В данном курсовом проекте рассматривается устройство централизованного контроля «Марс - 200».

Д₂

Д₁₅₀

Рисунок 1 – Принципиальная схема устройства централизованного

контроля «Марс-200»

При необходимости управления больших числом однотипных технологических агрегатов целесообразно взамен большого числа индивидуальных приборов и регуляторов использовать устройства централизованного контроля, содержащие обегающее устройство, которое последовательно собирает информацию со всех датчиков. Возможность применения обегающих устройств даже при большом числе точек замера (десятки и сотни) обосновывается значительной инерцией технологического оборудования. Обегающее устройство преобразует все величины в удобную для регистрации цифровую форму.

Устройство «Марс -200» служит для централизованного контроля 150 точек измерения, например, температуры, при управлении формовочными прессами в производстве резиновых и пластмассовых изделий. Устройство обеспечивает также позиционное регулирование во всех точках измерения. Обегающее устройство состоит из генератора импульсов 1 и релейного распределителя 2 , поочередно подключающего датчики Д1, Д2, .., Д150 к узлу сравнения 3. Напряжение от датчика сравнивается с заданным напряжением, получаемым от коммутационной доски уставок 4. Разности напряжений подаются в фазочувствительные усилители с релейным выходом У-М (меньше нормы), У-Н (норма), У-Б (больше нормы). Если разность напряжений отрицательна, то через блок управления 5 подается сигнал позиционного регулирования на соответствующее реле управления Р. Если значение температуры выходит за пределы нижней и верхней уставок, то печатающее устройство 6 отпечатает красной краской значение отклонившегося параметра с указанием времени (от часов 7). Для этого напряжение датчика подключается к автокомпенсатору 8 с цифровым преобразователем 9 . Благодаря использованию дешифратора 10 результат выдается в виде трехзначного десятичного числа. При вхождении параметра в пределы допуска печатающее устройство автоматически переходит на черную краску. В качестве печатающего устройства используется электрическая пишущая машинка. В схеме предусмотрена сигнализация обрыва или замыкания цепей датчика. Конструктивно устройство «Марс-200» состоит из металлического шкафа блоками 2000*2000*600 мм и печатающего устройства. Время регистрации одной точки 0,4 сек. Погрешность регистрации и исполнительного сигнала 1,5%. Выпускаются также устройства «Марс-300» и «Марс-100» для централизованного контроля состояния процессов в химических производствах. Машины «Марс» работают в комплекте с датчиками температуры (термопары, термосопротивления), индуктивным датчиками расхода и реостатными датчиками.

1 Классификация цифровых устройств

Микроэлектронные приборы и устройства являются составной частью аппаратов и систем практически всех отраслей науки и техники. Номенклатура микроэлектронной аппаратуры растет чрезвычайно быстро. На сегодняшний день перед специалистом разработчиком стоит задача правильного выбора и оптимального использования готовых микросхем. В том случае, когда параметры выпускаемых микросхем не удовлетворяют растущим потребностям науки и техники, возникает проблема усовершенствования их характеристик с помощью относительно простых внешних соединений.

На первом этапе создания микроэлектронной аппаратуры функциональные узлы и блоки компоновали в металло-стеклянном, керамическом и пластмассовом корпусах совместно с большим числом дискретных элементов. Для монтажа использовались печатные платы. В настоящее время конструктивной основой микроэлектронной аппаратуры является метод компоновки бескорпусных микросборок в объемные функционально законченные герметизированные узлы. Такой метод позволяет в 3…4 раза снизить массу и габаритные размеры однотипных изделий.

Особенностью микроэлектронной аппаратуры является широкое использование математических методов решения всех задач. Средствами микроэлектроники можно смоделировать математические выражения любой сложности. Если раньше математику применяли лишь для анализа и синтеза радиотехнических цепей и устройств, то теперь математика служит отправной точкой решаемой радиоэлектронными устройствами задачи. Сегодня математика и электроника оказались тесно связанными дисциплинами.

