Проектирование аналоговых и цифровых электронных устройств измерительных приборов и систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (СИБСТРИН)

 

                                                                                                   

                                                                      Кафедра СМАиЭ

                                                                                                                                                   

Курсовой проект по курсу электроники

«Проектирование аналоговых и цифровых электронных устройств измерительных приборов и систем»

 

 

 

 

 

 

                                                                                  Выполнила: студентка гр.301                    

                                                                                                           Лыбина О. В.

                                                                      

                                                                                    Проверил: Ахмаметьев М.А.

 

 

 

Новосибирск, 2010

 

 

 

Содержание:

1. Введение………………………………………………………………….3-5
2. Раздел 1. Разработка функциональной и принципиальной

электрических схем измерительного усилителя для заданного датчика.

1. Понятие операционного усилителя (ОУ)………………………………6
2. Принципиальная электрическая схема операционного усилителя типа 140УТ1………………………………………………………………….6-7
3. Эквивалентная схема и обозначение ОУ…………………………….8-9
4. Схемы включения ОУ………………………………………………..9-11
5. Другие схемы включения ОУ. Схемы инвертера…………………11-13
6. Стабилизаторы напряжения на основе ОУ………………………..13-14
7. Интегральные стабилизаторы напряжений………………………..14-15
8. Выбор типа микросхемы ОУ……………………………………….16-17
9. Составление схемы n-каскадного ИУ. Выбор номиналов и типов резисторов……………………………………………………………17-19
10. Описание функциональной схемы ОУ……………………………19
11. Описание принципиальной схемы ОУ………………………..19-20
3. Раздел 2. Разработка функциональной и принципиальной электрических схем комбинационного цифрового устройства (дешифратора или преобразователя кодов)

2.1 Карты Карно…………………………………………………………..21-22

2.2 Методика синтеза комбинационного  устройства…………………..22-23

2.3 Принципиальная электрическая  схема К154 УД2……………….....23-24

2.4 Проектирования преобразователя двоичного кода в                                                                                                                 шестнадцатеричный код………………………………………………….25-27

2.5 Описание функциональной  схемы преобразователя двоичного  кода..27

2.6 Описание принципиальной  схемы преобразователя двоичного  кода..27

4. Раздел 3. Проектирование статического ОЗУ с организацией 512х12 на ИМС К155РУ5 и К589 АП16

3.1 Интегральные запоминающие  устройства (ЗУ)………………….....28-30

3.2 Формирователь двунаправленной  шины данных типа К589      АП16……………………………………………………………………….30-31

3.3 Описание функциональной схемы статического ОЗУ………………...31

3.4 Описание принципиальной  схемы статического ОЗУ………………...31

5. Заключение………………………………………………………………...32

6. Список использованных источников…………………………………….33

7. Приложения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ:

Пример измерительной  системы для определения общего коэффициента пропускания света (ОКПС) оконных блоков. Оптическая часть системы имеет устройство (Рис.1):

 

Рис.1. Структурная схема  устройства для определения ОКПС.

 

Оптическая часть, основанная на основе фотометрического шара, который состоит из двух полусфер, покрытых изнутри диффузно-рассеивающей белой краской. Первая полусфера представляет источник диффузного света, предназначенный для освещения оконного блока равномерно распределенным рассеянным светом. Эта полусфера неподвижна, жестко закреплена, и имеет проем для установки в него стандартного оконного блока размерами 1470×1500 мм. В диаметральной плоскости источника установлено8 ламп накаливания, которые могут включаться сразу по 4, 6 или 8 штук и тем самым создавать в плоскости оконного блока освещения 500, 750 или 1000 люкс. Вторая полусфера играет роль светомерной камеры, которая рассеивает свет, прошедший в нее через оконный блок и этим светом освещается и фотоприемника, которые спрятаны в деревянных брусках, а их светочувствительная поверхность повернута в сторону светомерной камеры. Измерение ОКПС проводится в несколько этапов: сначала без оконного блока измеряется световой поток Ф_i , попадающий от источника диффузного света через проем на приемники светомерной камеры. В проем вставляется оконный блок и измеряется световой поток, прошедший через оконный блок на те же фотоприемники.

