Список использованной литературы

1. Атамалян З.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. – М.: Высшая школа, 1989. – 383 с.

2. Дворсон А.И. Простой цифровой частотомер на интегральных микросхемах // Радиотехника. – 1984. – №7. – С. 47 – 49.

3. Дворсон А.И. Простые цифровые вычислители отношения для интеллектуальных средств измерений // Приборы и системы управления. – 1992. – №2. – С. 34 – 35.

4. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 320 с.

5. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 320 с.

6. Мирский Г.Я. Электронные измерения. – М.: Радио и связь, 1986. – 440 с.

7. Электрические измерения / Под ред. В.Н. Малиновского. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 416 с.

Приложение

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

(руководство к лабораторной работе)

1. Цель работы

Целью работы является ознакомление с математическими основаниями цифровой измерительной техники, ее основными функциональными узлами и принципами построения цифровых измерительных приборов на интегральных микросхемах.^*

2. Теоритические сведения

Теоретические сведения изложены в разделах 2, 3 настоящего пособия.

3. Лабораторное задание

3.1. Разработать функциональную и принципиальную (или коммутационную) схемы цифрового измерительного прибора, заданного преподавателем из следующего перечня:

а) цифровой частотомер;

б) цифровой периодомер;

в) измеритель временных интервалов;

г) измеритель длительности прямоугольных импульсов;

д) цифровой хронометр;

е) цифровой таймер.

Разработанные схемы представить на проверку и утверждение преподавателю.

3.2. В соответствии с принципиальной (коммутационной) схемой собрать цифровой измерительный прибор на наборном поле универсального стенда с помощью перемычек. Завершенный набор представить на проверку преподавателю (до включения питания!).

3.3. Включив питание, произвести наладку цифрового измерительного и добиться его полной работоспособности в соответствии с заданием (продемонстрировать преподавателю).

3.4. С помощью осциллографа снять эпюры напряжений на выходах всех функциональных узлов исследуемого прибора.

3.5. Оценить погрешность измерения исследуемого прибора путем сравнения с результатами замеров той же величины другим (промышленно выпускаемым) прибором. Сделать вывод о сравнительной точности (неточности) разработанного прибора и о причинах, вызвавших погрешность.

4. Описание лабораторной установки

Для выполнения работы применяются:

• универсальный стенд с набором перемычек;

• генератор импульсов;

• осциллограф.

Универсальный стенд состоит из коробчатого металлического корпуса, внутри которого размещен стабилизированный источник питания 5 В; 2,5 А с защитой от перегрузок (вплоть до короткого замыкания). Внешнее питание стенда осуществляется от сети 220 В; 50 Гц.

На лицевой панели стенда размещены стрелочный вольтметр, четырехразрядный цифровой индикатор, механические переключатели, элементы коммутации и сигнализации, а также наборное поле. Наборное поле выполнено на печатной плате из фольгированного диэлектрика и состоит из пяти пар разъемов, каждый контакт которых печатным проводником связан с двумя рядом расположенными гнездами для внешней коммутации с помощью перемычек. Разъемы в каждой паре установлены с таким шагом, что играют роль колодок для установки интегральных микросхем (пайка не требуется!). В верхней части наборного поля имеются пять групп гнезд, каждую из которых образуют четыре гнезда, электрически соединенных накоротко. В нижней части наборного поля вертикально попарно размещены гнезда, являющиеся выводами кварцевого резонатора, полупроводникового диода, а также резисторов и конденсаторов различных номиналов. Установленные на наборном поле микросхемы прижаты сверху планками из оргстекла, которые способствуют улучшению электрических контактов, а также предохраняют от несанкционированной замены.

Гнездо под вольтметром соединено с его выводом «+» (вывод «-» вольтметра изначально связан с выводом «-» источника питания, который также называется «общим» или «земляным»). Четыре группы по четыре вертикально расположенных гнезда в левом нижнем углу лицевой панели являются соответствующими входами разрядов цифрового индикатора в двоично-десятичном коде (по традиции вверху самый младший, а внизу – самый старший разряд).

В верхней части лицевой панели размещены тумблер «Сеть», сигнальная лампочка наличия питания (отсутствие ее свечения при включенном тумблере «Сеть» означает либо отсутствие напряжения в первичной сети, либо наличие короткого замыкания по питанию в монтаже прибора на наборном поле), две пары гнезд, являющихся выводами соответственно положительного и отрицательного полюсов источника питания и предназначенных для разводки шин питания на микросхемы, а также четыре тумблера и две кнопки с соответствующими группами (по три) гнезд (среднее гнездо связано со средней точкой переключателя, а крайние – с крайними), причем положение тумблера указывает на то, с каким крайним гнездом соединено среднее.

