2018

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

М.И. Герасимов И.А. Болдырев А.С. Кожин

ИССЛЕДОВАНИЕ УЗЛОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ:

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2017

УДК 681.381(075.8)

ББК 32.844.1я7 Г371

Герасимов М.И. Исследование узлов систем управления: лабораторный практикум: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (1,03 Мб) / М.И. Герасимов, И.А. Болдырев, А.С. Кожин.– Воронеж : ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: ПК 500 и выше ; 256

Мб ОЗУ ; Windows XP ; SVGA c разрешением 1024x768; Аdobe

Acrobat; CD-ROM ; мышь. – Загл. с экрана.

В практикуме содержатся теоретические сведения об устройстве и принципах работы исследуемых узлов, способах исследования и соответствующих программных средствах, предварительное и рабочее задания к лабораторной работе, определяющие порядок исследования, контрольные и итоговые вопросы.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах»), дисциплине «Схемотехника элементов и устройств».

Пособие предназначено для студентов 4 курса и может быть использовано при написании выпускной квалификационной работы, а также представляет интерес для преподавателей, аспирантов и специалистов, связанных с разработкой и исследованием различных систем управления.

Табл. 1. Ил. 25. Библиогр.: 16 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский

Рецензенты: кафедра информатики и вычислительной техники Международного института компьютерных технологий, г. Воронеж (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.А. Каладзе); канд. техн. наук, доц. В.А. Медведев

Герасимов М.И., Болдырев И.А., Кожин А.С., 2017 ФГБОУ ВО «Воронежский

государственный технический университет», 2017

ВВЕДЕНИЕ

Системы управления в промышленности – это многоуровневые многопроцессорные системы, в состав которых входят как микропроцессорные устройства (МПУ) – управляющие ЭВМ /1/, так и вспомогательные узлы с фиксированными целевыми функциями. В настоящем цикле работ изучаются как более простые узлы на основе кольцевых коммутаторов и делителей частоты, так и интерфейсные блоки МПУ – цифроаналоговый и аналого-цифровой преобразователи.

Данный практикум рекомендуется в качестве руководства для выполнения лабораторных работ по курсу «Схемотехника элементов и устройств» студентами, проходящими обучение в образовательных учреждениях высшего образования по направлению 27.03.04 «Управление в технических системах». Он разработан с учётом действующих государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по данному направлению.

Материалы данного практикума выполнены в виде электронного документа с использованием аппарата гиперссылок и других средств повышения наглядности и удобства использования. При необходимости совмещения на дисплее текста МУ и программы коммутации схем рекомендуется использовать режим «В окне» + «Веб-документ», при этом размер шрифта выбирать масштабом.

Отзывы, замечания и предложения по совершенствованию практикума просьба направлять автору по адресу электронной почты migeras@bk.ru.

3

ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИКЛА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Состав и задачи цикла работ

Программа дисциплины "Схемотехника элементов и устройств" предусматривает проведение четырех лабораторных работ (17 часов).

Дисциплина является продолжением курса «Цифровая электроника» и проводится в освоенных студентами условиях. Тем не менее в начале цикла проводится повторение со студентами правил безопасности, действующих в лаборатории, и правил пользования лабораторным оборудованием (стендами, осциллографом и другими приборами). В случае нарушения правил студенты могут быть отстранены от работы и подвергнуты повторной сдаче зачета по технике безопасности.

Описание стенда для выполнения работ 1-2 приведено в МУ «Функциональные узлы цифровой электроники: методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-3 по дисциплине "Цифровая электроника"», описание стенда для работ 3-4 входит в теоретическую часть МУ по соответствующей работе.

4

Содержание цикла лабораторных работ – изучение свойств основных функциональных узлов систем управления на базе микроЭВМ, приобретение студентами навыков их практического применения.

Проведение каждой лабораторной работы включает этапы подготовки, выполнения работы, оформления и защиты отчета. Каждая лабораторная работа требует ориентировочно 2 часа на подготовку к выполнению и 2 часа на оформление отчета и подготовку к его защите. Это время предусмотрено в учебном плане как самостоятельная работа.

