С. А. СУШКОВ, Ю. И. СЛЮЗОВ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ
ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ОМСК 2002
Министерство путей сообщения Российской Федерации Омский государственный университет путей сообщения
_________________
С. А. СУШКОВ, Ю. И. СЛЮЗОВ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ
ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ
Курсовое проектирование
Рекомендовано в качестве учебного пособия
для вузов железнодорожного транспорта
О
мск
2002
УДК 656.25:681.325.6
Теоретические основы железнодорожной автоматики телемеханики и связи. Курсовое проектирование: Учебное пособие / С. А. Сушков, Ю. И. Слюзов. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. ?? с.
Пособие содержит сведения, необходимые для последовательного проектирования электронного устройства. Показаны схемотехнические решения основных цифровых и аналоговых узлов с использованием теории переключательных функций на микросхемах средней интеграции. Даны краткие рекомендации по оформлению проекта с использованием современных методов проектирования.
Предназначено студентам для помощи в курсовом проектировании по дисциплине ”Теоретические основы автоматики и телемеханики”.
Библиогр.: ?? назв. Табл.??. Черт. ??
Рецензенты:
_________________________
Омский гос. университет
путей сообщения, 2002
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Задание на курсовой проект. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Содержание курсового проекта.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1. Проектирование передающего устройства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1. Составление структурной схемы автомата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
1.2. Выбор элементной базы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3. Задающий генератор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Делитель частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.5. Кодирование информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6. Преобразователь параллельного кода в последовательный. . . . . . . . . . . . . . .23
1.7. Формирователь старт - стоповых синхронизирующих импульсов. . . . . . . . . 27
1.8. Составление временной диаграммы функционирования автомата. . . . . . . . 29
1.9. Согласование с каналом связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Конец текста
Введение
Цель курсового проекта является освоение методики проектирования цифровых устройств путём использования теории переключательных функций, теории полупроводниковых приборов и микропроцессорной техники, что позволяет значительно облегчить труд, затрачиваемый на разработку цифровых устройств.
Перед началом проектирования должна быть поставлена чёткая задача в виде технического задания, в котором должны быть оговорены все технические параметры, условия эксплуатации и обслуживания разрабатываемого устройства.
Цифровое устройство может быть правильно спроектировано только при наличии точных описаний на радиоматериалы и радиодетали.
Задача проектировщика состоит в том, чтобы получить конечный автомат, содержащий наименьшее число радиокомпонентов, имеющий оптимальные размеры и минимальную стоимость. Проектируемое устройство должно соответствовать условиям эксплуатации.
Данный курсовой проект не включает в себя синтез микропроцессорных систем. Принципиальную схему автомата следует строить на микросхемах средней интеграции и на отдельных радиокомпонентах. Из множества схемных решений нужно выбрать оптимальные для конкретной задачи, а затем, адаптировав при помощи теории переключательных функций, использовать в проекте.
Задание на курсовой проект.
Тема: синтез многофункционального конечного автомата
Задание: составить схему автомата, предназначенного для передачи (приёма) информационного сообщения через канал связи.
Содержание сообщения: фамилия, имя и отчество автора проекта (без сокращения, с учётом синхросигналов и разделения между словами).
Способ передачи (приёма): циклический.
Система кодирования: произвольная.
Модуляция: произвольная.
Скорость передачи (приёма): 100 * (№ варианта 0.4).
Параметры канала связи:
полоса пропускания - от 300 Гц до 3400 Гц;
входной уровень - от -2.3 Нп до 0 Нп;
линия - двухпроводная симметричная;
волновое сопротивление - 600 Ом.
№ варианта выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале, отсортированном по возрастанию алфавита или по заданию преподавателя. Для студентов заочного отделения вариант выбирается по сумме цифр шифра, если она не превышает 34. В противном случае по сумме двух последних цифр.
Содержание курсового проекта.
Расчетно-пояснительная записка.
Графическая часть.
Содержание расчетно-пояснительной записки.
Титульный лист.
Задание.
Реферат.
Содержание.
Введение.
Основные разделы.
Описание структурной схемы автомата.
Описание функциональной схемы автомата.
Описание временных диаграмм.
Математическое описание и решение отдельных функциональных узлов автомата.
Описание принципиальной схемы автомата.
Характеристика элементной базы.
Заключение.
Список использованных источников.
Содержание графической части.
Структурная схема автомата
(созданная в системах PCAD, ACCEL или OrCAD).
Функциональная схема (созданная в системах PCAD, ACCEL, OrCAD или в любом графическом редакторе).
Принципиальная схема (созданная в системах PCAD, ACCEL или OrCAD).
