Устройство для сбора и хранения информации

Введение

Проектируемое устройство для сбора и хранения информации представляет собой информационно-измерительную систему, предназначенную для исследований окружающей среды или какого-либо объекта.

Как правило, устройство для сбора и хранения информации является многоканальным. Каждый канал содержит первичный преобразователь «Д» (датчик), предназначенный для преобразования измеряемого параметра в физическую величину, удобную для измерения.

цифровой преобразователь информация

1. Анализ технического задания

Запуск устройства производится внешним сигналом «Запуск», выдача хранимой в устройстве информации производится по запросным сигналам с ЭВМ

Многоканальный АЦП в течение заданного времени (время сбора информации 60 с) и с заданным периодом опроса (400 мс) преобразует аналоговую информацию в двоичный код и записывает эту информацию вместе с контрольным разрядом в БЗУ. После окончания цикла измерений формируется сигнал «Конец сбора информации», и устройство переходит в режим ожидания. Далее с вычислительного устройства поступают сигналы, по которым выдается хранимая информация.

В соответствии с техническим заданием проектируемое устройство для сбора и хранения информации имеет семь измерительных каналов, Tопр.=400 мс., частота опроса АЦП равна:

fАЦП=m/Tопр.=16/(400*10-3)=40 Гц, где m – количество измерительных каналов.

Емкость БЗУ зависит от частоты опроса АЦП и периода опроса каждого измерительного канала:

Z=fАЦП*Tизм ,

где Tизм – время сбора информации.

Также необходимо учитывать разрядность.

Поскольку питание устройства осуществляется от сети, необходимо разработать источник вторичного питания.

Для подключения устройства сбора и хранения информации к ЭВМ необходимо выполнить коммутирующие цепи, которые выполняются в виде разъемов.

2. Выбор элементной базы и принципиальной схемы

2.1 Выбор аналоговых ключей

В качестве аналоговых ключей предпочтительно применить две микросхемы К561КП2 – демультиплексор, содержащий восемь каналов коммутации цифровых и аналоговых сигналов и один выход. Микросхема имеет два вывода питания: положительное напряжение Uи.п.С подается на вывод 16, а на вывод 7 может быть подано отрицательное напряжение -Uи.п.Э. Адресные и логические сигналы должны иметь в качестве нуля напряжение нулевого уровня.

Управляется микросхема трехразрядным входным кодом (A, B, C) и EI – входом разрешения. Если на нем присутствует высокий уровень, то все каналы размыкаются.

Основные параметры микросхемы:

- сопротивление включенного канала при Uи.п.С=5 В составляет 0,5…2,5 кОм; при Uи.п.С=15 В оно уменьшается до 0,13…0,28 кОм.

- время задержки не превышает 30 нс.

- Iп=100 мкА.

2.2 Выбор прецизионного усилителя

Усилитель должен быть выполнен на измерительном ОУ и иметь прецизионные элементы обратной связи (R и C), иметь балансировку и обеспечивать подстройку коэффициента усиления. Усилитель должен обеспечивать высокое входное сопротивление. Данным требованиям соответствует операционный усилитель типа К140УД17А. Данный ОУ имеет внутреннюю схему коррекции и может работать в диапазоне питающих напряжений ±3…18 В.

Основные характеристики данного ОУ:

- ку, тыс.-150; V=0,1 В/мкс;

- Uпит=±3…18 В; Rн=2 кОм;

- Iп=5 мА; f=0,4 МГц.

2.3 Выбор АЦП

АЦП предпочтительно выполнить на ИС К1113ПВ1, т.к. эта схема имеет внутренний источник опорного напряжения и внутренний генератор тактовых импульсов. Время преобразования составляет 30 мксек. Микросхема К1113ПВ1 представляет собой 10-разрядный АЦП, рассчитанный на входные напряжения до 10,24 В или –5,12…5,12 В. Переключение режима работы производится по входу V: если V=1, то преобразуются сигналы Uвх от 0 до 10,24 В, если же V=0, то преобразователь работает в двухполярном режиме.

Процесс преобразования в этом АЦП осуществляется при нуле на входе В/С (гашение/преобразование). Для сброса текущего выходного кода преобразователя необходимо подать единицу (минимум на 2 мкс) на вход В/С. После этого подача нуля на вход В/С инициирует новый цикл преобразования. По окончании преобразования на выходе D/R (готовность) появляется сигнал «нуль». В процессе сбора и преобразования одновременно с сигналами готовности данных на этом выходе поддерживается единица и кодовые выходы АЦП находятся в состоянии высокого импеданса. И только по окончании преобразования, одновременно с сигналом готовности данных D/R=0 на кодовых выходах устанавливается информация, соответствующая результату преобразования.

- Uп=+5 В и -15 В; Iп=28 мА.

2.4 Выбор формирователя контрольного разряда

В качестве формирователя контрольного разряда предпочтительно применить К561СА1 – 12-разрядная схема проверки на четность. Имеет один выход Q и 13 входов, один бит – контрольный.

- Uп=+5 В; Iп=10 мкА.

2.5 Выбор ОЗУ

Оперативное запоминающее устройство предназначено для приема, хранения и выдачи информации. ОЗУ выполняются в виде интегральных схем и делятся на статические и динамические. Наиболее распространены статические ОЗУ. Они могут быть одно- и многоразрядными. Элементом памяти статических ОЗУ является триггер.

