Усовершенствованное цифровое устройство защиты с функцией измерения

 

ВВЕДЕНИЕ 

         Микроэлектроника является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники. Непрерывно улучшаются технические характеристики и расширяются функциональные возможности микроэлектронных изделий - интегральных микросхем.

         Микросхемотехника - раздел микроэлектроники, охватывающий исследования и разработку схемотехнических решений (электрических и структурных схем), используемых в интегральных микросхемах ив радиоэлектронной аппаратуре на их основе.

         Основной функцией, выполняемой интегральной микросхемой, является обработка (преобразование) информации, заданной в виде электрического сигнала: напряжения или тока. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой) или дискретной (цифровой) форме. Микросхемы, выполняющие обработку этой информации, называются аналоговыми или цифровыми.

         Важным параметром, определяющий уровень сложности  интегральной микросхемы, является степень компонентной интеграции (Кф). У цифровых микросхем подразделяются на малые (СИС, Кф < 2), большие (БИС, К_ф < 3) и сверхбольшие (СБИС, Кф > 3) интегральные микросхемы.

         Характерной особенностью микросхемотехники является широкое использование ЭВМ на ряде этапов проектирования микросхем.

         В современной науке  и технике значительную и все  более возрастающую роль играют цифровые методы обработки информации. В связи с этим быстро расширяется область применения цифровых систем- технических средств, выполняющих законченный процесс обработки цифровой информации, включающий ее прием, хранения, необходимые преобразование и выдачу.

         На стыке микроэлектроники и цифровой техники возникла новая  область науки и техники цифровая микросхемотехника, предметом которой является принципы и методы схемотехнического проектирования цифровых интегральных микросхем, которое включает разработку их логической структуры и электрической схемы.

         Среди массовых изделий  электроники особая роль принадлежит  микропроцессорам, в которых нашли свое отражение передовые научно-технические достижения в области физики, радиотехники, электроники, автоматики, машиностроения.

         Групповая интегральная технология изготовления, малая материалоемкость, низкое энергопотребление, высокая  надежность, сравнительно небольшая стоимость позволили микропроцессорам занять первое место по массовости применений среди средств вычислительной техники. В настоящее время известны более 200 тыс. различных применений микропроцессоров.

         Они применяются в  быту, радиоэлектрических и программируемых устройствах, которые занимают в свою очередь очень важное место в нашей жизни. Развитие данных не стоит на месте, оно каждый день модифицируется и улучшается, причем их функциональности и возможность становятся все лучше и лучше.

         В данном курсовом проекте  разработана схема “ Усовершенствованное цифровое устройство защиты с функцией измерения ”. 
 

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ 

         1.1 Постановка задачи

      Предлагаемый  прибор необходим при налаживании  устройств, особенно с помощью лабораторных блоков питания. Прибор защищает налаживаемое устройство от перегрузки по току и  от превышения напряжения питания. Он так же обеспечивает удобную цифровую индикацию тока и напряжения, установку пределов срабатывания защиты и их сохранение в энергонезависимой памяти.

  

         1.2 Технические требования 

Исходя  из назначения и условий эксплуатации устройства

определяются  следующие технические характеристики для схемы “Усовершенствованного цифрового устройства защиты с функцией измерения ”:

Пределы измерения напряжения, В ………………0….50

Пределы измерения тока, А ..0,05……………………………9,99

Пороги  срабатывания защиты:

      по  току, А ………………. от 0,05 до 9,99 с шагом 0,01

      по  напряжению,  В ………….от 0,1 до 50 с шагом 0,1

Время срабатывания защиты:

      среднее при одной включенной защите, мс ..0,075

      среднее при двух включенных защитах, мс ..0,075

      максимальное, мс …………………………………….1

Напряжение  питания, В ……………………………………..9…40

Максимальный  потребляемый ток, мА ……………………….50

         1.3 Анализ существующих вариантов построения  

         Основа устройства микроконтроллер PIC16F873. На микросхеме DA2 собран стабилизатор напряжения, которое используется и как образцовое для встроенного АЦП микроконтроллера DD1. Линии порта RA5 и RA4 запрограммированы как входы АЦП для измерения напряжения и тока соответственно, a RA3 – для управления полевым транзистором. Датчиком тока служит резистор R2, a датчиком напряжения – резистивный делитель R7R8. Сигнал датчика тока усиливает ОУ DA1, a ОУ DA2 использован как буферный усилитель. 

