Цифровой частотомер

Министерство  образования и науки Российской Федерации

 Пензенский государственный  университет

Кафедра «ИИТ»

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

 «Цифровые измерительные  устройства»

 

Тема: «Цифровой  частотомер»

 

 

Выполнил студент группы 08ПИ1

                                                _________ Чернов В.В.

                               Проверил: д.т.н., профессор

                                                  ________ Громков Н.В.

 

 

 

 

Пенза 2012г.

Реферат

Пояснительная записка содержит 24 страницы, 10 рисунков, 1 принципиальную электрическую схему, 2 приложение.

Объектом разработки является цифровой частотомер, основные параметры  которого приведены в техническом  задании.

Целью работы является использование  ранее приобретённых навыков  в курсе ЦИУ по расчёту основных узлов и блоков частотомера.

В процессе работы была выбрана  необходимая материальная база для  последующего конструирования цифрового  частотомера, которая приведена  в перечне элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка:

Введение………………………………………………………………………….4

1. Выбор и обоснование применения элементной базы.................................5

2. Описание работы принципиальной электрической схемы…………………8

3. Конструкторско-технологический расчет печатной платы......................11

4. Электрический расчет печатной платы……………………………………...14

5. Размещение конструктивных элементов…………………………………….17

6. Расчет основных показателей надежности………………………………….20

7. Краткая характеристика инструмента проектирования AutoCad………….22

Список источников………………………………………………………………24

Графическая часть:

1. Перечень элементов к схеме электрической принципиальной

2. Схема электрическая  принципиальная

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Измерение временных параметров электрических сигналов имеет важное значение при настройке и ремонте  готового электронного оборудования, контроле его состояния, а также  при исследованиях, связанных с  разработкой новых приборов и  комплексов. Разрабатываемый универсальный  частотомер ориентирован в первую очередь  на применение в области цифровой техники, где его функциональные возможности, технические характеристики и параметры являются наиболее приемлемыми.

Использование в конструкции  прибора однокристального микроконтроллера позволяет за счет применения программного управления узлами значительно уменьшить  его схемотехническую сложность, добиться улучшения функциональных возможностей, обеспечить возможность модернизации путем замены внутреннего программного обеспечения.

Подключение прибора к  персональной ЭВМ по интерфейсу RS-232 (Стык С2) позволяет использовать частотомер в составе автоматизированного  комплекса для сбора и обработки  данных.

Частотомер может входить  в состав стендов для настройки  и диагностики различного электронного оборудования, использоваться в образовательных  целях.

Разработка универсального частотомера, а также подготовка технической документации проводились  с использованием современных средств  автоматизированного проектирования OrCAD (OrCAD SDT v. 4.10), PCAD (Master Designer v. 4.5), AutoCAD (AutoCAD Lite 2.0 for Windows), MathCAD (MathCad v. 4.0).

 

 

 

1. Выбор и обоснование применения элементной базы.

 

Для создания разрабатываемого устройства согласно техническому заданию  необходимо применить комплектующие  отечественного производства и максимально  использовать стандартные компоненты и изделия. Исходя из этого выбор  элементной базы будет следующим.

1.1. Резисторы,  конденсаторы, диоды и другие  дискретные компоненты.

Для применения в разрабатываемом  устройстве были выбраны резисторы  марки МЛТ мощностью 0,25 Вт. Выбор  был сделан, исходя из соображений  достаточной надежности, точности и  низкой общей стоимости прибора. Резисторы марки МЛТ в достаточной  степени удовлетворяют вышеприведенным  требованиям и являются одной  из наиболее распространенных марок  резисторов, что сыграло решающую роль при их выборе. Другие дискретные компоненты выбраны исходя из аналогичных  соображений.

1.2. Интегральные  микросхемы.

Ввиду большого разнообразия серий микросхем, пригодных для  использования в разрабатываемом  устройстве и значительного количества параметров микросхем, их выбор аналогично выбору дискретных компонентов затруднителен. Поэтому воспользуемся методом  выбора компонентов по матрице параметров. Данный метод заключается в следующем.

