2. Разработка функциональных узлов устройства

2.1. Генератор импульсов.

Для обеспечения работы каждого канала в течение десяти секунд необходимо, чтобы тактовые импульсы поступали на счетчик импульсов с частотой f_р, определяемой по формуле f_р=1/t_р=1/10= 0,1 Гц.

Чтобы определить частоту генерации импульсов f_г генератором, зададимся коэффициентом деления делителя частоты ДЧ k=10⁴, следовательно, частота f_г=1000 Гц. На рис.2 приведена схема генератора импульсов:

Рис.2 - Схема генератора импульсов

Для такого генератора импульсов частота генерации f_г определяется по формуле: f_г = 1/(3RC).

В качестве элемента DD1 возьмем микросхему К155ЛН1 (аналог – микросхема 7404). Она представляет собой шесть независимых инверторов. Чтобы вывести рабочую точку одного такого инвертора на линейный участок передаточной характеристики, необходимо номинал R1 выбрать равным 220 Ом. Поэтому С1 = 1/(3R₁ f_г) = 1/(3·220·1000)= 1,5мкФ.

2.2. Делитель частоты.

Делитель частоты реализуется на основе асинхронного счетчика. Поскольку элементы генератора импульсов ГИ рассчитаны с учетом коэффициента деления частоты k=10⁴, для реализации делителя частоты используется 4 последовательно соединенных асинхронных четырехразрядных десятичных счетчика ИС К155ИЕ2 (аналог – микросхема 7490)(рис. 3). Одна такая микросхема позволяет разделить частоту импульсов на десять. Поскольку первый триггер микросхемы не соединен с тремя остальными, необходимо вывод 1 подсоединить к выводу 12.

Рис.3 - Схема делителя частоты

2.3. Счетчик импульсов.

Для счета импульсов используем счетчик с параллельным переносом. Для того, чтобы организовать счет от 1 до 36, необходимо 6 счетных триггеров. Счет ведется, начиная с единицы, так как если его осуществлять с нуля, то при реализации индикации нужно дополнительное устройство, осуществляющее инкремент двоичного кода. Счетный триггер реализуем на D-триггере.

В силу того, что N=36<2⁶=64, необходим счетчик с произвольным коэффициентом пересчета, а именно K_сч=36. Для этого проанализируем поразрядно состояния счетчика в таблице 1.

Таблица 1

	Q6	Q5	Q4	Q3	Q2	Q1
N	1	0	0	1	0	0	36
N+1	1	0	0	1	0	1	37
1	0	0	0	0	0	1	1
	с	б.и	б.и	с	б.и	б.и

Из таблицы видно, что для принудительного перевода счетчика в состояние 1 из состояния 14 необходимо организовать сброс второго, третьего и четвертого разрядов и оставить без изменения первый разряд. С учетом этого принципиальная схема счетчика импульсов будет иметь вид, представленный на рис.4.

Риc.4 - Счетчик импульсов с K_сч=36

Элемент DD6 реализуем на микросхеме К155ЛА4 (аналог – микросхема 7410) которая представляет собой три трехвходовых логических элемента И-НЕ. Для реализации D-триггеров DD7 и DD8 используем 2 микросхемы К155ТМ2 (аналог – микросхема 7474), каждая из которых представляет собой два независимых синхронных D-триггера. Логический элемент DD9 реализуем на микросхеме К155ЛР11 (аналог – микросхема 7451). Для DD10 используем К155ЛР4 (аналог – микросхема 7455).

2.4. Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код.

Для того чтобы показать номер работающего канала на индикаторном устройстве, необходимо сначала двоичный код преобразовать в двоично-десятичный. Для этой цели будем использовать микросхему К155ПР7 (аналог – микросхема 74185) (рис.5). Она представляет собой постоянное запоминающее устройство, программирование которой произведено на заводе-изготовителе. Одну микросхему К155ПР7 можно использовать для преобразования двоичного кода чисел 0-63 в двоично-десятичный код. Так как младшие разряды двоичного и двоично-десятичного кодов совпадают, на микросхему поступают только старшие разряды двоичного кода X , начиная со второго, на выходе получается двоично-десятичный код числа.