Подготовка к выполнению лабораторной работы

Необходимо:

-изучить теоретические сведения по теме работы, приведенные в методических указаниях и рекомендованной лите- ратуре /1-3/, подготовить ответы на вопросы, знание которых необходимо для допуска к работе (контрольные вопросы);

-составить заготовку отчета с названием работы, планом эксперимента (в развернутой форме), заголовками подлежащих заполнению таблиц, осциллограмм и т.п.

Основной стадией подготовки к работе является составление плана эксперимента (ПЭ) – в данном цикле для исследования различных функциональных узлов и подсистем. Бригада, не подготовившая ПЭ, к выполнению работы не допускается. План должен включать:

-цель работы (приведена в методических указаниях к каждой работе).

-функциональный анализ исследуемого устройства,

-перечень дополнительных элементов, необходимых для исследования (рекомендованы в МУ),

-принципиальную схему (схемы) эксперимента,

-схему соединений, обеспечивающую коммутацию согласно разработанной принципиальной схеме,

5

-перечень подлежащих выполнению процедур, названия и

местонахождение анализируемых сигналов, методику измерений или исследований.

Функциональный анализ начинают с уяснения назначения устройства. Затем следует составить список его функций, изучив соответствующую литературу, ссылки на которую приведены в МУ к каждой работе. Если устройство имеет несколько функций, следует определить их взаимное влияние, в частности приоритеты. Удобно при этом пользоваться структурными и функциональными схемами устройств, а при изучении микросхем – их условными графическими обозначениями /3, 4/. Уяснив назначение входов, следует определить, какое состояние должны иметь те из них, которые не исследуются на данной стадии эксперимента.

Далее следует выбрать дополнительные элементы, необходимые для исследования микросхемы (модуль индикации, делитель частоты и т.п.), и составить принципиальную схему (схемы) эксперимента – схему соединения этих элементов, исследуемой схемы и контактных полей стенда, указав на ней расположение всех компонентов. Изображение схемы должно соответствовать правилам, приведенным в /4/. По схеме и таблицам коммутации стенда нужно составить рабочую таблицу коммутации, обеспечивающую необходимые соединения.

Следующим этапом планирования является составление (на основе результатов функционального анализа устройства) перечня подлежащих выполнения процедур. В перечне следует определить вид подаваемых на входы сигналов и порядок их подачи, а также наименование входных, выходных и промежуточных сигналов, подлежащих выводу на индикацию. Рекомендуется разбить эксперимент на стадии, каждая из которых должна соответствовать исследованию одной функции, и дать им названия (например, по анализируемой функциональной группе входов). В состав эксперимента должны входить исследования функционирования устройства как при подаче стандартных комбинаций входных воздействий, так и при

6

конфликтных ситуациях (для проверки приоритетов, защит и т.п.). Полученный перечень должен иметь наглядный вид и сопровождаться необходимым комментарием.

Проведение лабораторной работы

К началу лабораторного занятия каждый студент должен представить отчет по предыдущей лабораторной работе (требования к отчету см. ниже) и заготовку отчета для очередной работы (со схемами и планом экспериментов). В начале каждого занятия студент защищает отчет по предыдущей работе и сдает коллоквиум по очередной. Если на коллоквиуме выясняется, что студент не готов к работе или не выполнил предварительного задания, то к работе он не допускается, так же, как и студент, не защитивший двух предыдущих работ к моменту выполнения очередной работы. Пропущенную по неуважительной причине лабораторную работу студент, как правило, выполняет на последней неделе семестра.

Входе лабораторной работы студентам следует обдумывать теоретическое обоснование каждого опыта перед его выполнением и после оформления результатов. Перед снятием показаний приборов в каждой точке полезно просмотреть качественно поведение устройства в целом, выявить и зафиксировать характерные значения аргументов и функций, сравнить

стеоретическими предсказаниями и в случае существенного расхождения выявить причину. Основные навыки пользования лабораторным оборудованием студенты получают в ходе предшествующих курсов.

Впроцессе выполнения лабораторной работы все данные заносят в отчет или в протокол (один на бригаду), который после выполнения работы подписывается преподавателем и служит исходным материалом при составлении отчета.

Заключительной стадией проведения эксперимента должен быть анализ полученных результатов и формулирование выводов, которые заносятся в отчет.

