Изучение и расчёт генератора тактовых импульсов

Министерство образования и науки

Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

Уральский государственный

горный университет»

 

 

А. П. МАРУГИН

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания по курсовой работе

Для студентов очного и заочного обучения специальности

21.05.04 (130400.65) «Горное дело», специализации « Электрификация и автоматизация горного производства»

Екатеринбург

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

 

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

 

ОДОБРЕНО

Методической комиссией

Горно - механического факультета

«___» ____________ 2015 г.

Председатель комиссии

проф. В. П. Барановский

 

 

А.П. Маругин

 

Физические основы электроники

 

Методические указания по курсовой работе

для студентов очного и заочного обучения направления подготовки

21.05.04 (130400.65) «Горное дело», специализации

« Электрификация и автоматизация горного производства»

 

 

 

Издание УГГУ Екатеринбург, 2015

 

М 25

Рецензент: Х.Б. Юнусов, канд. техн. наук, доцент кафедры ЭГП ФГБОУ ВПО УГГУ

 

Методические указания рассмотрены на заседании кафедры электрификации горных предприятий 19.05.2015г. (протокол № 6) и рекомендованы для издания в УГГУ

Маругин А. П.

Физические основы электроники: методические указания по курсовой работе для студентов специальности 21.05.04 (130400.65) – "Горное дело" специализации «Электрификация и автоматизация горного производства», / А. П. Маругин. Уральский государственный горный университет. − Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2015.− 15 с.

 

 

Методические указания устанавливают объем и порядок выполнения курсовой работы по дисциплине «Физические основы электроники». Приведены краткая теория выполняемых расчетных и графических работ и необходимые справочные материалы.

 

©Уральский государственный

горный университет, 2015

© Маругин А.П., 2015

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………4

1. Изучение и разработка цифровых счетчиков импульсов………………….4

1.1. Цель работы……………………………………………………………..4

1.2. Счётчики импульсов……………………………………………………5

1.3. Методические указания………………………………………………..5

2. Изучение и расчёт генератора тактовых импульсов……………………….7

2.1. Цель работы……………………………………………………………..7

2.2. Содержание расчётного задания………………………………………8

2.3. Методические указания……………………………………………….8

3. Расчёт стабилизатора напряжения……………………………………...…..10

3.1. Цель работы……………………………………………………………..10

3.2. Содержание расчётного задания………………………………………10

3.3. Методические указания……………………………………………….11

4. Приложения…………………………………………………………………..13

Библиографический список……………………………………………………14

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью выполнения курсовой работы является формирование у студентов базовой подготовки в области преобразователей напряжения, генераторов частоты, импульсных схем для микропроцессорных контроллеров и их интерфейсов, датчиков и других средств, на которых должно основываться изучение систем управления электроприводами в специальных дисциплинах.

Курсовая работа состоит из трёх заданий: изучение и разработка цифровых счетчиков импульсов, изучение и расчёт генератора тактовых импульсов, расчёт стабилизатора напряжения.

В процессе освоения данной дисциплины студент формирует и демонстрирует следующие компетенции:

- готовностью приобретать новые знания, использовать различные средства и технологии обучения (ОК-6);

- готовностью к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-11);

- способностью графически отображать геометрические образы изделий и объектов электрооборудования, схем и систем (ПК-12).

Данная работа рассматривается как продолжение курса «Физические основы электроники» и предназначена для изучения наиболее совершенной элементной базы современных средств автоматики.

1. Изучение и разработка цифровых счетчиков импульсов

 

1.1. Цель работы

 

1.1.1. Изучить схему и принцип действия цифровых счетчиков импульсов, генератора тактовых импульсов и стабилизатора напряжения.

1.1.2. Рассчитать количество триггеров схемы, исходя из емкости счётчика, соответствующей варианту задания.

1.1.3. Разработать схему счётчика, исходя из варианта: а) с обратными связями; в) со схемой И. Схемы разработать в трёх вариантах: 1) структурную; 2) электрическую принципиальную на счётчиках ТТЛ; 3) электрическую принципиальную на счётчиках МОП.

1.1.4. Рассчитать ток, потребляемый схемой счётчика с ТТЛ микросхемами, необходимый для расчета стабилизатора напряжения.

1.1.5. Дать описание работы схем и обоснование выбора схемы триггера.

1.1.6. Рассчитать схему генератора тактовых импульсов по данным соответствующего варианта.

1.1.7. Рассчитать схему стабилизатора напряжения.

1.2. Счётчики импульсов

1.2.1. Содержание расчётного задания

Выполнить расчёт и разработку схемы цифрового счетчика импульсов. Варианты исходных параметров для расчета приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Варианты исходных параметров для расчёта счётчика импульсов

Номер варианта	Емкость счётчика	Номер варианта	Ёмкость счётчика

 

1.3. Методические указания

 

Счетчик – устройство, выполненное на основе цепочки триг­геров, осуществляющее счет импульсов и хранящее это число в двоичном коде. Основными параметрами счётчиков являются разрядность n и коэффициент (модуль) счёта К. Разрядность определяется числом двоичных разрядов (триггеров), а модуль счёта К – общим числом импульсов, поданных на вход.

