МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА 41

КУРСОВАЯ РАБОТА (ПРОЕКТ) ЗАЩИЩЕНА С ОЦЕНКОЙ

РУКОВОДИТЕЛЬ

доц., канд. техн. наук, доц.				О.О. Жаринов
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

СЕЛЕКТОРЫ ИМПУЛЬСОВ

по дисциплине: СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ ГР. №	4410				Измайлов А.Е.
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург 2017

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Целью курсовой работы является освоение методов расчета, схемотехнического проектирования и конструирования реальных устройств технической электроники. Темой и основной целью курсового проектирования является селекторы импульсов, которое находят широкое применение в цифровых системах связи, автоматизированных системах управления и цифровой радиоизмерительной аппаратуре.

При построение курсового проекта необходимо разработать электронное устройство в соответствии с предложенной схемой и исходными данными, которое обеспечило бы точность и качество работы.

Выработать у студентов навыки использования средств вычислительной техники при моделировании и анализе характеристик аналоговых устройств и систем. Методика расчета и анализа характеристик фильтра подробно рассматривается на конкретном примере.

Материалы пояснительной записки располагаются в следующем порядке:

• Исходные данные для проектирования;

• Расчетно-теоретическая часть. В данном разделе раскрыта постановка задачи, технические требования, предъявляемые к устройству, обоснование схемы электрической структурной, обоснование выбора элементной базы, предъявляемой к устройству;

• Конструкторско-технологическая часть. В данном разделе раскрыта методика проектирования устройства в программной среде Proteus, расчеты параметров элементов и расчеты технологические;

• Заключение

• Список используемых источник;

СОДЕРЖАНИ

СЕЛЕКТОРЫ ИМПУЛЬСОВ 1

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1 Расчетно-теоретическая часть 7

1.1 Постановка задачи 7

1.2 Технические требования, предъявляемые к устройству 8

1.3 Анализ существующих вариантов построения схемы 9

1.4 Разработка и обоснование схемы электрической структурной 10

1.5 Выбор и обоснование элементной базы 12

2 Конструкторско-технологическая часть 21

2.1 Разработка проектируемого устройства 21

2.2 Моделирование работы устройства в программной среде Proteus 21

2.3 Выбор и обоснование материалов, применяемых в конструкции изделия 22

3 Экономическая часть 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 30

ПРИЛОЖЕНИЕ А СКРИНШОТ СХЕМЫ СЕЛЕКТОРА ИМПУЛЬСОВ МИНИМАЛЬНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ PROTEUS 31

СЕЛЕКТОРЫ ИМПУЛЬСОВ 1

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Расчетно-теоретическая часть 7

1.1 Постановка задачи 7

1.2 Технические требования, предъявляемые к устройству 8

1.3 Анализ существующих вариантов построения схемы 9

1.4 Разработка и обоснование схемы электрической структурной 12

1.5 Выбор и обоснование элементной базы 14

2 Конструкторско-технологическая часть 22

2.1 Разработка проектируемого устройства 22

2.2 Моделирование работы устройства в программной среде Proteus 22

2.3 Выбор и обоснование материалов, применяемых в конструкции изделия 24

3 Экономическая часть 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 32

ПРИЛОЖЕНИЕ А СКРИНШОТ СХЕМЫ СЕЛЕКТОРА ИМПУЛЬСОВ МИНИМАЛЬНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ PROTEUS 33

Обозначения и сокращения

СИ – селекторы импульсов;

С – селектор;

ПП – полупроводниковый прибор;

ИС – интегральная микросхема;

СК – согласующий каскад;

ГТИ – генератор тактовых импульсов;

И – схема совпадений;

Сч – счетчик;

УС – устройство сравнения;

Т – триггер;

ФИ – формирователь импульсов;

ВК – выходной каскад.

Введение

При передаче информации в радиоэлектронных системах различного назначения широко применяются импульсные последовательности. Полезная информация в подобных последовательностях заключена либо в длительности импульсов, либо в интервалах между ними.

