4 Выбор элементной базы

Рассмотрим основные серии микросхем и их параметры, которые могут быть использованы при реализации схемы.

Важным параметром микросхем, которые будут использоваться при реализации данного устройства, является их быстродействие. Остальные технические характеристики не являются столь значительными. Также окажет влияние стабильность и устойчивость работы микросхем.

Составим таблицу [ 8 ].

Таблица 1 – Технические параметры микросхем

Параметр микросхемы	серия
	КР1533		КР1554
Диапазон рабочих температур	От -10С до +70С	От -45С до +85С
Выходной ток нагрузки Высокого уровня	15мА	24мА
Тактовая частота	До 70 МГц	До 150 МГц
Задержка на вентиль	4 нс	3.5 нс
Напряжение питания, В	5.0В10%	2В – 6В
Особые параметры	Устойчивость к статическому электричеству до 200 В.	Возможность работать на нагрузку 50 Ом
	Широкий набор типономиналов микросхем

Микросхемы, построенные на ТТЛ логике не способны работать на такой большой частоте (порядка 128 МГц), поэтому отдадим предпочтение цифровым логическим КМОП микросхемам серий КР1554. Быстродействующие цифровые логические КМОП микросхемы серии КР1554 предназначены для использования в высокопроизводительных системах обработки информации широкого применения. Высокое быстродействие в сочетании с низкой потребляемой мощностью и большой нагрузочной способностью, широкий набор интерфейсных микросхем серии КР1554 позволяют создавать вычислительные устройства и устройства цифровой автоматики с качественно новыми характеристиками и высокими технико-экономическими показателями. Микросхемы данной серии, превосходят по стоимости ТТЛ логику, но их использование позволяет повысить стабильность и надежность работы схемы.

Исходя из этого, из данных серий, нами были выбраны микросхемы:

КР1554ИЕ6 – четырехразрядный реверсивный двоично-десятичный счетчик с асинхронной предустановкой, асинхронным сбросом и раздельными тактовыми входами.

КР1554ИЕ23 – 12 независимых четырехразрядных двоичных счетчика с параллельным выходом.

КР1554ЛА3 – 4 независимых логических вентиля в одном корпусе, выполняющих функцию 2И-НЕ.

5 РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ (СИНТЕЗ) ЭЗ

Для формирования импульсов с заданными параметрами по структурной схеме рисунок – 3.1.

Для реализации условий необходимо взять ЦАП 8 – ми разрядный для уменьшения разброса по амплитуде.

Тогда частота импульсов генерируемых ГТИ будет определяться как

F = 256/210^-6=128 МГц (5.1)

Для получения нужной сетки частот, из тактовых импульсов, ДПКД должен реализовывать коэффициенты деления от 5 до 100.

Рассмотрим более подробно каждый из блоков ЭЗ.

5.1 Расчет ГТИ

Реализуем ГТИ по схеме ждущего мультивибратора, смотри рисунок - 5.1. В качестве логических элементов нами выбрана микросхема КР1554ЛА3, (четыре логических элемента «2И – НЕ»).

Рисунок – 5.1 Ждущий мультивибратор

Рассмотрим принцип работы схемы изображенной на рисунке – 5.1.

Условием работоспособности этой схемы является выражение (5.2).

Uвх(0) < Uпор (5.2)

Где Uпор – порог срабатывания микросхемы.

Так же, исходя из этого условия, выбирается значение сопротивления R.

В начальный момент времени, на входе микросхемы DD1.1 имеем напряжение низкого уровня, тогда на выходе этой микросхемы имеем еденицу и соответственно на одном из входов микросхемы DD1.2. На второй вход микросхемы DD1.2 подается запускающее напряжение смотри рисунок – 5.2. На выходе микросхемы DD1.2 будем името 0. При поступлении запускающего импульса (Uзап = 0) значение напряжения Uвых2 изменится на противоположное. Конденсатор не успевает зарядиться за столь короткий промежуток времени, и напряжение на резисторе R возрастает скачком, смотри временные диаграммы на рисунке –5.2. На выходе микросхемы DD1.1 станет ноль и значение Uзап уже не будет оказывать влияние на работу схемы до завершения переходных процессов, т.е. на выходе DD1.2 будет единица. Конденсатор С начнет заряжаться, а потенциал на резисторе R падать, это будет продолжаться до тех пор пока значение Uвх не станет равным Uпор. В момент равенства этих величин схема переключится. Конденсатор С начнет разряжаться через резистор R. По завершению переходного процесса схеме будет находиться в ожидании следующего запускающего импульса.

Рисунок – 5.2 Диаграммы работы ГТИ

Для увеличения стабильности частоты генерируемых импульсов в схеме вместо конденсатора включен резонатор пьезоэлектрический вакуумный. Он должен быть изготовлен для формирования импульсов с частотой 128 МГц. При использовании кварца величина сопротивления R выдирается из следующих пределов 300 – 500 Ом, возьмем номинал сопротивления R = 470 Ом.

5.2 Расчет ДПКД

Реализуем ДПКД на счетчиках с переменным коэффициентом пересчета см рисунок – 5.3.

Рисунок – 5.3 Счетчик с программируемым коэффициентом деления

В качестве счетчиков нами была выбрана микросхема серии КР1554ИЕ6.