 Ф_i - световой поток, попадающий на оконный блок.

 Ф_τ - световой поток, пошедший через оконный блок.

Затем проводятся такие  же измерения для освещенности Е=500 и 1000 люкс.

                        

 

 

 

Электрическая часть  установки имеет следующую схему (Рис.2):

 

                  Рис.2. Электрическая схема устройства для определения ОКПС.

        В качестве фотоприемника селеновые фотоэлементы (фотодиоды). С помощью усилителей ток от фотоэлемента, возникающий под действием падающего светового потока преобразуется в выходное напряжение (U₁, U₄), каждое из которых пропорционально измеряемому световому потоку. Коммутатор аналоговых сигналов (КАС) по очереди подключает эти напряжения на вход измерительного усилителя (ИУ). Напряжение усиливается примерно в 100 раз и поступает в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

АЦП преобразует входное  аналоговое напряжение в выходной двоичный код с количеством разрядов от 8 до 12. Этот код поступает на интерфейс U и через него в ЭВМ, где результаты измерений запоминаются, а дальше обрабатываются, т.е. вычисляется общий коэффициент пропускания света оконного блока. Кроме того, двоичный код с выхода АЦП поступает на дешифратор DC и далее на цифровой индикатор ЦИ. Дешифратор преобразует двоичный код в код семисегментных индикаторов, который выдает в десятичном коде.

В ДС, АЦП и ЦИ используются следующие цифровые устройства: счетчик импульса, регистры, запоминающие устройства, преобразователи кодов и т.д. Таким образом, целью проекта является разработка трех видов устройств: измерительного усилителя; преобразователя кода и одно из устройств используемых в ДС, АЦП и ЦИ.

1часть: разработка ЦИ вместе с датчиком;

     2часть:  разработка преобразователя двоичного  кода в код семисегментных  индикаторов или в шестнадцатеричный  код;

     3часть: разработка одного из цифровых устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 1. Проектирование измерительных усилителей на основе интегральных операционных усилителей

 

1.1 Понятие операционного усилителя (ОУ)

 

ОУ – высококачественный усилитель, имеющий высокий коэффициент усиления (свыше 1000) и предназначенный для усиления постоянного и переменного токов.

В середине прошлого столетия, когда не было цифровых ЭВМ, широко использовались аналоговые ЭВМ, которые строились на основе высококачественных усилителей постоянного тока. С помощью этих усилителей выполнялись операции сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования и интегрирования аналоговых сигналов, поэтому  усилители называются операционными

С 1962 года стали изготавливать полупроводниковые интегральные микросхемы ОУ, имеющие высококачественные характеристики. С тех пор операционные усилители перешли из разряда элементов ЭВМ  в разряд основных элементов, на базе которых делается вся аналоговая электротехника. Различия построения ОУ невелико. Каждый из них имеет, как правило, 3 усилительных каскада.

1. Входной каскад – на основе дифференцированного усилителя каскада с симметричным выходом, который мы  только что рассмотрели, транзисторы этих усилительных каскадов работают при  малых токах коллектора, что позволяет увеличивать входной дифференцированное сопротивление ОУ.

2. Строится как дифференциальный  каскад с несимметричным входом. Его трансформаторы работают при токах коллектора в единицах мА, что обеспечивает высокий коэффициент тока. Он является основным каскадом усиления усилителя.

3. Каскад – усилитель мощности и строится на основе каскада с общим коллектором.

 

1.2 Принципиальная электрическая схема операционного усилителя типа 140 УТ1

 

140 УТ1 – первый отечественный усилитель, который используется до сих пор (рис.3).

Рис.3. Принципиальная электрическая схема операционного усилителя типа 140 УТ1.

 

 

Первый усилительный каскад, собранный на транзисторах Т1-Т4 по схеме дифференциального каскада с симметричным выходом с коллектора транзисторов Т1 и Т2, сопротивлением R5 служит для понижения потенциала в точке а, для обеспечения работы Т1 и Т2 в режиме малых токов.