В реальных условиях получение информации из импульсных последовательностей осложняется наличием в них импульсных помех различного происхождения. Для защиты от подобных помех в приемниках информации широко используются временные селекторы. Выделяющие из импульсных последовательностей в зависимости от особенностей полезного сигнала импульсы. В соответствии с этим временные селекторы подразделяются на селекторы импульсов максимальной, минимальной или заданной длительности.

Селекторы импульсов — это электронное устройство для выделения из множества видеоимпульсов только таких, которые обладают заданными свойствами. Напр., СИ по амплитуде (амплитудный селектор) выделяет все те импульсы, амплитуда которых превышает заданный уровень (порог селекции), или не достигает его, или находится в заданных пределах. СИ по длительности выделяют импульсы, длительность которых соизмерима либо больше, либо меньше заданной. СИ по признакам кода выделяют, например, группу импульсов, последовательность которых соответствует заданному коду. Схемы СИ весьма разнообразны, выполняются как на дискретных ПП приборах, так и на ИС.

1. Расчетно-теоретическая часть

   1. Постановка задачи

Во многих устройствах прикладной электроники возникают задачи селекции (выделения) из последовательности импульсов лишь тех из них, которые обладают определенным признаком или совокупностью признаков (параметров). Устройства, выполняющие такие функции, называются селекторами. На выходе селектора сигналы должны иметь ту же форму, что и на входе. Однако во многих случаях необходимо лишь регистрировать появление сигналов с определенными признаками (т.е. с определенными значениями параметров, по которым выполняется селекция), а форма выходного импульса роли не играет. Применяемые в этих случаях устройства являются в сущности квазиселекторами, в них появление импульса с определенным признаком на входе фиксируется появлением скачка напряжения на выходе или короткого импульса. Основными параметрами, по которым осуществляется селекция, являются амплитуда, длительность или временное положение импульсов.

При амплитудной селекции (отбор импульсов, амплитуды которых находятся в заданном диапазоне) используются чаще всего рассмотренные выше диодные ограничители. Амплитудные селекторы, оснащенные средствами обработки информации и известные под названием "амплитудные анализаторы", находят широкое применение при спектрометрическом анализе радиоизотопов (результатом анализа является количественное определение содержания того или иного изотопа по количеству импульсов заданной амплитуды, пропорциональной энергии его распада).

Наиболее простыми из временных селекторов являются селекторы по длительности. Эти селекторы используются для выделения из входной последовательности лишь тех импульсов, длительность которых находится в определенных пределах, причем обычно требуется лишь регистрация наличия во входной последовательности импульсов с заданными параметрами.

В данном курсовом проекте осуществлена реализация селектора импульсов минимальной длительности. Во время процесса проектирования были изучены различные схемы реализации селекторов импульсов:

• Амплитудные селекторы;

• Селекторы импульсов максимальной амплитуды;

• Селекторы импульсов минимальной амплитуды;

• Селекторы импульсов с амплитудой в заданном диапазоне;

• Селекторы импульсов по заданной длительности.

2. Технические требования, предъявляемые к устройству

В процессе реализации устройства в программной среде необходимы следующие элементы:

• Управляемый генератор прямоугольных импульсов необходим для генерации возрастающего прямоугольного импульса арифметической прогрессии форму импульса можно задавать на усмотрение заказчика;

• Логические элементы “И” Логический элемент, реализующий функцию конъюнкции, называется схемой совпадения. Мнемоническое правило для конъюнкции с любым количеством входов звучит так: На выходе будет:

1. «1» тогда и только тогда, когда на всех входах действуют «1»,

2. «0» тогда и только тогда, когда хотя бы на одном входе действует «0»

3. Словесно эту операцию можно выразить следующим выражением: «Истина на выходе может быть при истине на входе 1 И истине на входе 2».;

• Элементы логического состояния;

• Мультивибратор 74123 служит в качестве формирователя импульса, выбор данного мультивибратора обусловлен практическим сравнение микросхем серии 74121, 74122 и 74123 в программной среде Proteus. Из проведенных исследований и изучения технической документации, предъявляемые к микросхемам, выбор остановился на микросхеме 74123;

• Формирователь импульсов в качестве формирователя импульсов используется ждущий мультивибратор 74123;

• Виртуальная графа цифровых графиков.

