Проектирование аналоговых и цифровых электронных устройств измерительных приборов и систем

              K_U.ОС1= R₂ /R₁= 56/6=9,3;

                      K_U.ОС2= R₄ /R₃= 56/6=9,3;

              K_U.ОС3= K_U.ОС/ K_{U.ОС (1, 2)}=700/86,49=8,093;

K_{U.ОС (1, 2)} = K_U.ОС1 · K_U.ОС2 =86,49;

R`₆= R₄ ·K_U.ОС3=56*8,093=453,23≈470кОм (погрешность данного округления не больше заданной погрешности)    

Коэффициент усиления каскадов желательно иметь целыми, а их произведение должно равняться К_{U oc}

К_{U oc}= K_U.ОС1* K_U.ОС2* K_U.ОС3=9,3*9,3*8,093=700.

в) На основе полученных данных и рекомендуемой схемы включения выбранного типа ОУ составляется функциональная схема ИУ.

г) Выбирается тип резисторов. Исходя из выполнения двух условий:

1) резисторы ИУ должны иметь такой температурный коэффициент сопротивления (ТКС), чтобы их погрешность γ_ТКС в заданном диапазоне температуры окружающей среды Δt=40⁰C не превышала заданного значения, т. е. выполнялось условие:

100%·ТКС·10^-6·∆t <  γ_И.У./3

ТКС = γ/3/100·40·10^-6=50;

2) предельная рабочая частота резисторов должна быть больше заданной максимальной частоты сигнала f_ma;

Тип резистора:

С5-25Ф.

д) Схема включения датчика зависит от типа датчика и его параметров. Она выполняется, как правило, на базе выбранного ОУ по схеме инвертирующего или неинвертирующего включения, которая учитывает внутреннее сопротивление датчика R_Д и другие особенности датчика. Выбор источника питания по существу сводится к выбору интегрального стабилизатора напряжения серии К142 с учетом параметров выбранного ОУ и тока потребления ИУ.

 

Выбор типа стабилизатора:

К142ЕН6

;

;

;

;

  ;

  .

е) Составление принципиальной электрической схемы ИУ.

Принципиальная электрическая  схема ИУ должна содержать все  компоненты: измерительный усилитель, схему включения датчика и  схему включения интегрального  стабилизатора напряжения.

 

1.10 Описание функциональной схемы ОУ.

 

На схеме изображаем измерительный усилитель с инверсией  выходного сигнала (инвертируемо включение).                                                                                               В данном ОУ используется параллельная ООС по напряжению. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью при условии   определяется только сопротивлениями цепи обратной связи и не зависит от значения собственного коэффициента усиления ОУ. (коэффициент усиления по напряжению двух сопротивлений). Выходное напряжение на переменном токе противоположно по фазе входному напряжению. Сопротивление R2 и R1 в измерительных усилителях определяется с погрешностью < 0.1%, поэтому с такой же погрешностью будет выполняться значение Ku oc.                                                                                                                                                                                             В реальных ОУ Kuoc не равняется бесконечности, поэтому будет некоторая нестабильность этого коэффициента при нестабильности собственного коэффициента усиления ОУ. Для стабилизации выходного напряжения в данном ОУ применяется стабилизатор К142 ЕН6.

Операционный усилитель состоит из трёх каскадов типа К153 УД6, стабилизатора К142 ЕН6 и тензолитического датчика.

Первый каскад содержит сопротивление R₁ и соединён со вторым сопротивлением R₂. Второму соответствует сопротивление R₃. Он в свою очередь разделён с третьим каскадом сопротивлением R₄. Третьему каскаду принадлежит сопротивление R₅. Он соединен с четвертым каскадом сопротивлением R₆. Четвертый каскад содержит сопротивления R₇,R₈,R₉.

 

1.11 Описание принципиальной схемы ОУ.

 

В данной cхеме применен тензолитический датчик по мостовой схеме.

Входной каскад выполнен на ОУ.  Для согласования с измерительным  датчиком схема должна обладать высоким  входным сопротивлением для минимизации  влияний на показания. Именно поэтому  входным каскадом является неинвертирующий повторитель. Далее следуют три каскада усиления выполненных также на ОУ включенных по схеме: «инвертирующий усилитель».    Такое построение схемы позволяет достичь необходимых параметров.