 

 

В матрицу параметров заносятся параметры элементов, из которых необходимо выбрать один. В нашем случае микросхемы будем  выбирать среди серий  К176, К561, К155, К555. Выбор будем производить по следующим параметрам: напряжение выхода нуля U_вых0 ; напряжение выхода единицы U_вых1 ; ток потребления I_пот ; входной ток I_вх . Для этих данных матрица параметров будет иметь следующий вид:

 

	U0вых,В	U1вых,В	Iпот,мкА	Iвх, мкА
К176	0,3	8	100	0,3
К561	0,8	4,2	100	0,1
К155	0,4	2,4	30000	40
К555	0,5	2,7	19000	3000
bj	0,25	0,33	0,11	0,31

 

b_j – весовой коэффициент параметра, который учитывает значимость параметра.

Параметры матрицы  необходимо пересчитать так, чтобы  большему значению параметра соответствовало  лучшее свойство элемента. Так как  лучшими свойствами микросхемы являются низкое выходное напряжение нуля, высокое  выходное напряжение единицы, низкие входной  ток и ток потребления, параметры  U_вых0, I_пот, I_вх необходимо пересчитать (взять обратную величину). После пересчета параметров матрица параметров примет вид:

 

3,333333	8	0,01	3,333333
1,25	4,2	0,01	10
2,5	2,4	3,33·10-5	0,025
2	2,7	5,26·10-5	0,000333

 

 

Далее параметры матрицы  нормируют по следующей формуле:

 

, где y_ij – элемент матрицы параметров, стоящий в i-й строке и j-м столбце а_ij – аналогичный элемент в нормированной матрице.

После нормирования матрица  параметров примет вид:

0	0	0	0,666667
0,625	0,475	0	0
0,25	0,7	0,996667	0,9975
0,4	0,6625	0,994737	0,999967

 

Для обобщения анализа  параметров вводят оценочную    функцию Q:

, m – количество строк в матрице параметров.

После проведения расчетов значения оценочной функции вышли  следующими:

К176	0,666667
К561	1,1
К155	2,944167
К555	3,057204

 

Необходимая серия  ИМС выбирается, исходя из минимального значения оценочной функции. На основании  проведенных расчетов для использования  в разрабатываемом устройстве выбираем серию К176.

Примечание: микросхемы DD8-DD12 (см. перечень элементов) были выбраны из серии К561 т.к. в серии К176 нет элемента необходимого типа элемента, а серия К561 имеет значение оценочной функции, максимально близкое к этому значению у серии К176.

Операционный усилитель  К544УД2А (DA1) выбирается аналогичным образом.

2. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ.

 

Частотомера — пятиразрядный, что позволяет без какой-либо дополнительной коммутации измерять частоту  электрических колебаний от нескольких десятков до 99 999 Гц (100 кГц). Амплитуда сигнала, подаваемого на вход прибора, должна быть не менее 0,5 В и не более 30 В. Сигнал, частоту который надо измерять, через гнездо XS1 и конденсатор C1  поступает на вход формирователя (в данном случаи операционный усилитель DA1) в результате этого формируются импульсы прямоугольной формы, частота следования которых точно соответствует частоте входного сигнала. С выхода формирователя сигнал поступает на вход элемента 2ИЛИ-НЕ DD2.4, выполняющего функцию электронного клапана. И, если этот клапан открыт (при напряжении низкого уровня на нижнем входе), то на его выходе, а значит, на входе пятиразрядного счетчика, образованного микросхемами DD3—DD7, появляются импульсы преобразованного сигнала. Микросхемы DD8-DD12 служат для преобразования логическое состояние микросхем счетчика импульсов в сигналы для семиэлементных люминесцентных индикаторов HG1—HG5. Вход DD2.1 электронного клапана подключен к выходу формирователя измерительного временного интервала, равного 1 с. Поэтому цифровые индикаторы высвечивают число импульсов, прошедших за это время через клапан к счетчику, то есть входную частоту в единицах герц. 
Функцию генератора импульсов и делителя частоты до значения 1 Гц, необходимого для формирования временных интервалов и импульсов обнуления счетчика по окончании времени индикации результата измерения выполняет микросхема К176ИЕ5 DD1.

