Разработка многоканального цифрового устройства

Министерство образования  Российской Федерации

Омский государственный  технический университет

Кафедра «Электроснабжение  промышленных предприятий»

Секция «Промышленная  электроника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине «Цифровая схемотехника и микроконтроллеры»

 

на тему «Разработка многоканального цифрового устройства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           Выполнил

                                                                                          студент гр. ПЭ-419

                                                                                         Багров А.Ю.

                                                                         

                                                                            Проверил

                                                                                        Гвозденко К.Н.

 

 

 

 

 

 

Омск 2013

1. ВВЕДЕНИЕ

В связи с развитием сложных  информационно-измерительных цифровых комплексов, состоящих из многих десятков устройств – измерительных систем, вычислителей, индикаторов, пультов  управления и исполнительных механизмов, применяемых в самых разнообразных  отраслях промышленности, весьма актуальной стала проблема оптимального построения совокупности каналов связи, обеспечивающих трансляцию сигналов, несущих информацию, от одних устройств к другим. Эти вопросы могут возникать в комплексах бортового оборудования современных летательных аппаратов, а также, например, при проектировании и создании комплексов оборудования любых движущихся и неподвижных объектов.

Особенно  актуальна проблема организации каналов связи, транслирующих цифровые данные. В связи с неограниченными преимуществами цифровых каналов связи перед аналоговыми – высокой пропускной способностью, неограниченной точностью, высокой помехоустойчивостью – этот вид проводных связей находит очень широкое применение.  

В данном курсовом проекте стоит задача разработки многоканального цифрового  устройства, имеющего следующие параметры: время работы канала t_р=6,5 секунд, количество каналов N=27.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Рис.1 - Структурная схема многоканального  цифрового устройства

На рисунке приняты следующие  обозначения:

ГИ - генератор импульсов; 
ДЧ - делитель частоты; 
СИ - Счетчик импульсов; 
ПК1 - преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный; 
ПК2 - преобразователь двоично-десятичного кода в семисегментный; 
ИУ - индикаторное устройство; 
МП - мультиплексор; 
ЦАУ - цифровое анализирующее устройство; 
ДМ - демультиплексор; 

Многоканальное  цифровое устройство (рис. 1) работает следующим образом:

С генератора импульсов ГИ на вход делителя частоты ДЧ поступают тактовые импульсы с высокой частотой. Делитель частоты ДЧ уменьшает частоту следования импульсов в соответствии с заданной длительностью работы одного канала. Затем импульсы поступают на счетчик импульсов СИ. На выходе счетчика импульсов формируется двоичный код, который подается на преобразователь кода ПК1, мультиплексор МП и демультиплексор ДМ. ПК1 преобразует двоичный код в двоично-десятичный, который преобразуется с помощью ПК2 в семисегментный код. Далее семисегментный код подается на индикаторное устройство ИУ. Индикаторное устройство отображает номер работающего в данный момент канала, определяемого мультиплексором МП и демультиплексором ДМ. Цифровое анализирующее устройство ЦАУ анализирует информацию поступающую с рабочего канала (поскольку построение цифрового анализирующего устройства выходит за рамки курса "Цифровая схемотехника", в данном курсовом проекте не реализуется).

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ УСТРОЙСТВА

3.1. Генератор импульсов.

 Для обеспечения работы каждого канала в течение пяти секунд необходимо, чтобы тактовые импульсы поступали на счетчик импульсов с частотой f_р=1/t_р=1/6,5= 0,154 Гц. Зададим коэффициент деления делителя частоты k=10⁵, следовательно, частота генерации импульсов генератором f_г=15400 Гц.

 

Рис.2 Схема генератора импульсов

Для такого генератора импульсов частота  генерации f_г определяется по формуле: f_г = 1/(3RC).В качестве элемента DD1 возьмем микросхему К155ЛН1 Она представляет собой шесть независимых инверторов. Чтобы вывести рабочую точку одного такого инвертора на линейный участок передаточной характеристики, необходимо номинал R1 выбрать равным 220 Ом. Поэтому С1 = 1/(3R₁ f_г) = 1/(3·220·15400)= 0,98 мкФ.

3.2. Делитель частоты.

 Делитель частоты реализуется  на основе асинхронного счетчика. Поскольку элементы генератора импульсов ГИ рассчитаны с учетом коэффициента деления частоты k=10⁵, для реализации делителя частоты используется пять последовательно соединенных асинхронных четырехразрядных десятичных счетчика ИС К155ИЕ2 (рис. 3). Одна такая микросхема позволяет разделить частоту импульсов на десять.

Рис.3 Схема делителя частоты

3.3. Счетчик импульсов.

 Для счета импульсов используем счетчик с параллельным переносом. Для того, чтобы организовать счет от 1 до 27, необходимо 5 счетных триггеров. Счет ведется, начиная с единицы, так как если его осуществлять с нуля, то при реализации индикации нужно дополнительное устройство, осуществляющее инкремент двоичного кода. Счетный триггер реализуем на D-триггере.