Цифровые устройства различного назначения получили в настоящее время широкое распространение. Они занимают ведущее место почти во всех устройствах и начинают использоваться даже в таких традиционно-аналоговых областях техники, как акустика и звукозапись. Цифровые узлы предназначены для преоб-

разования и обработки сигналов, изменяющихся по законам дискретной функции.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Аналого-цифровые преобразователи

К572ПВ1, КР572ПВ2,

К572ПВ4, К1107ПВ1

К572ПА1, К572ПА2,

К427ПА1, К594ПА1

Цифроаналоговые преобразователи

Мультиплексоры

К155КП1, К531КП2,

К155КП5, К555КП11

Демультиплексоры

Дешифраторы

К155ИД11, К155ИД13,

К155ИД10, К533ИД1

Шифраторы

КМ555ИВ1, К555ИВ3

Сумматоры

К555ИМ1, К155ИМ3

Регистры

К155ИР1, К531ИР11

Триггеры

К155ТВ1, К555ТВ6

Счетчики

К155ИЕ2, К155ИЕ8

Рисунок 1.1 – Классификация цифровых устройств

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}.

Рисунок 1.2 – Структурная схема конвейерного аналого-цифрового преобразователя

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. Схема последовательного ЦАП, приведенная на рисунке 1.2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

S₁

S₃

C₁

U₁

U_оп

U_вых

S₄

S₂

C₂

Рисунок 1.3 – Структурная схема цифро-аналогового преобразователя

на переключаемых конденсаторах

Мультиплексор – устройство, осуществляющее преобразование параллельных цифровых кодов в последовательные. Цифровые многопозиционные переключатели, или коммутаторы, называют мультиплексорами. Они позволяют коммутировать сигналы от нескольких генераторов цифровой информации в единственный выходной провод (шину). Для этого необходимо выбрать соответствующий вход. Мультиплексоры способны выбирать определенный канал, поэтому иногда их называют селекторами-мультиплексорами. Например, для передачи на вход данных от девятого канала следует установить код адреса 1001. число входов может быть шестнадцать, а выход один.

Мультиплексоры КП (КП1, КП2, КП5, КП7…КП19) различаются по числу входов, по способам адресации, наличием дополнительных входов разрешения и различных выходов (прямых и инверсных). Микросхема КП1 – это селектор-мультиплексор на 16 каналов со стробированием. Данный мультиплексор представляет собой 16-позиционный переключатель, имеющий на выходе инвертор. Он позволяет с помощью 4-х адресных входов выбора S0…S3 передать данные, поступающие на один из информационных входов I1…I16, в выходной провод. Имеется дополнительный вход разрешения с активным низким уровнем напряжения. Если на вход разрешения подать напряжение высокого уровня, то на выходе появится высокий уровень независимо от сигналов, действующих на входах, и кода на адресных входах. Напряжение низкого уровня, поданное на вход, разрешает прохождение данных от входов в зависимости от кода на адресных входах.

Мультиплексоры КП2 кроме обычных применений дают возможность: автоматического распределения сигналов с любого информационного канала; выбора одного из информационных каналов; реализации логического функции параллельно-последовательного кодопреобразователя; осуществление мультиплексирования с N линий на 1.

X1

1

• X2

  1

• D0

  &

• D1

  &

  Y

• D2

  1

• &

• D3

  &

• C

  1

Рисунок 1.4 – Функциональная схема мультиплексора

Демультиплексоры в функциональном отношении противоположны мультиплексорам. В демультиплексорах сигналы с одного информационного входа распределяются в желаемой последовательности по нескольким выходам, то есть происходит преобразование последовательного кода слова в параллельный.

• Дешифратором называется комбинационная схема с несколькими входами и выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если на входы дешифратора подаются двоичные переменные, каждая из которых может принимать значения 0 или 1, то на одном из выходов дешифратора вырабатывается сигнал 1, а на остальных выходах сохраняются сигналы 0.

• В общем случае дешифратор, имеющий n входов, имеет 2ⁿ различных зна

чений и каждому из этих значений должен соответствовать сигнал 1 на одном из выходов дешифратора. Дешифраторы устанавливаются в схемах ЦВМ на выходах регистров или счетчиков и служат для преобразования кода слова, находящегося в регистре (в счетчике), в управляющий сигнал на одном из выходов дешифратора. Как правило, в целях экономии оборудования код слова из регистра передается на дешифратор не только своими прямыми значениями, но и инверсными, а следовательно, дешифратор на 2ⁿ выходов имеет не n,а 2n входов.

