Посчитаем необходимое число разрядов счётчика импульсов

nlog₂N_Xmax, (4)

Подставив N_Xmax=1000, получим nlog₂1000, n,96, откуда находим n=10.

Ёмкость счётчика:

N₀=aⁿ=2¹⁰=1024. (5)

Порог срабатывания для компаратора [5]:

(6)

U_k<0,00288В<0,003 В

Частота генератора:

f₀=N₀/t₀, (7)

где t₀=1с-t_п, t_п-время подготовки, 1с – время цикла преобразования по техническому заданию

Максимальная задержка распространения элементов микросхем серий К155, К555, КР1533 не превышает 10^-7 с (в среднем они находится в пределах 1010^-9с - 3010^-9с),

Если даже задержки каждого из элементов (компаратора, триггера, сумматора, счётчика импульсов и регистра) будут равны 10^-7, то суммарная задержка будет порядка 10^-6.

Выберем время преобразования с небольшим запасом, т.е. 1-10^-4 с=1-0,0001=0,9999с.

f₀ = N_Xmax /t₀= =1000/0,99999=1000,10001 Гц. (10)

Выберем приближённо f₀ = 1000 Гц. Тогда погрешность за счёт изменения частоты будет равна (1000,10001-1000)/ 1000,10001= =0,0001 или в процентах 0,01%. Такой погрешностью можно пренебречь. Требования к блокам приведены в приложении Д.

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Выбор элементов будем производить в соответствии с требованиями, определёнными на этапе составления структурной схемы.

1. Генератор тактовых импульсов

Генератор тактовых импульсов (рисунок 4) построен на базе кварцевого резонатора и дискретных ИС [8]. ГТИ с кварцевым резонатором отличается малой нестабильностью частоты – порядка 10^-5 – 10^-6. Параметры логических элементов приведены в таблице10.

Рисунок 4 – Генератор тактовых импульсов

2. Блок определения полярности

Определитель полярности (рисунок 5) реализован на основе схемы, приведённой в [5]. Входной сигнал сравнивается с 0 и в зависимости от результата сравнения ключ DD9.1 замыкает либо контакт 1 либо контакт 2.

В качестве ключа используется КР590КН1, 4-канальный ключ на МОП транзисторах со схемой управления.

Параметры и временные диаграммы ключа [11] приведены в таблицах 1 и 2.

Рисунок 5 – Блок определения полярности

Т.е. схема работает таким образом: если входное напряжение отрицательное, то оно инвертируется (на инвертирующем операционном усилителе) и зажигается светодиод. Если входное напряжение положительное, то оно не меняется (проходит через повторитель напряжения). Необходимое значение входного сопротивления обеспечивается операционными усилителями.

Сигнал о полярности напряжения передаётся в блок регистров (см. подраздел 3.7).

Для инвертирующего усилителя:

K_U= R₂/R₁, (11)

R_вх=R₁. (12)

Выберем R₁=R₂=1 МОм, что обеспечит требуемое входное сопротивление и коэффициент усиления, равный 1.

Для повторителя напряжения выберем ОУ со входным сопротивлением не менее 1 МОм. Таким является К140УД8 [10]. Кроме того, входное сопротивление схемы включения ОУ в качестве повторителя напряжения превышает входное сопротивление при стандартном включении.

Параметры операционных усилителей К140УД7 и К140УД8 приведены в таблице 1.

Для индикации полярности использован светодиод АЛ102АС, его характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 1 - Параметры К590КН1

Максимальное коммутируемое напряжение	±10 В
Максимальное сопротивление в открытом состоянии	200 Ом
Максимальное время включения	1 мкс

Таблица 2 - Таблица истинности ИС К590КН1

Уровни на логических выводах				Открытый аналоговый вход
Разрешение	22	21	20
1	0	0	0	1
1	0	0	1	2
0	Любое	любое	любое	Все закрыты

Таблица 3 – Параметры ОУ К140УД7 и К140УД8

ОУ	К140УД7	К140УД8
Коэффициент усиления напряжения	50000	50000
Входное сопротивление	Не менее 400 кОм	Не менее 1 МОм
Входное напряжение	±12 В	±10 В
Выходное напряжение	±11 В	±10 В
Напряжение источника питания	±15 В	±15 В
Средний входной ток	200 нА	0,2 нА
Напряжение смещения нуля	4 мВ	20 мВ