Для стабилизации питания  применена специализированная микросхема серии К142ЕН6 в типовом включении и особенностей не имеет.

Стабилизатор на схеме  обозначен DA2; DA1, DA3, DA4, DA5 – каскады операционного усилителя, которым соответствуют сопротивления .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Проектирование преобразователя двоичного кода в шестнадцатеричный

 

В процессе проектирования цифрового устройства приходится переходить от табличной формы задания логической функции (таблицы истинности) к алгебраической (буквенной) форме. Этот переход осуществляется двумя способами: посредством непосредственной записи логической функции в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СНДФ) или с помощью карт Карно.

 

2.1 Карты Карно

 

Карта Карно представляет таблицу истинности в графической  форме. На полях карты указываются области существования прямых значений двоичных переменных, а оставшиеся области соответствуют инверсным значениям этих переменных. Каждая карта Карно соответствует одной логической функции. Количество клеток карты равно числу строк таблицы истинности. Каждая клетка соответствует одному минтерму. При отображении таблицы истинности в клетки карты ставятся соответствующие значения булевой функции.

Обозначение переменных на карте Карно сделано так, что  соседние клетки отображают минтермы, отличающиеся только прямым и инверсным значениями одной переменной. Это позволяет наглядно реализовать закон склейки путем объединения (склейки) соседних клеток в строке  или в столбце группами, кратными степени двойки. Каждая склейка клеток представляет собой конъюнкцию переменных, которые не изменяют своего значения в пределах склейки. При минимизации булевой функции стремятся, чтобы каждая склейка включала по возможности больше клеток. Результирующая минимизированная функция представляется в виде дизъюнкции склеек и минтермов клеток, не охваченных склейками.

 

Правило минимизации (склейки) клеток карты Карно:

 

1. Склеиваются любые соседние клетки карты Карно, в которых находится логическая «1» или логический «X», то есть 1 или 0 – состояние неопределённости.
2. Могут склеиваться между собой крайние клетки столбца или строки, так как они являются соседними.
3. Могут склеиваться все угловые клетки карты Карно, так как они являются соседними.
4. Количество склеиваемых клеток должно быть максимально и равным , то есть 2, 4, 8…
5. Можно склеивать все клетки одной строки, одного столбца, двух строк, двух столбцов…
6. Можно склеивать клетки, расположенные симметрично относительно оси параллельно полуоси карты Карно.
7. Каждая клетка может входить многократно в различные склейки.

 

               Вывод: При склейке клеток в результате остаются те переменные, которые не меняют свои значения внутри склейки.

Карты Карно можно  построить для функций с любым  конечным числом входных переменных. Однако при большом числе переменных (свыше 6) простота и наглядность процесса минимизации функции уменьшаются.

 

2.2 Методика синтеза комбинационного устройства.

 

К комбинационным устройствам  относятся логические элементы, дешифраторы  и шифраторы. Преобразователи кодов, мультиплексоры и демультиплексоры, сумматоры, шинные формирователи, арифметическо-логические и другие цифровые устройства. К часто применяемым комбинационным цифровым устройствам относятся дешифраторы и преобразователи двоично-десятичного кода в код семисегментных индикаторов или в шестнадцатиричный код.

Семисегментные индикаторы широко используются в цифровых жидкокристаллических табло микрокалькуляторов, цифровых измерительных приборов (вольтметров, ваттметров, омметров, весов), простых  дисплеев цифровых систем сбора и  обработки информации, а также автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

Методика синтеза любого дешифратора как комбинационного устройства включает в себя следующие этапы:

1. На основе описания принципа действия комбинационного устройства составляется его таблица истинности.
2. По таблицам истинности составляются карты Карно, каждая из которых соответствует совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СНДФ) логической функции выходного сигнала.
3. Проводится минимизация выходных логических функций путем склейки клеток карты Карно, и записываются минимальные дизъюнктивные нормальные формы (МНДФ) логических функций для каждой выходной логической переменной устройства. Полученные функции используются для построения второй таблицы истинности устройства, которая в случае правильно выполненной процедуры минимизации должна совпасть с исходной. В противном случае необходимо найти и исправить ошибки.
4. Выбирается замечательный набор ЛЭ (элементная база), а затем с помощью законов инверсии и двойного отрицания минимизированные логические функции приводятся к виду этого набора ЛЭ и строится функциональная электрическая схема КУ.
5. Выбирается конкретная серия интегральных микросхем, соответствующая выбранному набору логических элементов и требуемому быстродействию устройства, и на ее базе строится принципиальная схема устройства.