• Схемы дешифратора строят различным образом в зависимости от формата дешифрируемого слова и особенностей применяемой системы элементов. Различные схемы дешифраторов можно сравнивать по быстродействию и аппаратным затратам. Быстродействие дешифраторов определяется величиной, обратной произведению времени задержки в элементе t₃ на число каскадов К дешифратора. Аппаратные задержки можно оценить количеством логических элементов в схеме дешифратора М и общим количеством входов в элементы m.

Рисунок 1.5 – Функциональная схема пирамидального дешифратора

Шифратор преобразует сигнал, поданный только в один входной провод, в

выходной параллельных двоичный код, который появиться на выходах шифратора. Чтобы шифратор откликался на входной сигнал только одного провода, его схему делают приоритетной. Тогда выходной код должен соответствовать номеру «старшего» входа, получившего сигнал. Шифратор – устройство, преобразующее код Сn¹ в двоичный. Это означает, что шифратор выполняет функции, обратные дешифратору. Действительно, если в шифраторе сигнал подается на несколько входов и возбуждает только один выход, то в дешифраторе сигнал поступает только на один вход, образуя двоичный код на нескольких выходах. Шифратор позиционного 10-ного кода в 2-ный может быть выполнен на элементах ИЛИ.

Сумматоры – устройства, предназначенные для выполнения арифметического суммирования (сложения) чисел в двоичном коде. Простейших случай это суммирование двух одноразрядных чисел: 0+0=0; 1+0=1; 1+1=10. в последнем случае выходное число 10=2 оказалось двоичным 2-разрядным. Появившаяся в старшем разряде сумма единица называется единицей переноса. Полные сумматоры многоразрядных чисел составляются из полных сумматоров одноразрядных чисел. Они могут выполнять основную арифметическую операцию – суммирование много разрядных чисел 2-мя способами: параллельным и последовательным. В параллельном сумматоре суммируются 2 5-разрядных числа (слова). В каждом элементарном сумматоре получается суммы 0…4 и сигналы внутреннего переноса, которые последовательно поступают на вход переноса. Недостатком такого параллельного сумматора является большое время распространения сигналов переноса. Параллельные, безрегистровые сумматоры обеспечивают наибольшую скорость суммирования, если снабжены схемой ускоренного переноса. Последовательный двоичный сумматор содержит три 3-разрядных регистра слагаемых в регистр суммы. Суммируемые числа загружаются в регистры позарядно.

Регистр — это последовательностное логическое устрой­ство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинаци­онное цифровое устройство, с помощью которого обеспе­чивается выполнение некоторых операций над словами.

Типичными являются следующие операции:

1) прием слова в регистр;

2) передача слова из регистра;

3) поразрядные логические операции;

4) сдвиг слова влево или вправо на заданное число раз­рядов;

5) преобразование последовательного кода слова в па­раллельный и обратно;

6) установка регистра в начальное состояние (сброс).

Фактически любое цифровое устройство можно пред­ставить в виде совокупности регистров, соединенных друг с другом при помощи комбинационных цифровых уст­ройств.

Регистры классифицируются по следующим видам: накопительные (регистры памяти, хранения); сдвигающие.

Сдвигающие регистры в свою очередь делятся: по способу ввода-вывода информации; по направлению передачи информации.

Рисунок 1.6 – Функциональная схема трехразрядного, параллельного,

парафазного регистра

Триггер – простейший последовательностный элемент. Это устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием входного сигнала скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое. Триггер – простейший цифровой автомат с памятью и способностью хранить 1 бит информации. В основе любого триггера находится регенеративное кольцо из 2-х инверторов. Триггер имеет два выхода: прямой и инверсный. Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером. В настоящее время существует несколько разновидностей триггерных схем. Они появились как результат разработки новых цепей запуска. По способу записи информации триггеры делятся на асинхронные (не синхронизируемые) и синхронные (синхронизируемые). У асинхронных триггеров запись информации (переключение триггера) происходит под действием информационных сигналов. Такие триггеры имеют только информационные входы. У синхронных триггеров запись информации происходит под действием разрешающих сигналов синхронизации.