Таблица 4 - Параметры светодиода АЛ102АС

Iv, мккд	40
Uпр ,В	2,8
Iпр.ном, мА	5
мах, мкм	0,69

3. Делитель частоты

Делитель частоты построен на базе трёх счётчиков К155ИЕ2 (рисунок 6). Микросхема состоит из четырёх триггеров, внутренне связанных между собой таким образом, что образуются два счётчика-делителя: один на 2, и другой на 5.

Для работы в качестве делителя на 10 необходимо соединить выход Q3 со входом C1, а в качестве входа тактовых импульсов использовать вход C2 [9]. Выходом является Q0.

Переключение схемы происходит по отрицательному фронту тактового импульса. Параметры К155ИЕ2 приведены в таблице 5.

Рисунок 6 – Схема делителя частоты.

Таблица 5 - Параметры ИС К155ИЕ2

Время задержки 1,0	не более 100 нс
Время задержки 0,1	не более 100 нс
Потребляемая мощность	не более 265 мВт

4. Ждущие мультивибраторы

Мультивибраторы построены на ИС К155АГ1. Длительность выходного импульса мультивибратора не зависит от рабочего напряжения и температуры определяется по формуле [9]

T= RCln2. (13)

При этом сопротивление R может быть от 2 до 40 кОм, а ёмкость C – от 10 пФ до 1000 мкФ.

Одновибратор может запускаться двумя способами:

а) отрицательным фронтом входного сигнала на входах ST1 и ST2, при этом на один из двух входов ST1 и ST2 подаётся напряжение низкого уровня.

б) положительным фронтом сигнала на входе ST3, при этом на входы ST1 или ST2 должно подаваться напряжение низкого уровня.

Для формирования обратного хода генератора пилообразного напряжения необходима длительность импульса T=100 мкс. Тогда RC=0,0001/0,6930,000144 с.

Выберем R=10 кОм, тогда C=0,000144/10000=1,4410^-8 Ф.

Данный одновибратор запускается положительным фронтом сигнала S1 (см рисунок 3). Схема подключения показана на рисунке 7.

Рисунок 7 – Подключение ждущего мультивибратора 1

Для формирования сигналов на запись информации в регистр и для обнуления счётчиков импульсов необходима длительность импульса T=10 мкс. Тогда RC=0,00001/0,6930,0000144 с.

Выберем R=10 кОм, тогда C=0,0000144/10000=1,4410^-9 Ф.

Одновибратор DD3.2 запускается положительным фронтом тактового импульса, а одновибратор DD3.3 - отрицательным фронтом. Схемы их подключения показаны на рисунках 8 и 9 соответственно.

Рисунок 8 – Подключение ждущего мультивибратора 2

Рисунок 9 – Подключение ждущего мультивибратора 3

Параметры К155АГ1 приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Параметры микросхемы К155АГ1

Время задержки 1,0	не более 80 нс
Время задержки 0,1	не более 75 нс
Потребляемый ток	не более 25 мА

5. Генератор линейно изменяющегося напряжения.

Генератор линейно изменяющегося напряжения построен на интеграторе на операционном усилителе (см. рисунок 10). Для получения постоянного входного напряжения используем стабилитрон КС156А (технические характеристики приведены в таблице 7). Во время прямого хода интегратор интегрирует напряжение, снимаемое со стабилитрона, формируя на выходе линейный сигнал; за время обратного хода импульс ждущего мультивибратора ЖМ1 (см. рисунок 3) разряжает конденсатор интегратора, замыкая электронный ключ. Выходное напряжение интегратора определяется формулой:

(14)

где  = RC, U₀ – входное напряжение.

Рассчитаем величины R и C.

В нашем случае U₀ = const, поэтому формула примет вид

U_вых=-(tU₀)/( RC ). (15)

Напряжение на интеграторе должно нарастать от 0 до 10 В за время, равное (1 с-100 мкс)=0,9999с. Примем U_вых=10 В, t = 0,9999 с. U₀ = 5,6 В.