 

2.3 Принципиальная электрическая схема К154 УД 2

 

Микросхемы  относятся к классу операционных усилителей (ОУ) общего применения с хорошими динамическими параметрами, обеспечивающими широкий частотный диапазон при полном использовании динамического диапазона выходных сигналов. При этом динамические параметры обеспечиваются без применения внешних элементов компенсации. Одновременно эти ОУ обладают хорошими статическими параметрами (малые входные токи, большие коэффициент усиления и подавление синфазного сигнала). Микросхемы имеют защиту от короткого замыкания по выходу, работают в широком диапазоне питающих напряжений. Микросхемы отличаются от стандартных ОУ малым потреблением при нормальной нагрузочной способности. Такое сочетание динамических и статических параметров позволяет эффективно применять эти ОУ в самых различных областях. Отличные параметры ОУ достигнуты за счет современной технологии изготовления и оригинальных схемотехнических решений. Корпуса микросхем.

ОУ К154 УД 2 имеет  защиту от перегрузок по входу и  выходу. Схема его включения приведена  на рис.

 

 

 

 

Дешифратор - комбинационное устройство, которое преобразует  входящий двоичный код в унитарный  выходной код.

Унитарным называется такой код, у которого логическая единица есть только в одном разряде, а в остальных разрядах – логические нули.

Дешифратор, у  которого количество выходов равно 2ⁿ, где n – число входов, называется полным.

Дешифратор, у  которого количество выходов < 2ⁿ , называется неполным.

 

По  структуре построения все дешифраторы  делятся на 3 вида:

 

1) матричные

2) пирамидальные

3) двухступенчатые

 

 Количество  контактов в ПДС меньше, чем  у остальных видов, следовательно,  время безотказной работы у  него будет в 5 раз больше, а быстродействие в 15 раз хуже.

У ДДС быстродействие в 2 раза хуже, чем у МДС, а время  безотказной работы в 2 раза меньше, чем у ПДС.

На практике чаще всего используется ДДС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Проектирование преобразователя двоичного кода в шестнадцатеричный код

 

 

 

 

1. Составление таблицы истинности преобразователя.

Количество строк таблицы  истинности равно количеству кодовых  комбинаций четырехразрядного ( n=4) двоичного кода (16=2ⁿ=2⁴) и девять колонок: колонку цифр (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9) десятичного кода, колонку комбинаций двоичного кода, разряды которого обозначены символами x_3, x_2, x₁, x₀, и девять колонок, соответствующих сегментам индикатора, обозначенным латинскими буквами A, B, C, D, E, F, G, H, L.

 

Двоичный  код				Десятичный код	а	b	с	d	e	f	g	h	l
					A	В	С	D		F	G
0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	0	0	0
0	0	0	1	1	0	0	0	0	1	1	0	0	0
0	0	1	0	2	1	0	1	1	0	1	1	0	0
0	0	1	1	3	1	0	0	1	1	1	1	0	0
0	1	0	0	4	0	1	0	0	1	1	1	0	0
0	1	0	1	5	1	1	0	1	0	0	1	0	0
0	1	1	0	6	1	1	1	1	1	0	1	0	0
0	1	1	1	7	1	0	0	0	1	1	0	0	0
1	0	0	0	8	1	1	1	1	1	1	1	0	0
1	0	0	1	9	1	1	0	1	1	1	1	0	0
1	0	1	0	10	1	1	1	0	1	1	1	0	0
1	0	1	1	11	1	1	1	1	1	1	1	1	1
1	1	0	0	12	1	1	1	1	0	0	0	0	0
1	1	0	1	13	1	1	1	1	1	1	0	1	1
1	1	1	0	14	1	1	1	1	0	0	1	1	1
1	1	1	1	15	1	1	1	0	0	0	1	1	1