Рисунок 1.7 – Функциональная схема асинхронного, двухтактного

Т-триггера

Счетчик импульсов — это последовательностное циф­ровое устройство, обеспечивающее хранение слова инфор­мации и выполнение над ним микрооперации счета, за­ключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика — модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчита­но счетчиком. Счетчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счетчики классифицируют:

1) по модулю счета:

а) двоично-десятичные;

б) двоичные;

в) с произвольным постоянным модулем счета;

г) с переменным модулем счета;

2) по направлению счета:

а) суммирующие;

б) вычитающие;

в) реверсивные;

3) по способу формирования внутренних связей:

а) с последовательным переносом;

б) с параллельным переносом;

в) с комбинированным переносом;

г) кольцевые.

Рисунок 1.8 – Трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом

2 ДЕШИФРАТОРЫ

2.1 Классификация дешифраторов

Дешифратором называется комбинационная схема с несколькими входами и выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если на входы дешифратора подаются двоичные переменные, каждая из которых может принимать значения 0 или 1, то на одном из выходов дешифратора вырабатывается сигнал 1, а на остальных выходах сохраняются сигналы 0.

Рисунок 2.1 - Классификация дешифраторов (DC)

Схемы дешифратора строят различным образом в зависимости от формата дешифрируемого слова и особенностей применяемой системы элементов. По способам построения дешифраторы принято подразделять на линейные, прямоугольные и пирамидальные. Различные схемы дешифраторов можно сравнивать по быстродействию и аппаратным затратам. Быстродействие дешифраторов определяется величиной, обратной произведению времени задержки в элементе t₃ на число каскадов К дешифратора.

В зависимости от входного сигнала дешифраторы бывают:

1. дешифратор с прямыми входами;

2. DC с парафазными входами;

а) б)

Рисунок 2.2 - Структурная схема дешифратора: а) дешифратор с прямыми входами; б ) дешифратор с парафазными входами

Схемы дешифратора строят различным образом в зависимости от формата дешифрируемого слова и особенностей применяемой системы элементов. По способам построения дешифраторы принято подразделять на линейные, прямоугольные и пирамидальные. Различные схемы дешифраторов можно сравнивать по быстродействию и аппаратным затратам. Быстродействие дешифраторов определяется величиной, обратной произведению времени задержки в элементе t₃ на число каскадов К дешифратора. Аппаратные задержки можно оценить количеством логических элементов в схеме дешифратора М и общим количеством входов в элементы m.

По структурной организации дешифраторы бывают:

1. линейный (однокаскадный)

2. пирамидальный

3. матричный (прямоугольный)

Линейный дешифратор представляет собой группу из логических элементов И-НЕ, число которых равно числу выходов дешифратора, а число входов у каждого элемента равно числу входных переменных. Линейная структура дешифратора обеспечивает максимальную задержку прохождения сигнала, равную задержке одного вентиля. При такой структуре дешифратора с увеличением размерности кода существенно возрастает расход оборудования.

Рисунок 2.3 – Функциональная схема линейного дешифратора

Пирамидальный дешифратор образуется при размещении в несколько ярусов ряда линейных дешифраторов, каждый из которых декодирует определенную группу переменных. Ценой введения дополнительных задержек пирамидальная структура дешифратора по сравнению с линейной позволяет сократить расход оборудования и использовать логические элементы с небольшим количеством входов.

Рисунок 2.4 - Пирамидальный дешифратор

Матричными (или прямоугольными) дешифраторами называются такие схемы дешифраторов, в которых двухходовые логические элементы И-НЕ подключаются соответственно между вертикальными и горизонтальными шинами, на которые подаются разделенные на две части прямой и инверсный наборы входных переменных.

Прямоугольный дешифратор не строят на импульсно-потенциальных элементах, так как клапан И имеет импульсный выход и сложно получить частичные выходные значения второго каскада из-за отсутствия клапана И для двух импульсных сигналов.

Дешифраторы на потенциальных элементах могут быть легко построены по любой из рассмотренных выше схем, так как во всех этих схемах используется комбинационный способ обработки информации.

Однако если сравнить схемы прямоугольного и пирамидального дешифраторов, то пирамидальный дешифратор имеет число каскадов, равное числу разрядов дешифрируемого слова, а следовательно, низкое быстродействие.