 

Исходная частота  генератора (32 768 Гц) определяется собственной  частотой кварцевого резонатора ZQ1 и  конденсаторами С6, С7. Частота импульсов 1 Гц, формируемых на выходе 15 (вывод 5) этой микросхемы, и служит образцовой. Узел управления цикличной работой  частотомера образуют логические элементы 2ИЛИ-НЕ DD2.1, DD2.3. Эти элементы работают в генераторе импульсов запуска  времени индикации. Элемент DD2.1 так  же используется в качестве ключа  в цепи обнуления счетчика. Напомним логику действия элемента 2ИЛИ-НЕ: при  напряжении высокого уровня на любом  из его входов на выходе будет напряжение низкого уровня. Напряжение низкого  уровня поступает на вход электронного клапана DD2.4 и закрывает его. С  этого момента прекращается прохождение  через клапан импульсов сигнала  измеряемой частоты на вход счетчика DD3—DD7. 
С появлением на входе С триггера DD2.1 импульса генератора запуска этот триггер переключается в единичное состояние и напряжением высокого уровня на прямом выходе подготавливает к дальнейшей работе триггер DD2.2. Одновременно на верхнем входе элемента DD3.3, соединенном с инверсным выходом триггера DD2.1, появляется напряжение низкого уровня. Очередной импульс генератора образцовой частоты поступает на вход элемента DD2.4 будет напряжение низкого уровня, которое открывает электронный клапан и тем самым разрешает прохождение через него импульсов сигнала измеряемой частоты. 
Но прямой выход триггера DD2.2 соединен с входом R триггера DD2.1. Следовательно, когда триггер DD2.2 оказывается в единичном состоянии, он напряжением высокого уровня на прямом выходе переключает триггер DD2.1 в нулевое состояние и удерживает его в нем до тех пор, пока длится измерительный интервал. Очередной импульс образцовой частоты переключает триггер DD2.2 по входу С нулевое состояние, и напряжение высокого уровня с инверсного выхода триггера закрывает электронный клапан.

 В результате  прекращается прохождение импульсов сигнала измеряемой частоты к счетчику и начинается цифровая индикация результатов измерения (диаграммы д, ж).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Конструкторско-технологический  расчет печатной платы.

 

При изготовлении печатной платы будем использовать в качестве основания стеклотекстолит фольгированный двусторонний толщиной 2 мм, толщина фольги 35 мкм, марки СФ-2-35-2,0. Способ нанесения рисунка        разводки – фотохимический. Класс печатной платы – 3.

3.1. Определение  минимального диаметра металлизированного  отверстия

, где К_gt – отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы (ПП), мм ; h_пп – толщина печатной платы. В нашем случае К_gt = 0,33 ; h_пп = 2 мм, d₀₁ = 0,66 мм.

3.2. Определение  минимального диаметра монтажного  отверстия

, где d_ВЭ – диаметр вывода элемента, мм ; h₀ – толщина медного слоя, мм; D` - зазор межде выводом конструктивного элемента (КЭ) и стенкой отверстия, мм ; d₀ – погрешность расположения отверстий относительно узла координатной сетки (КС).

В нашем случае (при  h₀ = 0,035 мм; D` = 0,15 мм; d₀ = 0,07 мм):

Элемент	dВЭ , мм	dМО, мм
ИМС	0,5	0,94
Резисторы	0,7	1,14
Постоянные конденсаторы	0,6	1,04
Подстроечный конденсатор	2,5	2,94

 

Т.к. диаметры отверстий  рекомендуется выбирать из ряда номинальных  значений, выберем все диаметры отверстий  равными 1,3 мм, а диаметр отверстий под подстроечный конденсатор – 3 мм.

3.3. Определение  минимального диаметра контактной  площадки

Формула для расчета  учитывает погрешность изготовления и подтравливание фольги при изготовлении рисунка разводки.

, где b_n0 – ширина пояска контактной площадки, мм ; d_КП – погрешность расположения контактной площадки относительно узла КС; d_ФФ – погрешность фотокопий и фотошаблонов; h_ф – толщина фольги. В нашем случае b_n0 = 0,1 мм; d_КП = 0,05 мм; d_ФФ = 0,06 мм; h_ф = 0,035 мм. Тогда для всех элементов, кроме подстроечного конденсатора d_КП = 1,465 мм, для подстроечного конденсатора d_КП = 3,285 мм.

3.4. Определение  ширины проводников

Минимальная ширина :

, где d_СМ – погрешность смещения проводников относительно линии КС; b_пр – ширина проводника. В нашем случае d_СМ = 0,05 мм; b_пр = 0,25 мм; b_{пр мин} = 0,395.