2 Cинтез цифровой части гсс

Основными моментами синтеза цифрового функционального узла (ЦФУ) являются: конкретизация этого узла – наименование, выполняемые функции, область применения, логическое представление в виде логических переменных и функций, выбора соответствующего базиса И-НЕ или ИЛИ-НЕ, составление таблиц соответствия полных наборов этих переменных и их функций; минимизация этих функций с помощью распространенных методов, законов, теорем, аксиом и правил булевой алгебры; разработка аппаратной части ЦФУ, по полученным, в том числе минимизированным, логическим функциям.

Для управления по времени индикацией, а особенно энергоемкими объектами и технологическими процессами, необходим таймер, четко определяющий моменты включения, выключения, а, следовательно, длительность их работы и соответственно пропорциональный расход или потребление энергии. Основной единицей отсчета таймера является одна секунда, которая формируется и определяется частотой следования импульсов f равной 1 Гц. Эта частота как эталон времени должна быть высокостабильной и для ее получения необходимо использовать кварцевый резонатор (кварц).

Выпускаемые промышленностью кварцы имеют высокую частоту f_кр на уровне около 1 МГц и для получения частоты равной 1 Гц необходим синтез генератора прямоугольных импульсов (ГПИ), управляемого кварцем, и делителя частоты с f_кр (ДЧ) до частоты 1 Гц.

В цифровой части проектируемого ГСС необходим и произведен синтез также и других цифровых функциональных узлов. Ниже приведены результаты синтеза в виде структурных схем и краткого их описания следующих функциональных узлов: генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) с частотой генерации определенной кварцем f_кр; делителя частоты (ДЧ) – от частоты f_кр до частоты 1 Гц; формирователя временных интервалов (ФВИ); коммутатора цифровой индикации (КЦИ); преобразователя кода 8421 в код семисегментного индикатора (ПК) и цифровой индикатор выходной мощности (здесь для уменьшения объема курсового проекта не приведены синтез и схема управления несколькими цифровыми индикаторами).

2.1 Синтез генератора прямоугольных импульсов (ГПИ)

Принципиальная электрическая схема генератора прямоугольных импульсов приведена на рис. 2.2 и включает в себя: три последовательно соединенных между собой инвертора DD1, DD2, DD3, с отрицательной обратной связью (ООС), включающей в себя резистор R и с положительной обратной связью (ПОС), включающей в себя последовательно соединенный конденсатор С и кварцевый резонатор ZQ с собственной частотой f_кр; тумблер S – для подачи питания +U_и.п на инверторы DD1..DD3.

Рисунок 2.2 – Структурная схема генератора прямоугольных импульсов

Принцип действия ГПИ заключается в следующем. При включении тумблера S обеспечивается подача питания на генератор и на выходе DD3 генерируются импульсы прямоугольной формы с частотой следования, определенной кварцем f_кр.

2.2 Синтез делителя частоты(ДЧ)

Конечным результатом синтеза ДЧ является его принципиальная электрическая схема. Синтез ДЧ производится с учетом его основного параметра – коэффициента деления K_д. Значение этого коэффициента определяется отношением частоты f_кр следования импульсов с ГПИ к искомой частоте деления, равной 1 Гц. Так, например, при заданном значении f_кр=0,6 МГц коэффициент деления К_д =600000.

В качестве аппаратной реализации делителя частоты принимается счетчик с необходимым модулем счет К_счi. Коэффициент деления К_д связан и определяется вариациями модуля счета. Так, например, К_д=600000 можно реализовать используя один счетчик с модулем счета К_сч=6 и 5 счетчиков с модулем счета К_сч=10. Соединив последовательно эти счетчики (выход первого десятичного счетчика со входом второго и т.д. вплоть до выхода 5-го десятичного счетчика со входом счетчика с К_сч=6) получим фрагмент принципиальной электрической схемы делителя частоты с коэффициентом деления К_д=600000.

На рис 2.3 приведены следующие основные компоненты синтеза ДЧ с различным значением К_д:

а – принципиальная электрическая схема асинхронного суммирующего счетчика с последовательным переносом и модулем счета равным К_сч=10;

б – принципиальная электрическая схема асинхронного суммирующего счетчика с последовательным переносом с различными модулями К_счi(где i={1,2,3…15}), полученными коммутациями выходов Q3, Q2, Q1, Q0 со входами логического элемента управления DD10;

таблица 2.1, устанавливающая соответствие i-го модуля счета К_счi и кода 8421 (минитермы 1 на выходах Q3, Q2, Q1, Q0).

Синтез ДЧ с конкретным значением К_счi производится в следующем порядке: для заданного модуля счета, например, К_счi=6, по таблице соответствия определяются минитермы 1 на выходах Q счетчика (в данном случае это Q2 и Q1) и подключаются эти выходы ко входам логического элемента И-НЕ(DD11), выход этого элемента подключен ко всем установочным входам R счетчика, а через инвертор DD12 – к выходу ДЧ.

Принцип действия каждого отдельно рассмотренного выше делителя частоты и общего, с коэффициентом деления К_д, например равного 600000 заключается в следующем. Перед началом работы каждый из делителей устанавливается в исходное состояние, при котором на выходах Q3, Q2, Q1, Q0 нули (0000). Затем каждый делитель, отсчитав количество импульсов, отвечающих его модулю счета, выдает на свой выход импульс, который автоматически сбрасывает этот делитель в нулевое состояние, и передает импульс на вход следующего делителя.