7

Требования к оформлению отчета по работе

Отчет должен выполняться на стандартных листах либо в тетради (для всего цикла работ) аккуратно и в соответствии с /5/. Он должен содержать заголовок с выходными данными (институт, кафедра, группа, авторы, дата оформления, наименование лабораторной работы), материалы подготовительной стадии работы (см. выше), результаты эксперимента, их анализ и выводы. Графики должны быть выполнены на миллиметровой бумаге или на белой с нанесенной масштабной сеткой, в отчете должны помещаться необходимые пояснения к графикам. Сопоставляемые зависимости должны быть изображены на одном рисунке. На изображениях осциллограмм необходимо указать масштабы. На координатных осях должны быть нанесены обозначения отложенных переменных.

Краткая инструкция по технике безопасности при выполнении лабораторных работ

Перед началом выполнения лабораторных работ студенты обязаны изучить инструкцию по технике безопасности и противопожарным мерам для работающих в лаборатории, ознакомиться с расположением силового электрооборудования и распределительного щита.

Во избежание несчастных случаев при работе в лаборатории необходимо строгое выполнение следующих основных правил техники безопасности.

До начала работы все ее участники должны на месте подробно ознакомиться со схемой соединений, усвоить расположение электрических цепей и элементов электрооборудования, обратив особое внимание на место расположения выключателей со стороны питающей сети. Сборка схемы и ее изменение должны производиться при отключенных выключателях со стороны питающей сети.

Нельзя прикасаться руками к неизолированным проводам, соединительным клеммам и другим частям схемы, находящимся под опасным напряжением.

8

После произведенных в схеме изменений она должна быть проверена преподавателем и только с его разрешения подключена к сети.

До пуска лабораторной установки необходимо произвести ее осмотр и убедиться в исправности заземления и отсутствии посторонних предметов. Перед включением установки необходимо проверить, нет ли опасности прикосновения к токоведущим элементам схемы. Включающий напряжение обязан предупредить об этом всех работающих на установке. При проверке схемы, находящейся под напряжением, необходимо стоять на диэлектрическом коврике. Проверку следует производить вольтметром с хорошо изолированными проводами или специальными индикаторами.

Студентам не разрешается резать, сращивать и расплетать провода. Смена предохранителей производится преподавателем или лаборантом при отключении всех выключателей на рабочем месте.

Разборка схем допускается только при отключении напряжения питания. В случае неисправности установки необходимо ее немедленно отключить и сообщить об этом преподавателю.

Указания к пользованию приборами

При подключении двухлучевого осциллографа к измеряемым цепям следует учитывать, что оба его входа имеют общую точку, связанную с корпусом прибора, поэтому общую точку должны иметь и измеряемые сигналы, если они гальванически связаны. Следует помнить, что схема лабораторного стенда не обеспечивает быстродействующую защиту источников постоянного тока от коротких замыканий, поэтому студентам рекомендуется тщательно проверять собранные схемы перед подачей на них питания. В случае вывода стенда из строя бригада, работавшая на нем, заканчивает выполнение работы в другое время по согласованию с преподавателем.

9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЬЦЕВЫХ КОММУТАТОРОВ

Цель работы:

–изучить возможности различных последовательностных микросхем применительно к задаче синтеза кольцевых коммутаторов;

–разработать схемы реализации кольцевых коммутаторов на различной элементной базе с предотвращением их входа в ложные состояния.

Теоретические сведения

Для использования совместно с различными датчиками и исполнительными системами роботов нередко требуются многофазные генераторы (МФГ) – схемы, выдающие на множество своих выходов упорядоченную систему импульсов. МФГ обычно состоят из генератора тактовых импульсов и формирователя системы импульсов (распределителя). Простейшие разновидности МФГ – генераторы обегающего импульса (паузы) и генераторы многофазной системы меандров.

В генераторах трехфазной системы меандров (рис. 1.1) распределитель, называемый фазорасщепителем или кольцевым коммутатором (КК), строят обычно на триггерах, регистрах сдвига или счетчиках.

Триггером называется простейший цифровой автомат с памятью, т.е. автомат, имеющий 2 внутренних состояния. Состояние триггера отображается значением его выхода Q (или значений Q и Q#, обычно парафазных). Основное правило его функционирования состоит в том, что триггер должен иметь полную систему выходов и полную систему переходов, т.е. возможность с помощью входных сигналов переводить