Схема матричного дешифратора обеспечивает выигрыш по оборудованию по сравнению с другими рассмотренными схемами.

x₁

x₂

x₆

x₅

x₇

x₄

x₃

Рисунок 2.5 - Прямоугольный дешифратор

В зависимости от соотношения количества входов и выходов дешифраторы бывают:

1. полные N_вых.=2^m

2. неполные N_вых.< 2^m

Если количество двоичных разрядов дешифруемого кода обозначить через n то число выходов дешифратора должно быть 2^n.Так как с помощью n-разрядного двоичного кода можно отобразить 2^n кодовых комбинаций, число выходов полного дешифратора равна 2^n. Таким образом, дешифратор содержит число выходов, равное числу комбинаций входных переменных, например, число входов равно 3, то число выходов равно 2³=8. Если часть входных наборов не используется, то дешифратор называют неполным и у него Nвых<2^n. В ЭВМ с помощью дешифраторов осуществляется выборка необходимых ячеек запоминающих устройств, расшифровка кодов операций с выдачей соответствующих управляющих сигналов и т.д.

Рисунок 2.6 – Классификация дешифраторов в зависимости от соотношения входов и выходов

Полные дешифраторы бывают следующих типов: дешифратор – демуль

типлексор ИД7; дешифратор типа ИД3; дешифратор ИД11; дешифратор типа ИД19.

Дешифратор - демультиплексор ИД7 - полный дешифратор (3x8), стробируемый по входам У. Для включения дешифратора необходимо E1&E2&E3=1. В режиме демультиплексирования адресный код подается на входы DI, а один из входов E используют как информационный. При этом на два других входа подают логические уровни, при которых выполняется равенство E1&E2&E3=1 в предположении, что на произвольно выбранном информационном входе установлена логическая 1. Например, если выбрать в качестве информационного входа У3, то на остальные E-входы следует подать логический 0. В этом случае осуществляется демультиплексирование с инверсией, а в остальных случаях - без инверсии.

Дешифратор ИД11 (3х8) для управления светодиодной шкалой с заполнением, имеет открытый эмиттерный выход и применяется со светодиодной матрицей типа 3ЛС345А, содержащей восемь светодиодов, объединенных катодами. Нормальный режим работы дешифратора при E=0 & P0=1, в этом случае количество включенных светодиодов соответствует номеру состояния по входам DI. В случае E=Р0=1 дешифратор переводится в режим гашения и на выходе переноса Р1 устанавливается уровень логической единицы. Засветка всей шкалы происходит при Р0=0, независимо от состояния других входов. Схема, приведенная на рис.106, позволяет увеличить длину светодиодной шкалы, т.е. реализовать дешифратор 4х16. В этом случае шкала состоит из двух светодиодных матриц. Таблица истинности дешифратора приведена в табл.15.

Дешифратор ИД13 (3х8) для управления светодиодной шкалой типа 3ЛС345А аналогичен дешифратору ИД11, но на выходе формируется сигнал, обеспечивающий свечение двух светодиодов одновременно, положение которых определяется входным сигналом DI. Схема каскадного включения дешифраторов для шкалы из двух светодиодных линеек приведена на рис.106, а таблица истинности в табл.16.

Дешифратор типа ИД19 - полный (4x16) и может быть использован как демультиплексор (1:16). От дешифратора ИД3 отличается лишь выходными каскадами, которые в данном случае выполнены по схеме с открытым коллектором.

Рисунок 2.7 – Условно-графическое обозначение дешифраторов типа К155ИД11, К155ИД13

Неполные дешифраторы бывают следующих типов: дешифратор типа

ИД6; двоично-десятичный дешифратор ИД10; дешифратор типа ИД1.

Двоично-десятичный дешифратор ИД10 (4х10) преобразует двоично-десятичный код в десятичный с открытым коллекторным выходом. Аналогичен ИД1, но выходной каскад не высоковольтный.

Дешифратор типа ИД6 - двоично-десятичный дешифратор (4х10) преобразует двоично-десятичный код в унитарный десятичный.

Дешифратор типа ИД1 предназначен для управления индикаторной лампой тлеющего разряда с холодным катодом (ИН-4, ИН-12, ИН14, ИН-16), имеет четыре адресных входа и десять выходов с открытым коллектором, к которым непосредственно подключаются катоды индикаторных ламп. Допустимый ток нагрузки не более 7 мА. Напряжение на закрытом выходе следует ограничить на уровне 60 В.

 

Рисунок 2.8 – Условно - графическое обозначение дешифраторов типов К155ИД10, К155ИД6, К533ИД1