Размещено на http://www.allbest.ru/

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске

Кафедра Вычислительной Техники

Направление 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»

профиль «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»

на тему «Генератор прямоугольных сигналов на основе ЦАП (изменение амплитуды)»

Студент группы АС - 14

Василенко П. В.

Руководитель

доцент Аверченков О. Е.

Смоленск 2017 г.



Аннотация

Пояснительная записка к курсовой работе на тему "генератор прямоугольных импульсов на основе ЦАП (изменение амплитуды)" содержит 26 страниц, 11 рисунков, 9 источников.

В работе представлена разработка генератора прямоугольных импульсов, осуществляющего генерацию импульсов с изменением амплитуды, которая включает разработку и описание структурной схемы устройства, разработку и описание принципиальной схемы устройства, выбор и расчет отдельных узлов устройства, разработка и реализация алгоритма программы.

В процессе работы проводился анализ существующих решений, а также проблем их реализации. Устройство выполнено на базе однокристальной ВМ класса х51.

В приложении содержится принципиальная схема устройства, перечень элементов и текст программы.

резонатор дешифратор таймер микросхема



Оглавление

• Аннотация
• Техническое задание
• Введение
• 1. Структурная схема устройства
• 1.1 Выбор и обоснование
• 1.2 Описание принципа действия устройства
• 2. Выбор, обоснование и расчет отдельных узлов
• 2.1 Выбор микросхемы ОВМ х51
• 2.1.1 Цепочка сброса
• 2.1.2 Кварцевый резонатор с фазосдвигающими конденсаторами
• 2.2 Выбор микросхемы дешифратора и схем индикации
• 3. Описание полной принципиальной схемы
• 4. Оценка нормируемых параметров
• 4.1 Оценка потребляемой мощности
• 4.2 Оценка потребляемого тока
• 4.3 Рабочие температуры
• 5. Алгоритм работы программы
• 5.1 Описание алгоритма работы главного цикла
• 5.2 Описание алгоритма инициализации таймера 0
• 5.3 Описание алгоритма прерываний по переполнению Т0
• 5.4 Описание алгоритма работы динамической индикации
• Заключение
• Литература
• Приложение А. Принципиальная схема устройства
• Приложение В. Перечень элементов
• Приложение С. Текст программы

• Техническое задание
• Разработать цифровое устройство на основе ОВМ x51, выполняющее генерацию прямоугольных импульсов с изменением амплитуды.
• · Назначение устройства и область использования.
• Устройство предназначено для генерации прямоугольных импульсов с изменением амплитуды, может использоваться в лабораторных условиях для получения прямоугольных импульсов и синхронизации различных процессов в цифровых устройствах.
• · Общий алгоритм работы устройства (несколькими фразами).
• Работа устройства заключается в следующем. При подаче питания на прибор пользователь с помощью двух кнопок (+1 к амплитуде, -1 к амплитуде) выбирает нужное значение амплитуды, затем это значение выводится на светодиодный индикатор, после чего данное значение поступает на ЦАП и с помощью программного кода на выходе генерируются прямоугольные импульсы.
• · Входные и выходные параметры.
• Входными параметрами является значение амплитуды. Которая передается байтами в процессор. На выходе имеем прямоугольные импульсы.
• · Состав устройства.
• В состав устройства входят: микропроцессор; трехразрядный семисегментный индикатор (КИПЦ38А-3/8.); цифро-аналоговый преобразователь(К572ПА1); дешифратор (КР514ИД2), который используется для преобразования двоичного числа в соответствующий код для семисегментного индикатора; дешифратор (К155ИД10) служит для указания конкретного знакоместа в индикации; 2 кнопки, конденсаторы, резистор, кварцевый резонатор; интегральный операционный усилитель (К577УД1); источник питания на 5В.

Введение

Общие сведения. Генератор тактовых импульсов (генератор тактовой частоты) предназначен для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах -- ЭВМ, электронных часах, таймерах и других. Он вырабатывает электрические импульсы (обычно прямоугольной формы) заданной частоты, которая часто используется как эталонная -- считая количество импульсов, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

Генераторы прямоугольных импульсов применяются во многих радиолюбительских устройствах: электронных счетчиках, игровых автоматах, ну и наиболее широкое применение они получили при настройке цифровой техники.

Обзор литературы, методов, схемных решений

Информации в доступных источниках о проектировании и схемных решениях генераторов импульсов много, мной было выбрано решение использовать генератор на основе ЦАП.

