Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование управляющих цифровых устройств. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»
Кафедра «Управление и защита информации»
С.С. УВАРОВ, А.В.ВАГАНОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Для бакалавров профиля
«Управление и информатика в технических системах»
Москва - 2020
УДК 685.5
У 18
Уваров С.С. Ваганов А.В. Проектирование управляющих цифровых
устройств: Учебно-методическое пособие. - М.: РУТ (МИИТ), 2020. - 63 с.
Учебно-методическое пособие содержит рекомендации по
проектированию цифровых управляющих устройств на жёсткой логике.
Изложен порядок синтеза синхронного счётчика с произвольным порядком
счёта, а также расчёта ключевых устройств. В приложениях приводятся
справочные данные по некоторым электронным компонентам, применяемым
в курсовом проекте, а также необходимые сведения из ГОСТ. Пособие
предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению «Управление в
технических системах».
Рецензент:
д.т.н., зав.кафедрой «Электропоезда и локомотивы» РУТ (МИИТ)
Пудовиков О.Е.
© РУТ (МИИТ), 2020
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список используемых сокращений ....................................................................... 5
1 Цели и задачи курсового проектирования .................................................. 6
2 Тема для курсового проекта ......................................................................... 6
3 Введение ......................................................................................................... 6
4 Функциональная схема цифрового устройства управления ..................... 8
5 Синтез счётчика с произвольным порядком счёта .................................. 10
5.1 Пример 1. Синтез 2-х разрядного счётчика с произвольным порядком
счёта .............................................................................................................. 13
5.1.1 Синтез счётчика на JK триггерах .............................................................. 14
5.1.2 Синтез счётчика на D триггерах ................................................................ 14
5.2 Пример 2. Синтез 3-х разрядного счётчика с произвольным порядком
счёта .............................................................................................................. 15
5.2.1 Решение для JK триггеров: ......................................................................... 15
5.2.2 Решение для D триггеров ........................................................................... 17
5.3 Пример 3. Синтез 3-х разрядного счётчика с произвольным порядком
счёта .............................................................................................................. 18
5.3.1 Решение для JK триггеров: ......................................................................... 19
5.4 Пример 4. Синтез 4-х разрядного двоично-десятичного счётчика в коде
8-4-2-1 ........................................................................................................... 24
6 Расчёт электронного ключа ........................................................................ 27
6.1 Расчёт ключа с использованием буферных элементов ЦИМС .............. 27
6.1.1 Расчёт добавочного сопротивления при работе ключа на светодиод ... 28
6.1.2 Расчёт добавочного сопротивления при работе на обмотку реле .......... 28
6.2 Основные соотношения для ключа на биполярном транзисторе в
статике .......................................................................................................... 29
6.2.1 Условие запирания ключа .......................................................................... 29
6.2.2 Условие отпирания ключа. ......................................................................... 30
6.2.3 Насыщение транзистора. ............................................................................ 30
6.3 Исходные данные для расчёта ключа ....................................................... 31
6.4 Порядок расчёта транзисторного ключа ................................................... 32
6.4.1 Оценочный расчёт добавочного сопротивления в коллекторной цепи 33
6.4.2 Расчёт необходимого коэффициента усиления по току транзистора .... 33
6.4.3 Выбор транзистора ...................................................................................... 35
6.4.4 Выбор защитного диода ............................................................................. 36
6.4.5 Расчёт номинального значения добавочного сопротивления в
коллекторной цепи ................................................................................................ 37
6.4.6 Расчёт элементов схемы однокаскадного ключа ..................................... 37
6.4.7 Расчёт мощности резисторов ..................................................................... 37
6.5 Расчёт двухкаскадного транзисторного ключа с инверсией входного
