Электронный секундомер

     СОДЕРЖАНИЕ 

Вступление 5

1 Выбор основных элементов блока 6

1.1 Выбор упрощенной структурной схемы блока 6

1.2 Выбор элементов генератора импульсов 8

1.3 Выбор элементов собственно цифрового блока 11

1.4  Выбор элементов узла индикации Ошибка! Закладка не определена.

2. Расчет схемы индикации Ошибка! Закладка не определена.

3. Разработка и описание работы блока Ошибка! Закладка не определена.

3.1 Описание работы генератора импульсов Ошибка! Закладка не определена.

3.2 Описание работы собственно цифрового блока Ошибка! Закладка не определена.

3.3 Описание работы узла индикации 21

3.4 Описание работы блока в целом Ошибка! Закладка не определена.

Выводы Ошибка! Закладка не определена.

Литература Ошибка! Закладка не определена. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вступление 

     Схемотехника узлов и устройств АСПТГИ является инженерной дисциплиной, которая изучает основы построения и современные технические решения в области схемотехники узлов и цифровых устройств, которые используются в  компьютеризованных издательских системах и комплексах.

     В данной работе разрабатывается блок электронного секундомера.

     Секундомер  – прибор для измерения промежутков  времени (в секундах и долях секунды, минутах, часах); механические или электронные  часы с кнопочно-рычажной системой для пуска и остановки механизма и возврата указателя (стрелки, цифрового индикатора) в исходное положение [1].

     Заданием  работы является разработка электронного секундомера с индикацией на цифробуквенных индикаторах (на светоизлучающих диодах),  с ручными запуском и остановкой, и диапазоном измерения времени 0-59 секунд. Механические секундомеры не всегда удобны в использовании, например не всегда можно отчетливо распознать секунды и доли секунд, которые он показывает. С электронными секундомерами такой проблемы не возникает, так как цифробуквенные индикаторы обеспечивают яркие и крупные, по сравнению с механическими секундомерами, изображения единиц времени. Основными преимуществами электронных секундомеров являются небольшие (удобные, компактные) габариты, наличие автономного источника питания и стабильность показателей. Актуальность электронных секундомеров заключается в том, что это неотъемлемая вещь в быту, технике, спорте и т.д. В полиграфии секундомеры также нашли применение, например в измерении вязкости краски, клея, гладкости бумаги, в измерении времени закрепления (пленкообразования) краски, загона клея, экспонирования (иногда), а также в разных испытаниях полиграфических материалов.

 

1. Выбор основных элементов блока
1. Выбор упрощённой структурной схемы блока

 

              При разработке структурной схемы электронного секундомера будем исходить из назначения устройства, условий его работы, заданных параметров и технических требований к устройству. Структурная схема секундомера определяется основными требованиями: точность измерения, стабильностью питания, экономией энергии питания, удобства пользования. Составим структурную схему цифрового секундомера.

     Вариант данной курсовой работы предусматривает  разработку электронного секундомера  с ручным запуском и остановкой, диапазоном измерения времени 0-9 секунд и индикацией на ЦБИ на светоизлучающих диодах, проще говоря электронный секундомер должен подсчитывать единицы секунд при ручном управлении.

     Структурная схема электронного секундомера  в данном случае будет состоять из трех основных узлов: управляемого генератора серии импульсов, узла счетчика и  узла индикации.

     Для данного блока электронного секундомера  генератор серии импульсов должен быть управляемым. Данное управление мы совершим, подключивши  кнопку фиксации, посылающей при нажатии её на вход генератора сигнал логической единицы, и управляемый генератор вырабатывает серию импульсов. Необходима еще одна кнопка для установки узла счетчика в нулевое состояние. Её необходимо подключить к входам R установки счетчиков в ноль. 

     Для выполнения данных операций узел счетчика состоит из одиного счетчика импульсов - двоично-десятичного, основное функциональное назначение которого – счет импульсов. Данный счетчик представляет собой счетчик единиц секунд. К нему подключается кнопка для установки в нулевое состояние. Счетчик подает сигнал текущего кода (пропорциональный длительности времени поступления импульсов) на схему индикации, состоящую из одного цифро-буквенного индикатора на светоизлучающих диодах. Двоично-десятичный счетчик совмещен с дешифратором для 7-ми сегментного цифробуквенного индикатора ЦБИ, который управляется соответствующим дешифратором, формирующий сигнал возбуждения сегмента ЦБИ. Проще излагая, через дешифратор проводиться связь счетчика с ЦБИ, входящий в схему индикации серии импульсов. Кроме того в схему входят резисторы и конденсаторы, но на структурной схеме они не изображаются.

        Упрощенная структурная схема блока представлена в Приложении 1. 
 