 
 
 
 
 
 
 

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 

         2.1 Обоснование построения структурной схемы 

         Структурная схема “Усовершенствованного цифрового устройства защиты с функцией измерения” состоит из восьми функциональных блоков:

• Блок кнопок;
• Стабилизатор напряжения;
• Датчик тока;
• Датчик напряжения;
• Буферный усилитель;
• Микроконтроллер;
• Индикатор

 

питание 

 
 

 
 

 
 
 

БУ- буферный усилитель

МК- микроконтроллер  
 
 
 
 
 

         2.2 Обоснование выбора  элементной базы 

         В схеме “Усовершенствованное цифровое устройство защиты с функцией измерения” выбраны следующие микросхемы:

         PIC16F873; КР142ЕН12А; КР1040УД1; CC56-12GMA.

         Для работы устройства требуется 8-ми разрядный микроконтроллер с небольшим энергопотреблением. Вполне подходит микроконтроллер американской компании Microchip Technology Incorporated – PIC16F873. Рассмотрим его основные характеристики:

         Микроконтроллеры подгруппы  PIC16F873 относятся к семейству 8-ми разрядных КМОП микроконтроллеров, для которых характерна низкая стоимость, полностью статическая КМОП – технология и высокая производительность.

      

         На микросхеме DA2 собран стабилизатор напряжения, которое используется и как образцовое для встроенного АЦП микроконтроллера DD1. 

                         
 

      DA1 LM358CD. Сигнал датчика тока усиливает ОУ DA1.1, а ОУ DA1.2 использован как буферный усилитель.

         2.3 Описание работы принципиальной схемы устройства 

         Принцип работы схемы  заключается в следующем. Если цепочку D-триггеров соединить так, как показано на рисунке 10, и подавать импульсы одновременно на все С-входы, то на прямых выходах V, X, Y и Z последовательно будут появляться высокие логические уровни. Когда очередь доходит до последнего триггера, т.е. на всех выходах — "1", на его инверсном выходе появляется "О", который подается на D-вход первого триггера. Процесс проходит в обратном порядке, т.е на выходах V, X, Y и Z последовательно появляются низкие логические уровни, и вся картина напоминает эффект "бегущей волны". 

Рисунок 10  

         А если увеличить количество триггеров до 16 (8 микросхем К155ТМ2) и подключить все прямые выходы через резисторы одного номинала (около 10 кОм) к делителю напряжения, соединенному с общей шиной, то в первом цикле получим равномерное шестнадцатиступенчатое нарастание напряжения, а во втором цикле — такой же спад. Осциллограмма имеет вид, изображенный на рисунке 11 Амплитуда и симметрия выходного напряжения остаются неизменными при изменении частоты. 

Рисунок 11 

         В целях снижения энергопотребления и уменьшения габаритов, в нем применены микросхемы серии КР1533 и триггеры ТМ8, имеющие 4 D-триггера в одном корпусе. Генератор формирует синусоиды фиксированных частот: 300, 400, 600,800, 1200 и 1600Гц.

         Задающий генератор  на DD2.1 . DD2. имеет кварцевый резонатор на 3,5 МГц. Счетчик DD4 осуществляет первую ступень деления частоты. С переключателя SA1.1…SA1.6, коммутирующего частоты, сигнал подается на входы специализированных микросхем DD1 и DD3 (КР1012ГПЗ), представляющих собой делители частоты с дробным коэффициентом деления. Они применяются в отечественных клавишных электромузыкальных инструментах для формирования полного хроматического звукоряда. Надо отметить, что хотя они имеют КМОП-структуру, тем не менее, хорошо согласуются с микросхемами ТТЛ. Для получения необходимой частоты выводы 2, 3,4, 11, 12, 13, 14 и 15 микросхем DD1 и DD3 в определенной комбинации соединяются с общим проводом, выходные сигналы снимаются с октавных делителей (выводы 5, 6, 9, 10).

         Далее импульсы поступают на С-входы всех 16 триггеров (DD5…DD8), где и происходит формирование ступенчатой синусоиды по вышеописанному принципу. С помощью переключателя SA2 с набором резисторов, шунтирующих полученный сигнал на корпус, производится его квантование по уровню. Для получения необходимой формы огибающей достаточно отключить резисторы первых 3-х или 4-х триггеров (R7, R8, R9, R10) от общей шины. В этом случае сигнал принимает форму слегка усеченного конуса (рисунок 12), что максимально приближает его к идеальной синусоиде. Отключая, таким образом, и другие группы резисторов, можно получать осциллограммы самой причудливой формы.

         Рисунок 12

        Для повышения нагрузочной  способности устройства на выходе собран усилитель тока на эмиттером повторителе (VT2…VT4). Использовать трансформатор на выходе не рекомендуется из-за возникающих при этом искажений формы выходного сигнала, связанных с индуктивностью обмоток. 

         2.4 Технико-экономические  расчеты. 

         Для проверки соответствия разрабатываемой схемы техническому заданию нужно провести расчеты по вычислению потребляемой мощности и задержки времени распространения сигнала от входа схемы к выходу.