Рис.5 - Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код

2.5. Преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора.

Для преобразования двоичного кода в семисегментный код используем микросхему К155ПП4 (аналог – микросхема 7449).  Ее выходы представляют собой выходы с открытыми коллекторами, поэтому для подключения к ним семисегментного индикатора необходимо между преобразователем и индикатором поставить резисторы, которые ограничивают ток, втекающий в преобразователь. Номиналы резисторов выбираются с учетом рабочего тока индикатора. В качестве индикатора выбираем АЛC324Б. Он представляет собой набор светодиодов с общим анодом. Его рабочий ток Iр=20мА. Цвет свечения – красный. Включение преобразователя и индикатора показано на рис.6. В таблице 2 приведено преобразование двоично-десятичного кода в семисегментный.

Таблица 2

X	x4  x3  x2  x1	fА  fB  fC  fD fЕ  fF  fG	Символ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1	1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рис.6 - Включение преобразователя и семисегментного индикатора

Так как падения напряжения на светодиоде и на открытом транзисторе преобразователя малы, то номинал резисторов можно определить по формуле R= U_п/I_р= 5/0,02=250 Ом, где  U_п - напряжение питания, В; I_р - рабочий ток индикатора, А. С учетом принятых допущений реальный ток индикатора будет несколько меньше, что незначительно повлияет на яркость свечения индикатора.

Поскольку для индикации номера работающего канала необходимо два десятичных разряда, необходимо два набора схем (рис.6).

2.6. Мультиплексор.

Для последовательного сбора информации из 14 каналов используется мультиплексор. Для реализации 23-хвходового мультиплексора используем микросхему К155КП1 (аналог – 74150), представляющую собой 16-входовой цифровой мультиплексор (рис.7). На вход разрешения данного мультиплексора необходимо подавать сигнал высокого уровня.

Рис.7 - Мультиплексор на 16 входов

Также возможна реализация мультиплексора на логических элементах (рис.8). Схема состоит из матричного дешифратора (выполнен с помощью двух линейных дешифраторов ЛД (рис.9) и 14 логических вентилей) и 14 логических ключей, объединенных схемой ИЛИ.

Рис.8 – Реализация мультиплексора на логических элементах

Рис.9 – Линейный дешифратор

2.7. Демультиплексор.

В отличие от мультиплексора, демультиплексор выполняет обратную функцию – распределяет информацию с одной общей линии в несколько каналов, в соответствии с адресным кодом. В качестве демультиплексора используем дешифратор К155ИД3 (аналог – 74154), вход разрешения Е0 которого используем как информационный. Включение показано на рис.9. В этом случае на вход разрешения Е1 следует подать напряжение низкого уровня. Также существует возможность реализации демультиплексора на логических элементах (рис.10).

Рис.9 - Демультиплексор на 14 выходов

Рис.10 – Реализация демультиплексора на логических элементах

Принципиальная схема проектируемого устройства представлена на рис.11. В таблице 3 приведен перечень элементов, применяемых при проектировании цифрового многоканального устройства.

Таблица 3

Позиционное обозначение	Наименование	Количество	Примечание
	Конденсаторы
С1	К10-17а-Н90-1,5 мкФ±10%	1
	Резисторы
R1	МЛТ – 0,125 – 220 Ом ± 5%	1
R2…R5	МЛТ – 0,5 – 1,3 КОм ± 10%	4
R6…R19	МЛТ – 0,125 – 250 Ом ± 10%	14
	Микросхемы
DD1	К155ЛН1 (7404)	1
DD2…DD5	К155ИЕ2 (7490)	2
DD6	К155ЛА4 (7410)	1
DD7, DD8	К155ТМ2 (7474)	2
DD9	К155ЛР11 (7451)	1
DD10	К155ЛР4 (7455)	1
DD11	К155ПР7 (74185)	1
DD12, DD13	К155ПП4 (7449)	2
DD14	К155КП1 (74150)	1
DD15	К155ИД3 (74154)	1
	Индикаторы
HG1, HG2	АЛC324Б	2