Структурная схема и алгоритм работы цифрового регистрирующего прибора

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

 

Методические указания

 

по выполнению РГР

для курсантов

факультета электромеханики и радиоэлектроники

 

Одесса - 2011

 

Цифровые устройства. -

Методические указания по выполнению курсового проекта - Одесса. Одесская национальная морская академия, 2011. – 28 с.

 

Составители: В.А.Бойко, С.Н. Дранчук

 

 

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой морской электроники В.А.Завадский, кандидат технических наук, профессор.

 

 

© Одеська національна морська академія

Общая структура и порядок выполнения РГР

Содержание РГР

Цель РГР - приобретение навыков проектирования цифровых и логических схем, как основных узлов судовых управляющих и контролирующих систем.

Эта цель достигается путем самостоятельной разработки курсантом цифрового регистрирующего прибора для судовой аппаратуры, основанного на комбинационных логических схемах. В ходе курсового проектирования курсант должен разработать структурную схему и алгоритм работы цифрового регистрирующего прибора, выбрать необходимый тип интегрального АЦП, разработать преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код, синтезировать схему индикации и блока задания верхней и нижней границ измерения.

РГР проект включает в себя пояснительную записку, структурную схему регистрирующего прибора и принципиальные схемы разрабатываемых узлов цифровой части регистрирующего прибора.

Пояснительная записка состоит из: титульного листа (приложение А), бланка технического задания (приложение Б), содержания, основной части, выводов по проделанной работе и списка используемой литературы.

Основная часть пояснительной записки состоит из: раздела 1, содержащего описание структурной схемы цифрового регистрирующего прибора и алгоритма его работы; раздела 2, содержащего разработку аналоговой части цифрового регистрирующего прибора и выбор требуемого АЦП; раздела 3, содержащего разработку преобразователя двоичного кода АЦП в двоично-десятичный код; раздела 4, содержащего разработку блока индикации прибора; раздела 5, содержащего разработку блока задания границ контролируемой величины; раздела 6, содержащего разработку блока управления на основе мультиплексоров или дешифраторов; раздела 7, содержащего разработку блока управления на основе логических элементов в базисе И-НЕ или ИЛИ-НЕ.

В приложении к пояснительной записки приводятся чертежи: схема структурная цифрового регистрирующего прибора; схема электрическая принципиальная цифровой части регистрирующего прибора или ее отдельных узлов.

При оформлении текстовой части пояснительной записки необходимо руководствоваться требованиям ДСТУ 3008-95, а при оформлении чертежей требованиями ЕСКД [18,19]. Пояснительная записка оформляется на листах формата А4 (210х297). Все листы пояснительной записки за исключением титульного листа и технического задания должны иметь основную надпись, выполненную согласно ГОСТ 2.104-68, по форме 2 – для первого листа (СОДЕРЖАНИЕ), и по форме 2а – для последующих листов.

Вариант индивидуального задания на курсовое проектирование определяется по последней цифре зачетной книжки курсанта согласно таблице 1.

Задание на РГР по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»

 

Таблица 1 – Варианты индивидуальных заданий на курсовой проект по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»