555-я серия построена на базе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и заключает в свой состав около 100 различных в функциональном смысле микросхем. Для работы каждой микросхемы к ней надо подвести напряжение питания постоянного тока +5 В (5%) (по отношению к общей шине). Уровень логического ноля – не более 0,4 В. Уровень логической единицы – не менее 2,5 В. Максимальная частота переключения – 15 МГц. Коэффициент разветвления (нагрузочная способность) по выходу – 10 (это означает, что к каждому выходному выводу микросхемы допускается подключать не более 10 входных выводов других микросхем, в противном случае произойдет перегрузка по току, и микросхема – источник сигнала может выйти из строя). Важной эксплуатационной особенностью микросхем 555-й серии является то, что отсутствие включения каких-либо их выводов в электрическую схему прибора воспринимается, как будто на эти выводы извне подается сигнал логической единицы (а не логического ноля!). В тех случаях, когда на отдельные выводы микросхем требуется фиксированно завести сигналы логической единицы или логического ноля, их соответственно соединяют с положительным полюсом источника питания (обязательно через гасящий резистор номинала 1 кОм или более, причем к одному такому резистору можно подключать до 20 входов микросхем) или с земляной шиной. Подключение информационного вывода микросхемы непосредственно к полюсу источника +5 В (без гасящего резистора) приведет к выходу ее из строя по причине пробоя входа.

Микросхема 555ЛАЗ (рис. П1.1) содержит четыре элемента 2И-НЕ в прямоугольном пластмассовом или керамическом корпусе. Нумерация выводов при взгляде на микросхему сверху производится, начиная от вывода, помеченного ключом (конструктивной меткой на корпусе), против часовой стрелки (это правило справедливо для всех микросхем). Если в схеме прибора задействованы не все элементы 2И-НЕ данной микросхемы, то ее свободные выводы на наборном поле можно никуда не подключать и на принципиальной схеме не показывать.

Микросхема 555ТМ2 (рис. П1.2) содержит два независимых D – триггера, имеющих кроме стандартных для них входов D и С еще и установочные входы и , характерные для RS – триггера. Это дает возможность пользователю при необходимости иметь или собственно D – триггер (в этом случае входы и не используются, для чего на них через один гасящий резистор от вывода +5 В заводятся сигналы логической единицы), или RS – триггер (этом случае входы D и С не используются, для чего они оба или по меньшей мере только вход С, соединяются с общей шиной, что эквивалентно подаче на них сигнала логического ноля).

Микросхема 555ТМ8 (рис. П1.3) содержит четыре D – триггера, имеющих общие входы синхронного сброса (обнуления) и разрешения записи данных С, и предназначена для построения регистров памяти. Конструктивно она выполнена (в отличие от рассмотренных выше) в 16-выводном корпусе. Если в процессе функционирования прибора обнуления регистра памяти не требуется, то вход через гасящий резистор следует соединить с шиной +5 В (подать на него сигнал логической единицы). Для повышения разрядности регистра памяти параллельно включают несколько микросхем 555ТМ8 (конкретное их количество определяется максимальной разрядностью запоминаемого кода), входы С которых объединяют (на рис. П1.3 объединение входов С всех D – триггеров внутри одной микросхемы показано не графически, а схематически, чтобы не усложнять еще больше рисунок). Важное практическое замечание: подключение вывода 9 микросхемы 555ТМ8 к выходу другой микросхемы эквивалентно включению в нагрузку последней только одного типового элемента из допустимых коэффициентом разветвления десяти, хотя D – триггеров в корпусе – четыре. Объяснение этому кроется в наличии внутри микросхемы между выводом 9 и собственно входами С триггеров дополнительного инвертора, играющего роль усилителя (на рис. П1.3 не показан). Точно такая же организация характерна для цепи микросхемы 555ТМ8.

Микросхема 555ИЕ5 (рис. П1.4) содержит четыре Т – триггера, имеющих общий вход синхронного сброса (обнуления) R, и предназначена для построения счетчиков импульсов и делителей частоты. Первый Т – триггер, выполненный автономным, является счетчиком-делителем на два, а остальные, жестко соединенные в счетную структуру, являются счетчиком-делителем на восемь. Если микросхема 555ИЕ5 применяется как счетчик-делитель на шестнадцать (или на другое число, меньше 16, но больше 8), то следует соединить выводы 12 и 1. Для обнуления всех триггеров счетчика на выводы 2 и 3 одновременно надо подать кратковременный сигнал логической единицы (прямой импульс). Если обнуление производится внешним управляющим сигналом, то выводы 2 и 3 следует соединить между собой. Если же в процессе функционирования прибора обнулять счетчик-делитель не требуется, то эти выводы на постоянно замыкаются с общей шиной (за исключением описанных ниже случаев установки коэффициентов пересчета, отличных от 2, 8 и 16).