сигнала .......................................................................................................... 38
3
6.6 Расчёт двухкаскадного транзисторного ключа без инверсии входного
сигнала .......................................................................................................... 39
7 Оформление пояснительной записки ........................................................ 40
8 Задание на курсовое проектирование ....................................................... 41
8.1 Часть 1 курсового проекта ......................................................................... 42
8.2 Часть 2 курсового проекта. ........................................................................ 44
9 Порядок выполнения курсового проекта.................................................. 45
ПРИЛОЖЕНИЕ I ТРИГГЕРЫ ............................................................................. 46
ПРИЛОЖЕНИЕ II РЯДЫ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ ..................................................... 49
ПРИЛОЖЕНИЕ III РЯДЫ СТАНДАРТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ....................... 50
ПРИЛОЖЕНИЕ IV ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ ..................................... 51
ПРИЛОЖЕНИЕ V ПАРАМЕТРЫ МИКРОСХЕМ ТТЛ СЕРИЙ ..................... 53
ПРИЛОЖЕНИЕ VI ВЫХОДНЫЕ ТОКИ МИКРОСХЕМ КМОП (КМДП)
СЕРИЙ .......................................................................................................... 55
ПРИЛОЖЕНИЕ VII ПАРАМЕТРЫ ОПТОПАР ................................................ 56
ПРИЛОЖЕНИЕ VIII ПАРАМЕТРЫ СВЕТОДИОДОВ .................................... 57
ПРИЛОЖЕНИЕ IX ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЛЕ ............. 58
ПРИЛОЖЕНИЕ X ПАРАМЕТРЫ МИНИАТЮРНЫХ ЛАМП
НАКАЛИВАНИЯ ........................................................................................ 61
Список литературы ............................................................................................... 62
4
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ИС интегральная схема
ИУ исполнительное устройство
КС комбинационная схема
МФГ многофункциональный генератор
ПИ последовательность импульсов
УУП устройство управления электропитанием
ЦИМС цифровая интегральная микросхема
ЦУУ цифровое устройство управления
ЕСКД единая система конструкторской документации
5
1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Целью курсового проектирования является:
- расширение и закрепление знаний в области разработки цифровых
устройств и узлов сопряжения цифровых устройств с исполнительными
устройствами и элементами индикации систем автоматики и связи;
- ознакомление с процессом разработки, как одним из этапов создания
электронных устройств;
- развитие навыков использования технической и справочной
литературы при разработке;
- ознакомление с цифровыми интегральными микросхемами (ЦИМС)
малой и средней интеграции, изучение функционального состава серий
ЦИМС.
Основные задачи проектирования состоят в разработке схемы
цифрового устройства, обеспечивающего заданную временную диаграмму
управления периферийным устройством, реализуемую посредством счётчика
с произвольным порядком счёта, выборе и расчёте буферных и ключевых
устройств сопряжения с элементами передачи информации (оптопары), с
исполнительными устройствами (реле) и элементами индикации (светодиоды,
миниатюрные лампы накаливания).
2 ТЕМА ДЛЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
«Цифровое устройство управления с четырёхфазным цифровым генератором
импульсов».
Задание и исходные данные приведены в разделе 8.
3 ВВЕДЕНИЕ
Современные цифровые системы управления объектом автоматизации
строятся, как правило, на основе микрокомпьютеров или микроконтроллеров,
которые выполняют записанную в них программу управления
исполнительными устройствами и средствами отображения интерактивной
информации, информации о процессе выполнения программы управления и о
возникающих неисправностях и аварийных ситуациях.
При проектировании сложных систем управления применяют методы
структурной декомпозиции, которые позволяют выделить из общего
алгоритма управления так называемую интеллектуальную составляющую,
возлагаемую на компьютер, и рутинную составляющую алгоритма. Рутинная
составляющая общего алгоритма управления, как правило, тесно связана на
аппаратном уровне с порядком функционирования исполнительных устройств
и для её реализации в систему встраивают процессор ввода/вывода или для
более тривиальных случаев разрабатывают драйверы на жёсткой логике, а для
управления исполнительными устройствами и средствами отображения на
физическом уровне применяют электронные ключи.
6
Наибольшее распространение в цифровой интегральной электронике
получили ЦИМС на основе ТТЛ, ТТЛШ и КМОП (КМДП) технологий,
которые отличаются между собой параметрами предельной рабочей частоты
переключения и потребляемой от источника электропитания мощности.