Второй усилительный каскад собран с несимметричным выходом  с коллектором транзисторов Т6.

Третий усилительный каскад собран на транзисторах Т7-Т9. Транзистор Т7 вместе с Т9 обеспечивает уменьшение потенциала на уровне 05 до уровня 0 при нулевом входном сигнале. Диод D играет роль конденсатора небольшой емкости и обеспечивает устойчивость усилителя при охвате его глубокой ООС.

Транзистор Т8 вместе с сопротивлением R10 стабилизирует эмиттерный ток транзистора Т7, собственно усилитель мощности выполнен на транзисторе Т9,  включенный по схеме каскада с общим коллектором - эта микросхема имеет 10 рабочих выводов, к выводам 7 и 1 подключаются соответственно положительный и отрицательный относительно земли полюса источников питания +Е_п   и -Е_п . К выводам 2 и 3 подключается внешняя корректирующая RC-цепь. Она предназначена для увеличения устойчивости операционного усилителя и получения необходимой частотной характеристики усилителя. Вывод 5 – выход операционного усилителя, а выводы 9, 10 и 4 – входы ОУ. На вход 9 подается инвертируемый входной сигнал относительно вывода 4. А на вход 10 неинвертируемый входной сигнал относительно вывода 4 (вывод с заземлением). Входы 9, 10 называются соответственно инвертирующим (-) и неинвертирующим (+).

 

1.3 Эквивалентная схема и его обозначение ОУ

ИВ - инвертирующий вход;

НВ - неинвертирующий  вход.

                     Рис. 4. Эквивалентная схема ОУ

 

+Е_п   =+10…+20 В            -Е_п   =-10…-20 В

R'_{ВХ. ДИФ} – дифференциальное входное сопротивление ОУ, которое при использовании биполярных транзисторов 50 кОм

R'_c – синфазное сопротивление, то есть сопротивление для входного синфазного сигнала. Оно обычно равно 5· (10⁵…10⁶) Ом

 R'_ВЫХ - выходное сопротивление операционного усилителя, которое обычно = 20…200 Ом

U_ВЫХ = - U'_{ВХ. ДИФ} · К'_U при R_н → ∞

U'_{ВХ. ДИФ} = U₁₀ - U₉

Обычно микросхемы выполняют  таким образом, что подачи сигналов на выходы U₁₀ = U₉ =0 = U_{ВЫХ ,}что позволяет соединить один усилитель с другим без разделительных конденсаторов и тем самым строятся усилители, которые могут усиливать сигналы постоянного и переменного токов.

Так как  Е_п =10 В, а К'_U ≥ 10³, то

U_ВЫХ ≤ Е_п ∕ 2 ≈ 5 В,

 а U'_{ВХ. ДИФ} = U_ВЫХ ∕ К'_U ≤ 0,005 В

                          

                                      малая величина →0  

 

В учебной документации ОУ обозначается треугольником (Рис.5):

1.

 

Рис.5. Обозначение ОУ в учебной документации

 

В конструкторской документации на электрических схемах ОУ обозначается прямоугольником (рис.6):

2.

 

Рис.6. Обозначение ОУ в конструкторской литературе

 

1.4 Схемы включения ОУ

 

 

а) инвертирующее включение ОУ

   Рис.7. Инвертирующее включение ОУ

 

U'_ВХ → 0

Параллельная отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению

 

U_OC=U_вых/(R₁+R₂)*R₁ 

      I₁= U_вх.1/R₁; I₂= - U_вых/R₂; I₁=I₂, т.е. U_вх/R₁=- U_вых/R₂ =>

 

K_U.ИВ= U_вых/ U_вх= - R₂/R₁

 

    U'_ВХ = U_ВХ · R₂ ∕ (R₁+R₂)   +  γ · U_ВЫХ ,

 где γ = R₁ ∕ (R₁+R₂) - коэффициент ООС

U'_ВХ  = - U_ВЫХ   ∕ K'_U  => - U_ВЫХ   ∕ K'_U  - γ · U_ВЫХ = U_ВХ · R₂ ∕ (R₁+R₂)