RC = 5,60,9999/10=0,559944 с. Выберем R=1 МОм, тогда С=0,56 мкФ.

Параметры операционного усилителя К140УД7 рассматривались в п. 3.1.

Для работы стабилитрона должны быть соблюдены условия:

а) I_ст  I_{ст min} при I_н = I_{н max} и U₀ = U _0min; (16)

б) I_ст < I_{ст max} при I_н = 0 и U₀ = U_0max. (17)

U₀ =15 В. Подберём значение резистора R₅. Так как напряжение, снимаемое со стабилитрона всегда будет составлять 5,6 В (не учитывая погрешности), то падение напряжения на резисторе U_R=(15-5,6)=9,4 В.

Предварительно выберем R =U_R/I_ст.ном.=940 Ом (18)

Проверим выполнение условий (16) и (17).

U_0max=15В, I_ст=15/940=15,96 мА. I_ст < I_{ст max}, что удовлетворяет (17).

U_0min=15В, I_ст+I_нmax=15/940=15,96 мА. Так как входы ОУ тока не потребляют, оценим I_нmax=I_R6.

I_R6=U_вх/R₆=5,6 мкА. (19)

Эта величина мала по сравнению I_ст. Следовательно, условие (16) также выполнено и значение резистора R₅ можно взять равным 940 Ом.

Таблица 7 – Параметры стабилитрона КС156А

Uст ,В	5,6
Iст. ном.	10 мА
Iст. max	55 мА
Iст. min	3 мА

Рисунок 10 – Генератор пилообразного напряжения

6. Счётчики импульсов

Для данного проекта нам необходим 10-разрядный счётчик, соберём его на базе трёх ИС К155ИЕ5 (рисунок 11). Микросхема К155ИЕ5 состоит из четырёх триггеров, внутренне связанных между собой таким образом, что образуются два счётчика-делителя: один на 2, другой на 8. Все триггеры имеют общий вход сброса, с помощью которого все показания счётчиков могут устанавливаться на 0 в любое время (на входы R1, R2 подаётся высокий уровень напряжения) [9]. Сброс счётчиков осуществляется сигналом, формируемым ждущим мультивибратором ЖМ1 (см. рисунок 3).

Для связи счётчиков между собой с вывода Q3 одного счётчика подаём сигнал на выход C1 другого счётчика.

Параметры К155ИЕ5 приведены в таблице 8.

Рисунок 11 - Схема счётчиков импульсов

Таблица 8 - Параметры ИС К155ИЕ2

Время задержки 1,0	не более 130 нс
Время задержки 0,1	не более 130 нс
Потребляемая мощность	не более 265 мВт

7. Регистровая память

Регистровая память построена на базе ИС КР1533ИР33 (рисунок 12). Так как нам необходимо хранить 11 бит информации (10 бит для хранения значения напряжения и 1 бит для хранения сведений о полярности), то возьмём два регистра. Специального соединения регистров не требуется. Сигнал для записи формируется ждущим мультивибратором ЖМ2 (см. рисунок 3). Для доступа со стороны внешней ЭВМ используется сигнал чтения, который подаётся на вход 0E.

Время задержки распространения данной ИС не более 20 нс. Таблица истинности приведена в таблице 9.

Таблица 9 – Таблица истинности ИС К1533ИР33

Входы			Выход
Инв. E0	E	D	Q
L	H	H	H
L	H	L	L
L	L	X	Q0
H	X	X	Z

Рисунок 12 – Блок регистров

8. Логические элементы

Параметры логических элементов приведены в таблице 10.

Схемы включения К155ЛИ3 и К155ЛЕ1 приведены на рисунках 13 и 14 соответственно.

Таблица 10 - Параметры логических элементов

Параметр	К155ЛЕ1	К155ЛИ3	К155ЛА3
Среднее время задержки распространения	19 нс	23 нс	19 нс
Потребляемая статическая мощность на один логический элемент	Не более 36 мВт	Не более 36 мВт	Не более 36 мВт

Рисунок 13 – Включение К155ЛИ3

Рисунок 14 – Включение К155ЛЕ1

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Проведём моделирование генератора пилообразного напряжения с помощью пакета для моделирования Micro-Cap 7.1.0, используя схему, приведённую на рисунке 15, в которой батарея эмулирует поведение стабилитрона.