3. Анализ существующих вариантов построения схемы

В настоящее время с целью повышения эффективности работы временных селекторов их реализация производится на базе цифровых устройств (триггеров, счетчиков, дешифраторов и т.п.) В этом случае в состав структурной схемы устройства должны входить согласующий каскад, позволяющий привести входной сигнал к виду, необходимому для устойчивой работы селектора, и выходной каскад, обеспечивающий на сопротивлении нагрузки сигнал заданной амплитуды.

В качестве УС может быть использован дешифратор, формирующий на выходе уровень логической единицы при появлении на его входах определенного кода. Если же частота ГТИ выбрана таким образом, что число импульсов за время t_min соответствует максимальному числу, которое может подсчитать счетчик, то от УС можно отказаться, подавая на вход триггера сигнал переполнения счетчика.

Как правило, основная часть схемы, за исключением СК и ВК, реализуется на базе цифровых и логических микросхем. Общие вопросы построения и использования цифровых устройств (счетчики, дешифраторы, генераторы тактовых импульсов). Техническая реализация СК и ВК может быть, в зависимости от задания, различной и осуществляться как в виде обычных транзисторных ключей [3], так и с использованием более сложных устройств - операционных усилителей, компараторов [4].

Варианты задания на проектирование селектора импульсной последовательности представлены в табл. 4.1 [5]. При анализе варианта задания следует иметь в виду, что рассматриваемый селектор должен производить селекцию (или регистрацию) импульсов, длительность которых отклоняется от заданной не более, чем на величину ∆t.

Варианты задания на проектирование селектора импульсов минимальной длительности приведены в табл. 4.2 [5], а селектора импульсов максимальной длительности - в табл. 4.3 [5].

4. Разработка и обоснование схемы электрической структурной

Разработки и обоснование схемы электрической структурной связано с тем, чтобы на примере построения функциональных блоках привести описание разрабатываемого устройства.

Схема селектора импульсов минимальной длительности состоит из 4 функциональных блоков:

• Управляемый генератор прямоугольных импульсов;

• Ждущий мультивибратор;

• Логический элемент сравнения совпадения &;

• Формирователь импульсов;

Структурная схема устройства представлена на рисунке 2

Рисунок 1 – Схема электрическая структурная

Формирователь импульсов

&

Ждущий мультивибратор

Управляемый генератор

прямоугольных

импульсов

Принцип работы:

На управляемом генераторе прямоугольных импульсов задается прямоугольный сигнал. Сигнал поступает на ждущий мультивибратор, который запаскается по переднему фронту входных импульсов и формирует импульс U2 с длительностью t1. Импульс U2 подается на один вход совпадения схемы &, на другой вход системы совпадения поступают инвертированный сигнал.

Схема совпадения & выполнена так, чтобы импульс на ее выходе будет только в том случае, когда на ее входах совпадают во времени положительный U2 и положительная составляющая инвертированного сигнала.

В качестве формирователя прямоугольных импольсов следует использовать ждущие мультивибраторы построенные на операционных усилителях.

Достоинства и недестатки схемы:

Достоинсва:

• Схема позволяет осуществлять достаточно качественную селекцию прямоугольныго импульса;

• Простая реализация;

• Возможность задавать длительность имульса;

Недостатки:

• Схема выполнена по старым технологиям,

• Реализация селектора возможна через микроконтроллеры;

5. Выбор и обоснование элементной базы

Выбор элементной базы в современных разработках радиоэлектронной аппаратуры является очень ответственным моментом, так как от правильного выбора зависят такие параметры нового устройства как экономичность, долговечность, габариты и т.д. Правильный выбор элементной базы обеспечивает надёжную работу устройства в течение всего срока эксплуатации.

