

    У даному випадку стартстопний пристрій виконується у вигляді схеми подавлення дріб’язгу за допомогою тригера. Для побудови схеми знадобиться два елемента Шеффера (І – НЕ). Таким умовам відповідає інтегральна схема К555ЛА3, що відповідає зарубіжному аналогу мікросхеми LS7400. 

                       

       Рисунок 1.3 – Схема подавлення дріб’язгу

       Такого  виду стартстопний пристрій необхідний для того, щоб сигнали на виході вийшли як можна точнішими. 
 
 
 

       1.6 Вибір індикації 

    У пристрої передбачено застосування світлодіодної індикації. Світлодіод підключається таким способом: напряму, через резистор на джерело живлення. Коли струм протікає через світлодіод він загоряється. При цому обов’язкове розрахування опору резистора, таким чином, щоб світлодіод яскраво випромінював.

       При підключенні елементів світло індикації до виходу ІМС враховується їх навантажувальна спроможність. У тому разі, якщо струм, який споживається елементом світлоіндикації, перевищує максимально допустиме значення, застосовується резистор, підбираючи його опір, можемо регулювати яскравість  освітлення світодіода. На рис. 1.4 зображена схема індикації роботи пристрою: 

                                              

                                                  

    Рисунок 1.4 – Схема світлоіндикації 

    Для побудови схеми індикації роботи пристрою використаємо світлодіод типу АЛ307А, такі світлодіоди використовуються спеціально для цифрових схем. Вони випромінюють у видимому діапазані червоним кольором. Для індикації роботи пристрою доречне використання світлодіоду саме червоного кольору. Так як зазвичай для людей звично спостерігати, при включенні побутових пристроїв, саме червоне свічення. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1.7 Вибір двійкового лічильника

    Лічильником називають функціональний вузол, послідовнісного типу, який необхідний для лічби сигналів. Він підраховує імпульси, які надійшли на його вхід і відповідно зберігає інформацію про кількість імпульсів. За мірою надходження вхідних сигналів лічильник почергово перебирає свої стани відповідно до даної схеми.

    Відповідно  до завдання візьмемо двійковий чотирьох розрядний лічильник серії К555ИЕ7(відповідний зарубіжний аналог SN7493AJ).Такий лічильник має число виводів корпуса – 14.

       Таблиця 1.1- Стани лічильника 

                                                       Reset in  |  Output

                                           --------------------------

                                        RO1  RO2  |  Qd Qc Qb Qa