Драйверы на жёсткой логике строятся на элементах ЦИМС с подходящими
параметрами.
Одним из важнейших аспектов проектирования электронных устройств
является обеспечение надёжности на этапе разработки. Это означает, что
создаваемые электронные схемы должны быть, во-первых, физически
реализуемы (или работоспособны) ещё в чертежах и схемах, во-вторых,
должны быть устойчивыми к влиянию помех и дестабилизирующих факторов,
к которым относятся изменение температуры окружающей среды и старение
элементов, а в-третьих, должны удовлетворять требованиям надёжности.
В практической электронике ни один элемент схемы не имеет точно
заданных параметров, они всегда задаются с допуском, например для
источника электропитания задают разброс значения его выходного
напряжения либо в абсолютных значениях, например Eп1=+5В ±0,25В или в
процентах от номинального значения Eп1=+5В ±5%. Все пассивные элементы
электронной схемы (R, C) выпускаются промышленностью с номинальными
значениями, соответствующими рядам номинальных значений с заданными
допусками на разброс. Таблица рядов номинальных значений приведена в
Приложении II.
Предельные и рабочие значения параметров активных элементов
(диоды, транзисторы и пр.), а также коммутирующих элементов (кнопки,
переключатели, реле и пр.) указываются в справочниках, технических
условиях или паспортах, прилагаемых к упаковкам элементов.
Отклонения параметров элементов схемы обусловлены
технологическими причинами, по котором невозможно при производстве
воспроизвести абсолютно точно параметры элементов от партии к партии
элементов, а также в течение времени текущей настройки технологического
процесса. Вместе с тем выпускаются элементы, которые относятся к
прецизионным, с малыми и очень малыми отклонениями от номинальных
значений, однако они значительно дороже элементов с типовыми
отклонениями параметров и применяются в экономически обоснованных
случаях, например при производстве измерительной техники.
Наряду с технологическими отклонениями параметров элементов,
отклонения обусловлены изменениями условий эксплуатации, например
изменениями температуры окружающей среды (быстрые изменения), а также
старением элементов (медленные изменения).
Любая электронная схема должна выполнять возложенные на неё
функции в течение всего срока службы изделия, в которое она входит, поэтому
проектирование электронных схем проводится в расчёте на наихудший
случай, т.е. на неблагоприятное сочетание отклонений параметров элементов
схемы.
7
4 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ
На Рис. 1 представлена функциональная схема проектируемого
цифрового устройства управления (ЦУУ) исполнительным устройством (ИУ).
В состав устройства входят два узла:
1) Многофазный генератор импульсов управления ИУ.
2) Узел управления электропитанием ИУ.
Рис. 1 Функциональная схема проектируемого цифрового устройства
управления
Многофазный генератор импульсов управления ИУ (МФГ)
предназначен для формирования M последовательностей импульсов (ПИ) в
соответствии с заданной временной диаграммой. В качестве формирователя
ПИ используется М-разрядный счётчик с произвольным порядком счёта
(триггеры DD3.1, …, DD3.M, комбинационная схема KC). Комбинационная
схема KC обеспечивает работу счётчика в соответствии с заданной временной
диаграммой. KC обеспечивает обратные связи в счётчике и является
8
аппаратной реализацией совместного решения прикладных уравнений
1
счётчика и характеристического уравнения триггера
(см. раздел 5).1
С целью исключения влияния импульсных помех от ИУ на
микрокомпьютер, связь между ними организована через оптронные
развязывающие устройства (Оптопары 1…М). Количество оптопар
соответствует количеству разрядов М формирователя ПИ.
Временная диаграмма ПИ задаётся последовательностью чисел, которые
являются десятичными эквивалентами двоичных кодов счётчика, которые он
последовательно и циклически принимает при поступлении на его вход
синхронизации тактовой частоты
. Соответствие десятичных чисел ПИ и
временной диаграммы МФГ показано на рисунке (Рис. 37).