Рисунок 15 – Схема для моделирования

Параметры схемы были изменены, так как при заданных параметрах R и С (см.3.5) напряжение за время t=0,9999 c возрастало лишь до 9,534 с (рисунок 16).

Рисунок 16 – Первоначальный вид U(t)

Требуемый наклон прямой U(t) мы можем получить несколькими способами: изменив параметры RC-цепи или параметры батареи. Так как от нас требуется обеспечить погрешность лишь на верхней границе диапазона, а не высокую линейность в пределах диапазона, то будем менять параметры RC-цепи, а не батареи. Подбор параметров осуществим режимом Stepping пакета Micro-Cap. В Micro-Cap версии 7.1.0 входит библиотека интегральных микросхем. Выберем аналог операционного усилителя К140УД7 по [10]. Таким аналогом является серия UA741. Уточним параметры по [10] (см. рисунок 17).

Рисунок 17 – Модель К140УД7 в Micro-Cap

График выходного напряжения представлен на рисунке 18. Увеличив масштаб, получим график, изображённый на рисунке 19. График переходных процессов изображён на рисунке 20. Из графиков видно, что напряжение на выходе генератора пилообразного напряжения линейно возрастает за время t=0,9999 c; за время t=0,0001 с. конденсатор разряжается (Delta - -9,951 E-05).

Рисунок 18 – График выходного напряжения интегратора

Рисунок 19 – График выходного напряжения интегратора (увеличенный)

Рисунок 20 –Переходные процессы

Определим погрешность на верхней границе динамического диапазона.

10-10,006)/10100 %=0,06 % (20)

АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

9. Диапазон входного напряжения

Диапазон входного напряжения минус 10-10 В обеспечен выбором операционных усилителей, компаратора и ключа, рассчитанных на входное и выходное напряжение 10 В (см. подраздел 3.2).

10. Время преобразования

Время преобразования, равное 1 с, обеспечивается кварцевым генератором (см. подраздел 3.1) и делителем частоты (см. подраздел 3.3). T_имп=1000T_кварц=1 с.

11. Входное сопротивление

Требуемое входное сопротивление (не менее 1 МОм) обеспечено выбором элементов блока определения полярности (см. подраздел 3.2).

12. Автоматический режим работы

Автоматический режим работы обеспечен кварцевым генератором (см. подраздел 3.1) и делителем частоты (см. подраздел 3.3), который формируют управляющий импульс t=1 c, начинающий новый цикл преобразования без внешнего вмешательства.

13. Погрешность преобразования

Для исследования погрешности преобразования проанализируем работу устройства при максимальном входном напряжении (10 В).

За 1 с генератор тактовых импульсов формирует 1000 импульсов. T_и=1/1000=0,0001 с. За время, равное 100 мкс, пройдёт 0,00011000=0,1 импульса.

Если бы ждущий мультивибратор всегда формировал импульс, равный 100 мкс, то временное распределение импульсов было бы таким, как показано на рисунке 21(а). Однако по рисунку видно, что даже если нестабильность величины импульса мультивибратора будет огромная (к примеру, вместо 100 мкс он выдаст импульс, равный 200 мкс), то количество посчитанных счётчиком импульсов не изменится, как показано на рисунке 21(б). Более того, даже при некоторой рассинхронизации импульсов ГТИ и импульса ждущего мультивибратора число посчитанных импульсов останется прежним, что видно из рисунка 21(в,г).

Рисунок 21 – Временное распределение импульсов

Из анализа следует также, что значимая инструментальная погрешность при максимальном входном напряжении появится при задержках распространения сигнала в элементах в несколько десятков микросекунд. В данной схеме максимальной задержкой обладает ключ – 1 мкс, задержки остальных элементов - порядка десятков и сотен наносекунд. Поэтому погрешность преобразования на верхней границе диапазона можно приближённо взять равной методической погрешности, т.е 0,1 %. Что удовлетворяет техническому заданию.