В силу того, что N=27<2⁵=32, необходим счетчик с произвольным коэффициентом пересчета, а именно K_сч=27. Для этого проанализируем поразрядно состояния счетчика:

N	1    1    0    1    1	27
N+1	0    0    1    1    1	28
1	1   0    0    0   0	1
	З   А    З   С    С

Из  таблицы видно, что для принудительного  перевода счетчика в состояние 1 из состояния 27 необходимо организовать сброс для второго, третьего, четвёртого и пятого разрядов. Первый разряд перейдёт в нужное состояние автоматически. С учетом этого принципиальная схема счетчика импульсов будет иметь вид, представленный на рис.4.

Риc.4 Счетчик импульсов с K_сч=27

Для реализации D-триггеров DD7, DD8 и DD9 используем 3 микросхемы К155ТМ2, каждая из которых представляет собой два независимых синхронных D-триггера. Логические элементы DD10..DD13 реализуем на микросхеме К155ЛР3, DD14 – на К555ЛИ6. Для DD17 используем микросхему К155ЛИ1, которая представляет собой четыре логических элемента 2И.

 

 

3.4. Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код.

Для того чтобы показать номер работающего  канала на индикаторном устройстве, необходимо сначала двоичный код преобразовать  в двоично-десятичный. Для этой цели будем использовать микросхему К155ПР7 (рис.5). Она представляет собой постоянное запоминающее устройство, программирование которой произведено на заводе-изготовителе. Одну микросхему К155ПР7 можно использовать для преобразования двоичного кода чисел 0-63 в двоично-десятичный код. Так как младшие разряды двоичного и двоично-десятичного кодов совпадают, на микросхему поступают только старшие разряды двоичного кода X , начиная со второго, на выходе получается двоично-десятичный код числа Y.

Рис.5 Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код

3.5. Преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора.

Для преобразования двоичного кода в семисегментный код используем микросхему К155ПП4. В качестве индикатора выбираем АЛC324Б. Он представляет собой набор светодиодов с общим анодом. Его рабочий ток Iр=20мА. Цвет свечения – красный.

Так как падения напряжения на светодиоде и на открытом транзисторе преобразователя  малы, то номинал резисторов можно  определить по формуле: R= U_п/I_р= 5/0,02=250 Ом, 

где  U_п - напряжение питания, В; I_р - рабочий ток индикатора, А.

Поскольку для индикации номера работающего канала необходимо два  десятичных разряда, необходимо два набора схем (рис.6).

Рис.6 Включение преобразователя и семисегментного индикатора

3.6. Мультиплексор.

Для последовательного сбора информации из 27 каналов используется мультиплексор. Для реализации 27-входового мультиплексора используем две микросхемы К155КП1.

Рис. 7 - Мультиплексор на 27 входов

 Когда A5 имеет низкий уровень, на вход Е мультиплексора DD15 поступает логический ноль, который разрешает его работу, а на вход Е мультиплексора DD16 приходит логическая единица, запрещающая работу. Когда A5 имеет высокий уровень, рабочим мультиплексором оказывается DD16, а DD15 отключен. Информация с обоих мультиплексоров собирается через элемент 2И в одну общую линию. Элемент 2И реализуем на микросхеме К155ЛИ1. Следует отметить, что поскольку счетчик импульсов СИ в процессе работы не принимает нулевого состояния, вход первого мультиплексора, соответствующий нулевому адресу, занулен.

3.7. Демультиплексор.

В отличие от мультиплексора, демультиплексор выполняет обратную функцию – распределяет информацию с одной общей линии в несколько каналов, в соответствии с адресным кодом. Для реализации 27-выходного демультиплексора возьмем две микросхемы К155ИД3.

Рис. 8 - Демультиплексор на 27 выходов

 

Если разряд адреса А5 равен  нулю, то рабочим оказывается демультиплексор DD19, а DD18 отключен, таким образом входная информация пройдет на один их выходов демультиплексора DD19. Если же А5 имеет высокий уровень, рабочим будет демультиплексор DD18, первый - отключен. Отметим, что первый информационный выход демультиплексора DD19 не задействован, так как в процессе работы устройства нулевой код адреса не появляется. Аналогично и для старших разрядов выходного кода демультиплексора DD18.

 

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спроектированное многоканальное цифровое устройство позволяет осуществлять передачу цифровых данных от одних устройств к другим по 27 каналам с одновременной их обработкой (цифровое анализирующее устройство ЦАУ). Время работы одного канала составляет 6.5 с. При этом существует возможность отображения номера работающего канала с помощью семисегментных индикаторов. При разработке устройства реализация его функциональных узлов производилась как на простых логических элементах, так и на микросхемах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Электронный учебник по дисциплине "Цифровая схемотехника" [электронный ресурс].-Омск: каф. ЭсПП ОмГТУ.-2007. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM)

 

2. Бубнов, А.В. Аналоговая и цифровая схемотехника: учеб. пособие/ А. В. Бубнов, К. Н. Гвозденко, М. В. Гокова; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 80 с.: рис., табл. - ISBN 978-5-8149-0944-2

 

3. Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника/Е. П. Угрюмов – СПб.:БХВ – Санкт-Петербург, 2004.-528с.:ил. - ISBN 5-8206-0100-9