Микросхема КР1554ИЕ6 – четырехразрядный реверсивный двоичный счетчик с предварительной записью. Триггеры счетчиков переключаются одновременно по фронту одного тактового импульса. Тактовые входы счета на уменьшение CD и счета на увеличение CU – раздельные, прямые динамические. Направление счета определяется тем, на какой из тактовых входов подается положительный перепад, при этом, на другой тактовый вход необходимо подать высокий уровень напряжения. Установка счетчика в нулевое состояние осуществляется подачей высокого уровня напряжения на вход R установки в состояние «логический 0». Вход разрешения параллельной загрузки РЕ – инверсный статический. С выходов CRU и CRD тактовые сигналы прямого и обратного переноса подаются на последующий и предыдущий четырехзначный счетчик.

На вход ДПКД поступает тактовый сигнал с частотой 128 МГц, а также на входыD0, D1, D2, D3 счетчиков поступает двоичный код, соответствующий нужному коэффициенту деления. Подача кода на входы данных может осуществляться при помощи переключателей см. рисунок – 5.4.

Рисунок – 5.4 Схема переключения кода деления

С переключателей на входы данных счетчиков подаются напряжения, высокого или низкого уровня которые и задают код деления.

В результате деления на выходе ДПКД будем иметь импульсы с периодом, определяемым выражением (5.3).

T2 = MT1 (5.3)

Где Т1 – период повторения входных импульсов;

М – коэффициент деления.

Коэффициент деления определяется выражением (5.4), путем выбора значений a, b, c, d, e, f, g, h которые могут принимать значения 0 и 1.

М = a + 2b + 4c + 8d + 10(e + 2f + 4g + 8h) (5.4)

Схемы работают следующим образом: когда триггеры счетчиков находятся в нулевом состоянии, и поступает импульс с генератора, происходит установка исходного состояния по входам D. После этого исходное состояние с каждым импульсом уменьшается на единицу. Через (М-1) входной импульс счетчик снова примет нулевое состояние, а М-ый импульс произведет установку исходного состояния.

Таким образом, данная схеме позволяет реализовать импульсы необходимой длительности и дискретности.

5.3 Расчет устройства счета

Данное устройство преобразует сигнал, поступающий на его вход в параллельный код.

УС может быть реализовано на двух двоичных четырехразрядных счетчиках серии КР1554ИЕ23(микросхема состоит из 2 независимых счетчиков).

Счетчики соединены таким образом, что с их выводов Q0, Q1, Q2, Q3 снимается параллельный код, который подается на ЦАП. Т.к. нам необходим 8-и разрядный ЦАП, то и код снимаемый с выходов счетчиков должен быть 8-и разрядным.

Схема включения счетчиков изображена на рисунке – 5.5.

Рисунок – 5.5 Устройство счета

Счетчики соединены так, что DD4 реализует первые четыре разряда кода, а DD5 вторые.

Значение кода снимаемого с выходов счетчиков изменяется в зависимости от сигнала, который поступает на счетчики с выхода ДПКД.

5.4 Расчет ЦАП

В качестве ЦАП нами была выбрана микросхема серии КР572ПА2А.

Вообще ЦАП называют устройства, генерирующие выходную аналоговую величину, соответствующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя. Цифро-аналоговое преобразование в рассматриваемом ЦАП состоит в суммировании эталонных величин, соответствующих разрядам входного кода.

Схему включения ЦАП смотри рисунок – 5.6.

Рисунок – 5.6 ЦАП

Рассмотрим принцип работы ЦАП.

На цифровые входы ЦАП 1, 2, 35 – 40 поступает параллельный код соответствующий определенным коэффициентам деления ДПКД. В зависимости от частоты кода ЦАП формирует ЛИН ступенчатой формы. Т.к. мы выбрали 8-и разрядный ЦАП, а данная микросхема является 12-и разрядной, то неиспользуемые цифровые входы 3 – 6 необходимо заземлить. На входы 7 и 10 подается напряжение питания микросхемы соответственно 5 и 15 В. На вывод 27 подается опорное напряжение 10В, которое может быть получено из напряжения питания при помощи делителя напряжения. К выводам 28 (вывод резистора обратной связи), 1, 2 (аналоговые выводы) подключается сглаживающий фильтр, выполняющий и функцию усиления сигнала.

Таким образом, на выходе ЦАП формируется ступенчатая функцияU1(t), аппроксимирующая требуемый выходной сигнал, смотри рисунок – 5.7.

Рисунок – 5.7 Напряжение на выходе ЦАП

Напряжение U1(t) подается на сглаживающий фильтр, на выходе которого вырабатывается монотонное напряжение Uвых(t), имеющее аналоговую форму представления.

В качестве операционного усилителя возьмем микросхему К140УД708, ее основные параметры приведены в таблице 2 [ 8 ].

Таблица 2 – Основные параметры операционного усилителя К140УД708

Параметры усилителя	значения
Ток потребления, мА	2,8
Напряжение питания, в: Uп1 Uп2	+155% -155%
Коэффициент усиления	30000
Максимальная рабочая температура, ºС	70
Минимальная рабочая температура, ºС	-10

5.5 Расчет погрешности прибора

Погрешность прибора в основном зависит от выбранного ЦАП, т.е. погрешность по амплитуде выходного ЛИН полностью определяется числом разрядов преобразователя, при выбранной разрядности отклонения от заданного значения удовлетворяют ЗКП. Коэффициент нелинейности также определяется параметрами микросхемы ЦАП и составляет менее 0.4%.

5.6 Расчет потребляемой мощности

Расчет потребляемой мощности показан в таблице 2 [ 8 ].

Таблица 2 – Мощность, потребляемая элементами ГЛИН.

Элемент	Iпот , мкА	Uпит , В	Количество, шт	Р общ, мВт
КР1554ИЕ6	8	5.5	2	0.088
КР1554ИЕ23	8	5.5	1	0.044
КР1554ЛА3	4	5.5	1	0.022
К140УД708	2800	15	1	42
итог				42.198