В зависимости от требуемого объема памяти, быстродействия и разрядности, выбираем статическое ОЗУ К537РУ3. Основные параметры этой микросхемы:

- емкость, бит – 4096 на 1 разряд

- время выработки адреса – 240 нс.

- Uп=+5 В; Iп=12 мА.

2.6 Выбор автогенератора и делителя частоты

В качестве генератора можно применить схему мультивибратора, построенного на ИМС, однако также можно применить кварцевый генератор с ИМС К176ИЕ12. Схема включения автогенератора приведена на рис.2.1.

Микросхема К176ИЕ12 представляет собой двоичный счетчик на 60 и 15-рпзрядный делитель частоты. Кварцевый генератор вырабатывает тактовые импульсы с частотой 32768 Гц. Его параметры:

- Uп=5-10 В; Iп=5 мкА.

Для делителя частоты выбираем микросхему К176ИЕ1 – шестиразрядный счетчик-делитель, который удобно использовать с таймером. Сброс выходных данных в ноль асинхронный, когда на вход R придет высокий уровень - Uп=5-10 В; Iп=0,25 мА.

2.7 Выбор схемы увеличения адреса ОЗУ

Выберем в качестве счетчика микросхему К176ИЕ1-шестиразрядный счетчик-делитель. Так как по условию задания количество разрядов 6, то реализовать счетчик на одной микросхеме не представляется возможным, поэтому необходимо применить две последовательно соединенных микросхемы. Схема увеличения адреса ОЗУ приведена на рис. 2.3.

Микросхема К176ТМ2 содержит два D – триггера, имеющих два входа асинхронного управления S и R. Триггер переключается по положительному перепаду на тактовом входе С, при этом логический уровень, присутствующий на входе D, передается на выход Q. Входы сброса R и установки S триггера не зависимы от тактового входа C и имеют высокие активные уровни. Максимальная тактовая частота до 5 МГц, но время фронта тактового сигнала не должно превышать 5 мкс. - Uп=5-10 В; Iп=3 мкА.

Счетчик каналов должен иметь коэффициент деления равный числу каналов. Счетчик каналов можно построить на микросхеме К176ИЕ1. Выходы счетчика подключаются на шины управления аналоговых ключей.

2.9 Выбор схемы управления

В качестве основного элемента используем микросхему К561ИЕ8 – счетчик-делитель на 10. Выходных состояний у данного счетчика – 10, соответствующих счету от 0 до 9. Длительность каждого тактового импульса должна быть больше 250 нс, поэтому максимальная тактовая частота – 2 МГц. При напряжении питания 5 В тактовая частота не превышает 0,6 МГц.

- Uп=5-10 В; Iп=50 мкА.

2.10 Выбор источника питания

Согласно условию задания питание устройства осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Выбираем трансформатор ТПП-127/220/50. Для питания микросхем необходимо применить стабилизированные источники вторичного питания на напряжение 5 В и двухполярное напряжение ±15 В. Этим требованиям удовлетворяют микросхемы К142ЕН5А и К142ЕН6А – интегральные стабилизаторы напряжения, выполненные методом полупроводниковой технологии на основе биполярных транзисторов с изоляцией p-n переходом и диэлектриком.

3. Электрический расчет принципиальной схемы и отдельных узлов

3.1 Расчет коммутатора аналоговых ключей и счетчика каналов

Согласно техническому заданию аналоговый ключ должен коммутировать 16 измерительных каналов, так как микросхема К561КП2 имеет восемь входов, то используем две такие микросхемы. Управление коммутатором осуществляется счетчиком каналов тремя разрядами управления А, В, С, выполненными на микросхеме К176ИЕ1. Переключение между мультиплексорами осуществляется Т-триггером, созданным из D-триггера.

3.2 Расчет операционного усилителя

Рис.

В. Входное напряжение АЦП лежит в пределах 0…10,24 В. Примем Uвх АЦП=10 В, следовательно, Kус.=Uвх АЦП/Uвх пит =10/(50*10-3)=200.

Для согласования коммутатора с ОУ используем эмиттерный повторитель на ОУ К140УД17А по типовой схеме. Примем R1=10 кОм. Рассчитаем элементы обратной связи этого ОУ.

Коэффициент усиления ОУ Kус.=200. Следовательно, нужно поставить один усилитель с чуть большим коэффициентом усиления, чтобы скомпенсировать потери. Для этого выбираем ОУ К140УД17. Этот ОУ обеспечивает порядка K=1÷1000. Примем коэффициент усиления ОУ Kус.=250.

Рассчитаем элементы обратной связи второго ОУ.

Примем R3=R4=10 кОм, тогда:

R7=R5*Kус.2=104*250=2,5 м

Для регулировки выходного напряжения включаем делитель R5, R6 ,где R5 – подстроечный. Примем R5=1,8 кОм, R6=200 Ом.

Балансировка ОУ осуществляется резистором R2=150 кОм.

Схема включения ОУ и эмиттерного повторителя показана на рис.3.2.

Выбираем прецизионные резисторы:

R1: C2-14-0,125-10 кОм,

R2: CП3-19а-0,5-150 кОм±0,1%,

R3: C2-14-0,125-10 кОм,

R4: C2-14-0,125-10 кОм±0,1%,

R5: CП3-19а-0,5-1,8 кОм±0,1%,

R6: C2-14-0,125-200 Ом±0,1%,