При проектировании селектора импульсов одним из самых важных этапов является выбор типов элементов, входящих в конструкцию

Основные критерии:

• Правильно выбранная элементная база позволит обеспечить надежное функционирование составных частей и всего изделия в целом;

• снизить вероятность возникновения помех из-за несогласованности входов одних элементов с выходами других;

• получить высокие эксплуатационные характеристики;

• уменьшить энергопотребление за счет применения элементов, изготовленных по передовым технологиям;

• добиться лучших массогабаритных показателей;

• повысить ремонтопригодность аппаратуры; расширить технические возможности разрабатываемой аппаратуры.

В общем случае критерием выбора электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям эксплуатации.

Микросхема 74123

Выбор данной микросхемы обусловлен полным изучением технической документации, предъявляемой к микросхемам и сравнительный анализ функциональных возможностей путем моделирования устройств на базе микросхем 74121, 74122, 74123 в программной среде Proteus.

Описание:

Рисунок 2 – Микросхема 74123 и ее реализации в Proteus

М икросхема 74123 содержит два одновибратора с инверсными входами, прямым и инверсным выходами, входами сигнала сброса и возможностью перезапуска. Рисунок микросхемы, реализация в Proteus и ее распиновка контактов приведена на рисунке 3:

Работа схемы:

Длительность выходного импульса микросхемы 74123 t зависит от постоянного времени R•C: t = 0,32С (R + 700 Ом). При этом сопротивление R может быть от 5 до 25 кОм, а емкость С — от 10 пФ и выше. Если в качестве конденсатора внешней RC-цепи служит электролитический конденсатор или для выполнения команды сброса применяется емкость С> 1 нФ, следует использовать диод с маркировкой в виде штриха. Тогда длительность выходного импульса можно определить по формуле t = 0,28С (R + 700 Ом).

Технические характеристики:

• Выходной Ток 16мА;

• Минимальная Рабочая Температура - 0°C;

• Максимальная Рабочая Температура - 70°C;

• Максимальное Напряжение Питания - 5.25В;

• Минимальное Напряжение Питания - 4.75В;

• Количество Выводов - 16вывод(-ов);

• Упаковка- Поштучно;

• Задержка Распространения - 22нс;

• Стиль Корпуса Микросхемы Логики DIP;

• Тип Мультивибратора - Перезапускаемы Моностабильный.

Одновибратор 74123 включается отрицательным фронтом сигнала на входе А. При этом на вход В должно подаваться напряжение высокого уровня.

Вход В микросхемы 74123 включается перепадом входного сигнала с низкого уровня напряжения на высокий (положительный фронт), при этом на вход А должно подаваться напряжение низкого уровня.

Уже включенная микросхема 74123 может быть вновь запущена в любое время.

В нормальном режиме работы на вход сигнала стирания Clear подается напряжение высокого уровня. Если на этот вход подается напряжение низкого уровня, то включение схемы блокируется и на выходе Q устанавливается напряжение низкого уровня, а на выходе Q — высокого.

Блок задержки импульсов и датчик времени (таймер), формирователь импульсов.

Резистор MF-25 (С2-23)

Выбор данного резистора обусловлен полным изучением технической документации, предъявляемой к резисторам и сравнительный анализ функциональных возможностей. Помимо всего вышесказанного еще учитываются экономические параметры, функциональные возможности (цена/качество) и условия эксплуатации.

М еталлооксидные (металлодиэлектрические) постоянные резисторы являются аналогами отечественной серии сопротивлений С2-23. Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Изображение резистора изображено на рисунке4:

Рисунок 3 – Резистор MF-25 (С2-23)

Металлоксидные пленочные резисторы (metal oxide film resistors) отличает: 

• высокая надежность и стабильность;

• широкий температурный диапазон;

• низкий уровень шумов;

• огнеупорное покрытие (для мощностей выше 0.5 Вт);

• цветная кодировка номинала;

• луженые выводы.