Аналогично работают и все последующие делители, вплоть до того момента, когда на выходе последнего делителя не появится выходной импульс, частота следования которого будет равна 1 Гц.

Таким образом на вход делителя поступают прямоугольные импульсы с частотой кварца f_кр=0,6 МГц, а на выходе появляются импульсы с частотой 1 Гц (по времени соответствующие 1 секунде). Эти импульсы поступают на вход

формирователя временных интервалов индикации выходной мощности проектируемого генератора синусоидального сигнала (ГСС) и устройства управления энергоемкими объектами и технологическими процессами.

2.3 Синтез формирователя временных интервалов цифровой индикации (ФВИ)

Приведенная на рис. 2.4 принципиальная электрическая схема ФВИ является базовой для синтеза этого формирователя в направлении расширения диапазона временных интервалов, с учетом предъявленных требований к цифровой индикации и вариантов индивидуальных заданий.

Данная схема включает в себя схемы двух формирователей: а – формирователя начала периода временного интервала индикации (ФНИ); б – формирователя окончания периода временного интервала индикации (ФОИ).

Функциональными узлами и элементами схемы ФНИ являются: два счетчика – один из них DD1 по модулю 10, а другой DD2 по модулю счета К_счi {2,3,4,…,9}, два RS триггера (DD3 и DD5), а также логический элемент И (DD4).

Приведенное на схеме (см. рис 2.4) параллельное включения счетчиков СТ10 (DD1) и СТК_счi (DD2) позволяет сформировать параметр начала периода индикации Т_ни, значение которого определяется из выражения Т_ни=10+К_счi. Изменения значений модуля счета К_счi от 1, 2, 3,…до 9 позволяют получить значение Т_ни соответственно равные 11, 12 , 13…,19 с, другими словам набор секунд Т_ни.

Последовательное включение с DD1 счетчика с модулем счета К_счi от 2, 3, 4,.. до 9 позволяет получить набор десятков секунд Т_ни. Таким же образом дополнительное последовательное включение c DD1 счетчика с модулем 10 позволяет получить набор сотен секунд Т_ни. Таким образом, последовательное включение одного счетчика с модулем счета 10 (DD1) и счетчика с К_счi=2, 3, 4…9 позволяет получить набор десятков секунд Т_ни , двух счетчиков по модулю 10 и счетчика К_счi=2, 3 …9 – набор сотен секунд Т_ни и.т.д.

Функциональными узлами и элементами схемы формирователя окончания временного интервала (ФОИ) являются: один счетчик по модулю 10 (DD6) и два по модулю К_счi (DD7, DD8), RS триггер (DD9) и логический элемент И (DD10).

Приведенные выше обоснования синтеза формирователя ФНИ совершенно идентичны и для формирователя ФОИ. Отличительной особенностью этого формирователя от ФНИ является то, что он должен формировать более продолжительный интервал времени Т_ои, определяющий длительность работы индикаторов (длительность индикации Т_и) и взаимосвязана следующей зависимостью:

Т_ои=Т_ни+Т_и

Перед началом работы обоих формирователей временных интервалов все их запоминающие устройства (см. рис 2.4) должны быть установлены в исходное состояние (на всех прямых выходах счетчиков и триггеров низкий уровень)

Работа обоих формирователей одинакова, их счетчики DD1, DD2, DD6, DD7, DD8 запускаются и считают поступающие с делителя частоты прямоугольные импульсы с частотой 1 Гц соответствующей 1 секунде. Отличие заключается в том, что ФНИ по истечении времени Т_ни формирует на выходе Q DD5 высокий уровень сигнала. Этот уровень подается на вход транзисторного коммутатора, обеспечивая питание выпрямителя среднего значения выходной мощности ГСС, значение которого подается на АЦП и индикацию. ФОИ по истечении времени периода окончания индикации Т_ои, большего времени периода начала индикации Т_ни, формирует на выходе DD10 прямоугольный импульс, который сбрасывает все счетчики и триггера, в том числе и DD5, запирая КПЦИ, прекращая работу цифровой индикации.

2.4 Формирователь временных интервалов устройства управления объектами

Синтез и принципиальная электрическая схема этого формирователя идентична рассмотренному в разделе 2.3 формирователю индикации. Исключение составляют только конкретные диапазоны значений периодов начала и окончания управления работой с этими объектами Т_ну и Т_оу, а, следовательно, длительности включенного состояния устройства управления объектами, которые синтезируются с использованием конкретных счетчиков, их модулей счета и определенным последовательным и параллельным включением, рассмотренными выше в подразделе 2.3.

2.5 Коммутаторы питания цифровой индикации

Фрагмент принципиальной схемы коммутатора цифровой индикации приведен на рис. 2.4 и включает в себя: транзисторный ключ КТ, который подключает или отключает питание + U_и.п на выпрямитель среднего значения ВСЗ выходной мощности ГСС. Значение этой мощности подается на АЦП, а с него на преобразователь кода 8421 в семисегментный код, а последний на цифровые индикаторы (данные преобразователи и индикаторы здесь не показаны). Работа данного коммутатора кратко приведена в разделе 2.3.

2.6 Коммутатор питания устройства управления объектами

Фрагмент принципиальной схемы коммутатора приведен на рис 2.4, но не детализирован, поскольку зависит и определяется спецификой объекта и его работы.