 

1.2. Выбор элементов генератора импульсов 

     Управляемый генератор серии импульсов с частотой их следования 1Гц выполняется по схеме мультивибратора на логических элементах ИЛИ-НЕ согласно литературному источнику [2, с.148].

     Данный  генератор серии импульсов можно  спроектировать, используя логические элементы 2ИЛИ-НЕ и 2И-НЕ. В качестве элемента 2ИЛИ-НЕ можно использовать микросхему ЛЕ1 серии К155(ТТЛ) и К555(ТТЛШ) согласно источнику литературы [3]. Для рационального выбора между двумя микросхемами воспользуемся общим критерием сравнения качества – средней работой переключения А.

     Микросхемы  серии К155ЛЕ1 и К555ЛЕ1 имеют следующие  параметры: 

 

     Сравнение интегральных микросхем по средней  работе переключения  - А.

     К155ЛЕ1:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (16 · 10^-3 А + 27 · 10^-3 А)/2 = 21,5 · 10^-3 А = 21,5 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 21,5 · 10^-3 А = 107,5 · 10^-3 Вт = 107,5 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (15 · 10^-9 с + 22 · 10^-9 с)/2 = 18,5 · 10^-9 с = 18,5 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 107,5 · 10^-3 Вт · 18,5 · 10^-9 с = 1988,75 · 10^-12 Дж. 

     К555ЛЕ1:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (3,2 · 10^-3 А + 5,4 · 10^-3 А)/2 = 4,3 · 10^-3 = 4,3 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 4,3 · 10^-3 А = 21,5 · 10^-3 Вт = 21,5 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (20 · 10^-9 с + 20 · 10^-9 с)/2 = 20 · 10^-9 с = 20 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 21,5 · 10^-3 Вт · 20 · 10^-9 с = 430 · 10^-12 Дж. 

     По  обобщенному критерию сравнения  средней работы переключения А интегральная схема К555ЛЕ2 является лучшей, поэтому именно она будет использоваться в качестве элемента управляемого генератора.

     В качестве элемента 2И-НЕ можно использовать микросхему ЛА3 серии К155(ТТЛ) и К555(ТТЛШ) согласно источнику литературы [3]. Для  выбора между двумя микросхемами необходимо использовать также как  и для выбора между элементами 2ИЛИ-НЕ, общий критерий сравнения качества – среднюю работу переключения А.

     Микросхемы  серии К155ЛАЗ и К555ЛАЗ имеют  следующие параметры:

 

     Сравнение интегральных микросхем по средней  работе переключения  - А.

     К155ЛАЗ:

     І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (8 · 10^-3 А + 12 · 10^-3 А)/2 = 10 · 10^-3 А = 10 мА;

     Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 10 · 10^-3 А = 50 · 10^-3 Вт = 50 мВт;

     t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (15 · 10^-9 с + 22 · 10^-9 с)/2 = 18,5 · 10^-9 с = 18,5 нс;

     А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 50 · 10^-3 Вт · 18,5 · 10^-9 с = 925 · 10^-12 Дж.

     К555ЛАЗ:

     І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (1,6 · 10^-3 А + 4,4 · 10^-3 А)/2 = 3 · 10^-3 = 3 мА;

     Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 3 · 10^-3 А = 15 · 10^-3 Вт = 15 мВт;

     t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (20 · 10^-9 с + 20 · 10^-9 с)/2 = 20 · 10^-9 с = 20 нс;

     А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 15 · 10^-3 Вт · 20 · 10^-9 с = 300 · 10^-12 Дж. 

     По  обобщенному критерию сравнения  средней работы переключения А интегральная схема К555ЛАЗ является лучшей, поэтому именно она будет использоваться в качестве элемента управляемого генератора.

  
 

1.3. Выбор основных элементов собственно цифрового блока 

    Согласно  заданию диапазон измерения времени  становит 0 – 9 секунд. Управляемый генератор вырабатывает серию импульсов с частотой в 1 Гц с периодом 1 с, поэтому цифровой блок счетчика секунд в данном случае можно построить на двоично-десятичном счетчике. Для данного счетчика мы используем микросхему ИЕ2. Это четырехразрядный двоично-десятичный счетчик. Он выполняет подсчет непосредственно секунд. Счетчик состоит из четырех комбинированных триггеров типа JK. Как основные элементы двоично-десятичного счетчика можно использовать микросхемы ИЕ2 серии К155 или К555 согласно источнику литературы [1]. Такие счетчики используют для подсчетов импульсов и для руководства семисегментными цифробуквенными индикаторами. Счетчик – делитель частоты совмещен с дешифратором.

      Для того, чтобы выбрать из этих микросхем наиболее подходящую, воспользуемся общим критерием сравнения качества – средней работой переключения А.