Микросхема 555ИЕ5 фактически имеет два обнуляющих входа, объединенных по логике И. Это сделано для удобства установки произвольного коэффициента пересчета счетчика с помощью обратных связей. Пусть требуется организовать счетчик-делитель на десять (двоичный эквивалент этого числа – 1010). Это значит, что с поступлением десятого импульса счетчик должен самообнуляться. Следовательно, для решения поставленной задачи надо завести на один из обнуляющих входов выход второго, а на другой – выход четвертого триггера счетчика (рис. П1.5,а). Аналогично организуется, к примеру, счетчик-делитель на шесть (двоичный эквивалент 0110) (рис. П1.5,б).

Несколько сложнее обстоит дело, если требуется производить внешним управляющим сигналом обнуление счетчика, уже охваченного обратными связями для установки требуемого коэффициента пересчета. В этом случае приходится дополнительно использовать два элемента 2И-НЕ (рис. П1.5,в), первый из которых служит для дешифрации кода, самообнуляющего счетчик, а второй – для организации логической операции ИЛИ для инверсных сигналов в соответствии с теоремой де Моргана (обнуление счетчика должно производиться сигналом из цепи обратной связи ИЛИ внешним управляющим сигналом, который в данном случае должен быть инверсным).

Р ис.П1.1. Внешний вид (сверху) и функциональный состав микросхемы 555ЛА3

Рис.П1.2. Внешний вид (сверху) и функциональный состав микросхемы 555ТМ2

Для повышения разрядности счетчика-делителя последовательно включают несколько микросхем 555ИЕ5, для чего выход старшего разряда одного корпуса соединяют со счетным входом другого и т.д. При этом, если, к примеру, первый корпус считает до десяти, а второй – до шести, то соединенные последовательно они смогут считать до шестидесяти (соответственно, и делитель частоты, образованный этими счетчиками, будет снижать частоту входного сигнала в 60 раз). Особенностью данной микросхемы является наличие выводов, электрически не связанных с внутренним полупроводниковым кристаллом, а также иное в сравнении с выше рассмотренными размещение выводов для подключения источника питания.

Микросхема 555ИЕ6 (рис. П1.6) является двоично-десятичным реверсивным счетчиком. Ввиду сравнительной сложности его внутренней структуры на рисунке показан не функциональный состав микросхемы, а ее условное графическое обозначение с нумерацией выводов, принятое на принципиальных схемах. Шины D1 – D4 являются входами данных параллельной загрузки счетчика, а шина С – синхровходом разрешения этой загрузки (инверсным импульсом, все остальное время на этой шине должен присутствовать сигнал логической единицы). Если по входам D1 – D4 в счетчик загружен некий двоично-десятичный код, то дальнейшие его состояния, принимаемые после поступления на счетные входы импульсов, будут отсчитываться от этого изначально установленного кода.

Вход R является сбрасывающим (обнуляющим). При подаче на него прямого импульса все триггеры счетчика обнуляются, и на его выходе устанавливается код (0000)₂. Входы +1 и минус 1 являются счетными – соответственно суммирующим и вычитающим. Особенностью здесь является то, что по этим входам подсчитываются импульсы не прямые, а инверсные, поэтому в тот момент, когда, к примеру, поступают импульсы на вход минус 1, на входе +1 должен поддерживаться сигнал логической единицы, и наоборот.

С выходов 2⁰ – 2³ снимается выходной код счетчика. Выходы 9 и  являются выходами переполнения соответственно по максимуму и по минимуму (на этих выходах появляются инверсные импульсы в те моменты, когда счетчик переполняется, т.е. досчитывает до десяти при суммирующем счете или до нуля при вычитающем счете).

Если надо организовать коэффициент пересчета такого счетчика, меньший десяти, то следует пользоваться схемотехническим приемом, показанным на рис. П1.5,в (если вход для подачи внешнего управляющего сигнала не нужен, то второй элемент 2И-НЕ при этом необходимо превратить в инвертор).

Р ис.П1.3 Внешний вид (сверху) и функциональный состав микросхемы 555ТМ8

Рис.П1.4. Внешний вид (сверху) и функциональный состав микросхемы 555ИЕ5

Р ис.П1.5. Установка произвольного коэффициента пересчета микросхемы 555ИЕ5: а) на 10; б) на 6; в) на 10 с возможностью обнуления счетчика внешним управляющим сигналом

Рис.П1.6. Условное графическое обозначение микросхемы 555ИЕ6 с нумерацией выводов

Для повышения разрядности двоично-десятичного реверсивного счетчика последовательно включают несколько микросхем 555ИЕ6, для чего выходы 9 и  одного корпуса соединяют соответственно со входами +1 и минус 1 другого и т.д., а остальные управляющие входы (С и R) соответственно объединяют (при необходимости).