Временная диаграмма работы автомата.
Примечание: Курсовой проект должен быть оформлен при помощи Microsoft Word, другого подобного редактора или рукописно с соблюдением ГОСТа по оформлению курсовых проектов и ЕСКД.
1. Проектирование передающего устройства.
Составление структурной схемы автомата.
Автомат должен содержать:
- задающий генератор с кварцевой стабилизацией (ЗГ);
- делитель частоты, для формирования необходимой последовательности импульсов (ДЧ);
- преобразователь кода Ф.И.О. (ПК);
- преобразователь параллельного кода в последовательный (ПП);
- схему согласования с каналом связи (ССКС);
- схему синхронизации и сброса (СС);
- формирователь старт – стопных синхронизирующих импульсов (СИ);
- блок питания (БП).
В общем случае структурная схема может выглядеть как на рис. 1.1, окончательная схема, возможно, будет отличаться от первоначальной. Корректировка проводится после составления принципиальной схемы.
Структурная схема автомата.
Рис. 1.1.
1.2. Выбор элементной базы.
Разработку автомата начинаем с предварительного расчёта основных параметров аппарата (предельные рабочие частоты, входные и выходные сопротивления, вид модуляции, потребляемая мощность, допустимые погрешности, надёжность и др.), которые определяют выбор элементной базы. Функциональная схема составляется для пояснения взаимодействия отдельных узлов между собой.
1.2.1. Способ модуляции (манипуляции).
В соответствии с заданием канал связи не обеспечивает передачу нулевой частоты, поэтому без модулирования сигнала не обойтись. В общем случае возможны 3 варианта построения схемы согласования по видам модуляции (рис.1.2):
- фазовая модуляция (ФМ);
- частотная модуляция (ЧМ);
- амплитудная модуляция (АМ).
Рис. 1.2.
фазовая модуляция - наиболее защищённая от помех, которая даёт возможность реализации максимальной скорости передачи. Основным недостатком ФМ является сложный алгоритм приёма, но при наличии процессора на приёмном конце качество декодирования в основном определяется программным обеспечением, что активно используется в современных компьютерных модемах. В условиях повышенных помех нужно предусмотреть более гибкий алгоритм ФМ (изменение несущей частоты (C), переменное отношение несущей к входному алфавиту (D) модулятора C/D и их фазы). В данном курсовом проекте эти вопросы не рассматриваем. Модуляцию заменяем манипуляцией со сдвигом фаз на 1800.
Частотная модуляция - обеспечивает высокую помехозащищённость при сравнительно низкой скорости передачи. Приёмник лучше строить на основе частотного кольцевого детектора с апертурными каналами прямого преобразования, что также позволяет использовать микропроцессорную схему управления.
Амплитудная модуляция - используется при небольших уровнях помех при низкой скорости передачи. Помехозащищенность обеспечивается за счёт сужения полосы пропускания приёмного фильтра и интегрирования сигнала на выходе амплитудного детектора. АМ получаем путем коммутации несущей частоты. Частоту несущей следует выбирать так, чтобы один бит данных состоял не менее чем из 5 - 7 периодов, в противном случае возникают проблемы с демодуляцией сигнала. При передаче по каналам связанным с аппаратурой уплотнения происходит "уход" несущей частоты, что ограничивает область применения АМ.
Скорость передачи можно повысить за счёт спектрального уплотнения полезного сигнала, например, передавать сигнал в параллельном коде.
Уровень, мощность, скорость передачи сигнала должны соответствовать параметрам канала связи, кроме этого выходные параметра автомата должны регулироваться в необходимых пределах.
Для данного курсового проекта:
при скорости передачи до 400 (бит/с) можно выбрать любой вид модуляции без усложнения схемы модулятора;
при скорости передачи более 400 (бит/с) - предпочтительнее ФМ.
После модулирования в пределе количество единичных и нулевых импульсов должно быть одинаковым, т.е. постоянная составляющая в спектральном разложении сигнала должна равняться нулю.
Схемную реализацию получаем при помощи Булевых функций:
(здесь и далее, дизъюнкция Х1Х2 = Х1+Х2, имеет смысл логического «ИЛИ»,
конъюнкция Х1Х2 = Х1&Х2 = A * B, имеет смысл логического «И», манипуляция как частный случай модуляции.)
ФМ 
(1.1);
(1.2);
где, Х1 - входной алфавит (D);
Х2 - несущая частота (C);
ЧM 
(1.3);
где, D - входной алфавит;
Х1 - частота F1; Х2 - частота F2;
АМ 
(1.4);
(1.5);
где, Х1 - входной алфавит (D);
Х2 - несущая частота (F).