Технические параметры:

• Тип с2-23;

• Единица измерения - ом;

• Точность, % - 1;

• Номин.мощность,Вт - 0.125/0.25;

• Макс.рабочее напряжение,В - 250;

• Рабочая температура,С -55…155;

• Монтаж - в отв.;

• Длина корпуса L,мм - 6.3;

• Ширина (диаметр) корпуса W(D), мм - 2.3.

Конденсатор керамический выводной К10-17Б

Рисунок 4 – Внешний вид и габаритные размеры конденсатора

Выбор данного конденсатора обусловлен полным изучением технической документации, предъявляемой к конденсаторам и сравнительный анализ функциональных возможностей.

Конденсаторы К10-17 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах. К10-17Б - изолированные окукленные керамические конденсаторы во всем климатическом исполнении.

Технические характеристики:

• Тип – К10-17б;

• Рабочее напряжение – 50 В;

• Допуск номинала – 5%;

• Температурный коэффициент емкости – м47;

• Рабочая температура – -60…125 С^о;

• Длина корпуса L – 5.6 мм;

• Ширина корпуса W – 4 мм.

Разъем питания XT30U – F

Рисунок 5 – Разъем питания XT30U – F

Выбор данного разъем питания обусловлен полным изучением технической документации, предъявляемой к разъемам питания и сравнительный анализ функциональных возможностей. Помимо всего вышесказанного еще учитываются экономические параметры, функциональные возможности (цена/качество) и условия эксплуатации.

Рисунок 4 – Внешний вид и габаритные размеры корпуса разъема

Технические характеристики:

• Рабочий ток max– 15А;

• Серия – xt;

• Форма контактов – прямая;

• Шаг контактов – 5мм;

• Количество контактов – 2.

Микросхема К293ЛП1А

Выбор данной микросхемы обусловлен полным изучением технической документации, предъявляемой к микросхемам и сравнительный анализ функциональных возможностей. Помимо всего вышесказанного еще учитываются экономические параметры, функциональные возможности (цена/качество) и условия эксплуатации.

Микросхемы интегральные гибридные К293ЛП1А, К293ЛП1Б, К293ЛП1В предназначены для использования в качестве оптронного переключателя-инвертора в устройствах широкого применения

Рисунок 6 – Микросхема К293ЛП1А

Основные параметры:

• Функциональная группа – Интегральная;

• Функциональный тип – переключатель;

• Типоразмер корпуса - DIP14;

• Габаритные размеры L*W*H - 9х10х8;

• Высота корпуса - 3 mm.

Технические характеристики:

• Напряжение питания - 4,5 - 5,5 V;

• Входное напряжение - не более 1,9 V;

• Выходное напряжение низкого уровня - не более 0,4 V; высокого уровня - не менее 2,4 V;

• Входной ток - 5 mA;

• Время задержки распространения - не более 1000 ns;

• Сопротивление - 10 TΩ.

Условия эксплуатации:

• Интервал рабочих температур - от -45 до +85°C.

М икросхема КР1533СП1

Рисунок 7 – Микросхема КР1533СП1

Выбор данной микросхемы обусловлен полным изучением технической документации, предъявляемой к микросхемам и сравнительный анализ функциональных возможностей. Помимо всего вышесказанного еще учитываются экономические параметры, функциональные возможности (цена/качество) и условия эксплуатации.

Цифровая интегральная схема транзисторной логики с диодами Шоттки серии ТТЛ.

Микросхемы КР1533СП1 представляют собой схему сравнения двух четырехразрядных чисел и предназначены для построения n-разрядных компараторов в двоичном коде.

Технические характеристики:

• Напряжение питания: 5.0 В ± 10%.;

• Диапазон рабочих температур: -10...+70 °С.;

• Корпус типа 2103Ю.16-Д, масса не более 1,2 г.;

• Технические условия: бК0.348.806-05 ТУ;

• Стандартные серии ТТЛ: 1533, КР1533. Время задержки 4 нс, мощность потребления 4 мВт/вентиль;

• Корпус: 238.16-1 (DIP16);

• Импортный аналог: SN74ALS85N.