Перед началом работы ИУ на него подаётся электропитание через
промежуточное реле «Реле включения питания ИУ», сигнал «Пуск ПУ» при
этом удерживается в нулевом состоянии и импульсы тактовой частоты на вход
счётчика не поступают, так как на вход схемы совпадения DD4 поступает
запрещающий сигнал с выхода инвертора DD7.
Начальное состояние счётчика задаётся программой микрокомпьютера,
по которой формируется сигнал «Сброс» через инвертор DD5,
устанавливающий триггеры DD3.1,…, DD3.M счётчика в нулевое состояние, а
затем начальный код, поступающий на схемы совпадения DD2.1, …, DD2.M,
записывается в счётчик по S входам триггеров по сигналу «Запись кода»,
который поступает на вторые входы DD2.1, …, DD2.M через инвертор DD1.
Узел управления электропитанием ИУ предназначен для включения
и выключения питания ИУ, а также индикации состояния ИУ. В состав узла
управления электропитанием (УУП) входят:
промежуточное реле включения питания ИУ и ключ для его
включения и выключения (см. функциональную схему ЦУУ),
индикатор (светодиод) события «Пуск ИУ» и ключ включения и
выключения светодиода,
индикатор (табло на лампах накаливания) события «Авария» и
ключ для его включения и выключения.
Описание работы ЦУУ. Управление ЦУУ осуществляется от
микрокомпьютера, по записанной в его память программе:
на входе «Пуск ИУ» удерживается сигнал низкого уровня,
запрещающий поступление тактовой частоты
на входы
синхронизации триггеров DD3.1, …, DD3.M,
Комбинационная схема представляет собой логическое устройство, создающее обратные связи в
счётчике, вместе с тем, при использовании JK триггеров с логикой 3И часто удаётся построить безвентильный
счётчик (см. «синтез двоично-десятичного счётчика в коде 8421» на стр. 16), в котором комбинационной
схемой является совокупность связей выходов Q и входов J и K триггеров счётчика.
9
на входе «Сброс» формируется импульс, устанавливающий
триггеры DD3.1, …, DD3.M в нулевое состояние,
на первых входах DD2.1, …, DD2.M устанавливается начальный
код и подаётся импульс «Запись кода» на инвертор DD1,
включение ИУ осуществляется по сигналу от микрокомпьютера,
поступающего на вход схемы совпадения DD6, на втором входе
схемы совпадения предварительно сформирован высокий уровень
с выхода инвертора DD8,
на вход «Пуск ИУ» подаётся сигнал высокого уровня,
разрешающий поступление тактовой частоты на входы
синхронизации триггеров, а также включающий светодиод
«Пуск».
Сигнал «Авария» низкого уровня формируется на входе инвертора DD8
в двух случаях: 1) программа выявила нештатную ситуацию, 2) пропало
питание микрокомпьютера. Сигнал низкого уровня поступает на второй вход
схемы совпадения схемы DD6, реле питания выключается и включается
индикатор «Авария».
5 СИНТЕЗ СЧЁТЧИКА С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ПОРЯДКОМ СЧЁТА
Счётчик является одним из наиболее часто применяемых устройств в
схемотехнике цифровых вычислительных машин, цифровых логических
устройств, цифровой обработки сигналов, синтезаторов частоты [1, 3].
Счётчик - устройство, на выходах которого получается код,
определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на
T, D или JK-триггерах. Основной параметр счётчика - модуль счёта
(максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано
счётчиком).
Счётчики классифицируют:
по модулю счёта: двоично-десятичные; двоичные; с
произвольным постоянным модулем счёта; с переменным
модулем счёта;
по направлению счёта: суммирующие, вычитающие, реверсивные;
по способу формирования внутренних связей: с
последовательным переносом, с параллельным переносом, с
комбинированным переносом; кольцевые;
Как правило, построение структурной и функциональной схем
счётчиков не вызывает затруднения у разработчика, синтез счётчика может
быть проведён эвристическим методом с использованием прототипов, широко
представленных в литературе. Вместе с тем, применение эвристических
методов не приводит к быстрому и безошибочному результату в тех случаях,
когда требуется синтезировать счётчик с произвольным порядком счёта [3].
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]