Вариант	Диапазон изменения напряжения на выходе датчика	Точность измерения	Нижняя граница измерения	Верхняя граница измерения	Вид переключательной функции f=(x0, x1, x2, x3, x4) (для синтеза СУ на мультиплексорах или дешифраторах)	Базис синтеза СУ	Номера наборов, на которых переключательная функция f=(x0, x1, x2, x3,) равна 1 (для синтеза СУ в базисе И-НЕ или ИЛИ-НЕ)	Базис синтеза схемы управления на логических элементах
	0…10 мВ	0,1 %	1 мВ	9 мВ	К1+ К10+ К16+ К26+ К29+ К30	М	5,6,7,8,11,12,13,14	ИЛИ-НЕ
	0…100 мВ	0,2 %	2 мВ	80 мВ	К1+ К3+ К5+ К7+ К9+ К11+ К22	Д	3,4,6,7,10,11,12,13	И-НЕ
	0…5 мВ	0,2 %	0,5 мВ	4,5 мВ	К0+ К5+ К7+ К8+ К11+ К12+ К25	М	9,10,11,12,1,2,3,6	ИЛИ-НЕ
	0…20 мВ	0,1 %	5 мВ	15 мВ	К0+ К8+ К10+ К11+ К13+ К15+ К20	Д	1,5,6,7,9,11,13,15	И-НЕ
	0…20 мВ	0,05 %	2 мВ	18 мВ	К2+ К4+ К6+ К10+ К12+ К14+ К18+ К20	М	1,3,4,5,6,7,8,9,13,14	ИЛИ-НЕ
	0…40 мВ	0,1 %	10 мВ	30 мВ	К0+ К1+ К5+ К7+ К10+ К14+ К17+ К21	Д	0,2,3,4,5,6,10,11	И-НЕ
	0…40 мВ	0,05 %	8 мВ	32 мВ	К1+ К2+ К3+ К10+ К11+ К12+ К17+ К26	М	1,3,5,6,7,8,9,10,12	ИЛИ-НЕ
	0…5 мВ	0,4 %	1 мВ	4 мВ	К1+ К10+ К16+ К26+ К27+ К29+ К30+ К31	Д	2,3,6,7,8,9,14,15	И-НЕ
	0…2,5 мВ	0,4 %	0,5 мВ	2 мВ	К5+ К8+ К10+ К11+ К19+ К21+ К23+ К25	М	8,9,11,12,13,14,15	ИЛИ-НЕ
	0…25 мВ	0,4 %	2 мВ	23 мВ	К0+ К1+ К3+ К5+ К9+ К11+ К18+ К28	Д	5,6,7,10,12,14,15	И-НЕ

 

М – синтез схемы управления на мультиплексорах;

Д – синтез схемы управления на дешифраторах;

И-НЕ– синтез схемы управления в базисе И-НЕ;

ИЛИ-НЕ– синтез схемы управления в базисе ИЛИ-НЕ;

 

Вариант задания выбирается по последней цифре зачетной книжки курсанта.

Порядок выполнения РГР

РГР выполняется в следующей последовательности:

1. Разработать согласно типовой структурной схеме регистрирующего прибора его структурную схему согласно техническому заданию.

2. Описать алгоритм работы прибора согласно его структурной схеме.

3. Разработать аналоговую часть регистрирующего прибора. Для этого по заданному интервалу напряжения на выходе датчика и требуемой точности измерений определить:

3.1 Разрядность младшей значащей цифры.

3.2 Требуемую разрядность АЦП.

3.3 Выбрать подходящий АЦП с цифровым выходом в двоичном параллельном коде.

3.4 Из описания АЦП выбрать значение опорного напряжения и ИМС источника опорного напряжения.

3.5 Рассчитать требуемый коэффициент усиления масштабного усилителя измерительного датчика.

4. Разработать преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код. Для чего:

4.1 Определить необходимую разрядность преобразования по входу и по выходу. Например, выходной двоичный код АЦП изменяется от 0…1023 деления, а отображать на индикаторах необходимо максимальное число 10,00 мВ с дискретность 0,01 мВ. Тогда необходим преобразователь 10 разрядного двоичного кода (2¹⁰=1024) в 4 цифры двоично-десятичного кода (10⁰ +10¹ +10² +1·10³), т.е. три младших цифры должны отображать цифры 0…9, а четвертый старший разряд только цифры 0..1.

4.2 Разработать схему преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный код. При этом при разрядности двоичного кода от 8 до 10 рекомендуется использовать специализированные ИМС типа 155ПР7, а для разрядностей двоичного кода от 11 до 16 рекомендуется использовать ПЗУ с электрическим или УФ стиранием, в которую прошивается требуемая для преобразования таблица истинности преобразователя. При разработке учесть, что очень часто старшая цифра изменяется не в полном диапазоне. Например, для индикации 1000 делений достаточно иметь 3 младших индикатора, в которых отображаются цифры от 0 до 9, и один старший индикатор, в котором будут отражаться только две цифры: 0 и 1.

5. Разработать блок индикации измеряемой величины. Для чего:

5.1 Определить требуемое число семисегментных индикаторов и их тип.

5.2 Выбрать необходимые преобразователи двоично-десятичного кода в семисегментный код.