Основу счетчиков составляют триггеры, включаемые в счетном режиме (Т-триггеры). Каждый триггер образует соответствующий разряд счетчика. В дальнейшем символом Q₀ будем обозначать младший, символом Q_n-1 – стар­ший разряд счетчика, где n – общее число разрядов. Максимальное количество импульсов, суммируемых счётчиком, определяется уравнением N =2 ⁿ.

Выпускаемые промышленностью счётчики имеют максимальный коэффициент деления (КД) 64. В задании во всех вариантах КД больше, поэтому потребуется несколько счётчиков, включенных последовательно. При этом заданный КД получают умножением коэффициентов деления счётчиков с подходящими значениями КД. Счётчики с нужными параметрами можно подобрать изучив их данные, приведённые в справочниках [1, 7, 8] или учебниках [2, 3, 6].

Например, задан КД=120. Это число можно получить из двух чисел 10 и 12, или трёх: 10, 3 и 4.

Рассмотрим асинхронный двоичный суммирующий счетчик на основе JK – триггеров, работающих по заднему фронту импульса на входе С (рис. 1.1, а). Вход С каждого последующего триггера подключается к прямому выходу триггера предыдущего разряда.

Считаем, что в начальный момент времени счетчик находится в нулевом состоянии. Триггер младшего разряда изменяет свое состояние синхронно с задним фронтом каж­дого счетного импульса Х _с, поступающего на его вход С (рис.1.1, в). Триггеры вто­рого и последующих разрядов счетчика реагируют на задний фронт выходных импульсов Q _0, Q ₁, Q₂, Q ₃ с инверсных выходов предыдущих разрядов. При этом каждый импульс Х_с вызывает увеличение содержи­мого счетчика на одну единицу до тех пор, пока не произойдет пере­ход всех разрядов в состояние «1», то есть 15 = 2⁴.

Счетчики, выпускаемые промышленностью, выполняют в виде интегральных микросхем, например К176ИЕ1 (шестиразрядный двоичный счетчик), К176ИЕ2 (пяти­разрядный счетчик), К155ИЕ4 (счетчик-делитель на 12). МикросхемыК176ИЕ8и К561ИЕ8 – десятичные счетчики-делители.

Схема структурная и схема электрическая принципиальная, разработанные в соответствии с заданием, должны быть выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 2.710-81. Условные обозначения элементов схем даны в справочниках [1, 7, 8] и учебниках [2, 3].

 

Рис. 1.1. Структурная схема асинхронного двоичного суммирующего счетчика (а), JK –триггер в Т – режиме (б), временные диаграммы работы счётчика (в)

 

В работе, в дополнение к разработанным схемам, необходимо привести описание работы схем, описание параметров счётчиков и принципа их работы, произвести расчёты мощности потребляемой счётчиками схемы.

 

Изучение и расчёт генератора тактовых импульсов

 

2.1. Цель работы

 

2.1.1. Изучить схему и принцип действия мультивибратора с коллекторно-базовыми конденсаторами.

2.1.2. Получить навыки расчета импульсных схем на примере схе­мы автоколебательного мультивибратора.

2.2. Содержание расчетного задания

2.2.1. Выполнить расчет схемы мультивибратора. Варианты исходных параметров для расчета приведены в таблице 2.1 и указываются преподавателем.

2.2.2. Выполнить расчет ключевого режима работы транзисторов,
указанных в таблице П.1 приложения. Необходимые, для расчета, параметры транзисторов приведены в таблице 1 методических указаний [5].

 

2.3. Методические указания

 

2.3.1. Ключевой режим работы транзистора.

Основой сложных импульсных схем являются транзисторные ключи. Транзистор­ным ключом называют схему, основное назначение которой состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью управляющих вход­ных сигналов. Качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, когда транзистор открыт до насыщения, мини­мальным током в разомкнутом состоянии, когда транзистор полностью закрыт, и скоростью перехода из од­ного состояния в другое.

Мощность, рассеиваемая транзистором в режиме отсечки, рассчитывается по формуле:

Р _отс = Е _к× I _кбо, (2.1)

 

где I _кбо – обратный ток с коллектора на базу, I _кбо – взять из паспортных данных своего транзистора; Е _к = Е _пит – указаны для всех вариантов в таблице 2.1.

Мощность, рассеиваемая транзистором в режиме насыщения,

Р _нас = I _кн× U _кэн, (2.2)

где U _КЭН – падение напряжения на транзисторе в режиме насы­щения; I _кн – ток коллектора в режиме насыщения.

(2.3)

 

Средняя мощность, рассеиваемая транзистором за время прямого и обратного переключений,

 

, (2.4)

 

где t _Ф – длительность фронта (длительность обоих фронтов считаем одинаковой); Т – период колебаний, рассчитываемый по уравнению Т = t _и1+ t _и2.

 

Таблица 2.1