5.3 Разработать схему блока индикации.

6. Разработать блок задания верхней и нижней границ индикации

6.1 Перевести десятичные значения заданных нижней и верхней границ в двоичный или двоично-десятичный код.

6.2 На основе цифровых компараторов разработать блок задания границ и индикаторов выхода измеряемой величины за требуемые пределы.

7. Разработать блок управления на основе мультиплексоров или дешифраторов. Для чего согласно заданной переключательной функции 5 переменных f=(x₀, x₁, x₂, x₃, x₄) синтезировать схему управления на основе мультиплексоров или дешифраторов.

8. Разработать блок управления на основе логических элементов в базисе И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Для чего:

8.1 По заданному номеру набора переключательной функции 4 переменных f=(x₀, x₁, x₂, x₃,) нарисовать таблицу истинности схемы управления.

8.2 Составить переключательную функцию в виде СДНФ.

8.3 Миниминизировать полученную функцию 4 переменных с помощью карт Вейча или Карно.

8.4 По полученной миниминизированной переключательной функции (МКНФ или МДНФ) составить МНФ в базисе И-НЕ или ИЛИ-НЕ.

8.5 По полученной миниминизированной переключательной функции МНФ синтезировать схему управления в базисе И-НЕ или ИЛИ-НЕ.

9. Сделать выводы по проекту.

 

Структурная схема и алгоритм работы цифрового регистрирующего прибора

Проектируемое в курсовом проекте цифровое регистрирующее устройство может быть выполнено по структурной схеме, представленной на рис.1. В общем случае, измерение осуществляется измерительным датчиком. Тип датчика определяется физической сущностью регистрируемой величины S₁ (температура, давление, расход жидкости, сила тока, частота вращения, и т.д.). Поскольку выходной сигнал датчика U_Д имеет малое значение напряжения (обычно до десятков мВ), а АЦП для своей работы требует сигнала в единицы вольт, то между датчиком и АЦП включается масштабирующий усилитель с коэффициентом усиления К_U. Обычно в качестве такого усилителя используются прецизионные инструментальные усилители с высокой температурной и временной стабильностью.

Аналоговый непрерывный сигнал от датчика, после масштабирования величиной U_A, поступает на АЦП – аналого-цифровой преобразователь, который преобразовывает величину аналогового сигнала U_A в двоичный цифровой код. Для выполнения такого преобразования на вход АЦП поступает также стабильное опорное напряжение U_О, которое формируется источником опорного напряжения ИОП.

Цифровая часть устройства состоит из дешифратора DC 2/2-10, преобразующего двоичный код АЦП в двоично-десятичный код управления.

Этот код затем преобразуется в семисегментный код управления цифровым индикатором с помощью дешифратора DC 2-10/7 и далее поступает на соответствующие семисегментные индикаторы. В качестве семисегментных индикаторов могут быть использованы светодиодные, электролюминесцентные или газоразрядные индикаторы.

Кроме того, предусмотрена схема задания и контроля границ области рабочих значений измеряемого параметра и индикации его отклонения за установленные значения. Эта схема содержит параллельный цифровой компаратор, на один вход которого поступает входной двоично-десятичный код с преобразователя DC 2/2-10, а на другой вход с блока задания границ подаются двоично-десятичные коды, соответствующие верхней и нижней границам области допустимых значений измеряемого сигнала.

Цифровой компаратор вырабатывает три логических сигнала, соответствующие нормальному значению входной регистрируемой величины, "меньше нормы" и 'больше нормы". В качестве световых индикаторов здесь могут быть использованы сигнальные лампы или светодиоды.

Общим узлом для всех блоков цифровой части устройства является си тема управления и сброса. В общем случае она реализует некоторую переключательную функцию, инициализирующую работу устройства и осуществляющую сброс в нулевое состояние цифровых и счетных схем. Переключательная функция схемы управления задается в техническом задании и является функцией 5 переменных, если переключательная функция реализуется на мультиплексорах или дешифраторах, либо она является функцией 4 переменных, если переключательная функция реализуется на логических элементах.

Вариант алгоритма работы цифрового регистрирующего прибора согласно рассмотренному варианту структурной схемы приведен на рис.2.