Найденный вариант выполнен на основе специализированной микросхемы К572ПА1 - 10-разрядный КМОП умножающий ЦАП с параллельным входным интерфейсом и токовым выходом. Схема генерации сигналов и индикации значений на светодиодном дисплее сделана на микроконтроллере AT89C2051 (см. рис. ниже).

Основой является микроконтроллер DD2 типа AT89C2051 фирмы ATMEL. Индикация динамическая, реализована программно. С помощью двух дешифраторов типа К155ИД10 (DD3) и КР512ИД1 происходит вывод индикации на семисегментный одноцветный индикатор КИПЦА38-3/8 (HG1). Таким образом первый дешифратор КР514ИД2 используется для преобразования двоичного числа в соответствующий код для семисегментного индикатора, дешифратор К155ИД10 служит для указания конкретного знакоместа в индикации

Рисунок 1. Принципиальная схема динамической индикации.

Используя данную схему как основу, добавим к ней выбранный мной ЦАП, а именно К572ПА1, так же добавим к нему ИОУ. Так же я решил использовать дешифратор КР514ИД2, это должно повысить стабильность устройства и защитить процессор от перегрева так как, буду использовать процессор AT89C51, а у него нагрузочная способность портов меньше чем у AT89C2051.

Также в интернете находил множество однотипных схем вот такого типа на микропроцессорах других производителей и архитектуры:

Рисунок 2. Принципиальная схема генератора на основе ЦАП.

Устройства, которые не используют дешифратор, мне показались не подходящими при реализации, так как в плане программного обеспечения их реализовать сложнее, а именно процедуру вывода информации об амплитуде на индикатор. А точнее в данном случае к основному алгоритму обслуживания динамического индикатора - установить данные на сегменты и включить знакоместо в первой схеме, необходимо добавить программное преобразование данных в семисегментный код.

1. Структурная схема устройства

1.1 Выбор и обоснование

Согласно техническому заданию, разрабатываемое устройство основывается на ОВМ х51. Программа, по которой работает ОВМ, обрабатывает данные поступающие от нажатий кнопок и подает значение на ЦАП. Для вывода информации используется принцип «динамической индикации». Дешифратор 1 используется для преобразования двоичного числа в соответствующий код для семисегментного индикатора. Дешифратор 2 служит для указания конкретного знакоместа в индикации.

Рисунок 3. Структурная схема устройства.

1.2 Описание принципа действия устройства

Алгоритм заключается в следующем, с помощью устройства ввода (двух кнопок) мы выставляем требуемую амплитуду импульса. ОВМ программно обрабатывает поступивший сигнал и изменяет в соответствии с выбранным значением амплитуду импульса в зависимости от текущей амплитуды, значение которого выводится на индикацию. Все это делается при помощи ОВМ х51 - АТ89С51.



2. Выбор, обоснование и расчет отдельных узлов

2.1 Выбор микросхемы ОВМ х51

Выберем x51-совместимый микроконтроллер фирмы ATMEL AT89C51. Этот контроллер полностью совместим с семейством MCS51, выпускается в 40-выводном корпусе. Условное графическое обозначение приведено на рисунке 4. Контроллер содержит электрически перепрограммируемое ПЗУ объемом 4 Кбайт, внутреннее ОЗУ объемом 128 байт, 32 программируемых линий ввода/вывода, два 16-разрядных таймера/счетчика событий, полнодуплексный последовательный порт (UART), пять векторных двухуровневых прерывания, встроенный генератор и схему формирования тактовой последовательности. AT89C51 имеет также стандартный для MCS51 последовательный порт. Выводы портов - сильноточные, допускают прохождение через них тока до 20 мА (суммарный ток через все линии порта - не более 80 мА). Напряжение питания - 4...6 В.

Выводы порта P0 выполняет функции мультиплексной передачи младшего байта адреса/данных. Отметим также, что большую роль в организации обмена через порт P0 играют синхросигналы чтения-записи PSE, RD и WR, разрешающие ввод или вывод байтовой информации. Порт P2 используется для передачи старшего байта адреса. Порты P1-P3 имеют так называемую квазидвунаправленную структуру, основанную на использовании однотранзисторной выходной цепи с внутренним транзисторным ключом и резистором. Линии порта P3.0 - P3.7 выполняют альтернативные функции: P3.0 - RxD, P3.1 - TxD, P3.2 - , P3.3 - , P3.4 - T0, P3.5 - T1, P3.6 - WR, P3.7 - RD.

Из стандартного для контроллеров семейства MCS51 набора регистров SFR в AT89C51 присутствуют аккумулятор, регистры B, PSW, IP, IE, TCON, TMOD, TL0, TH0, SP, PCON, DPTR, P1, P0, P1 и P3, SCON, SBUF, TL1 и TH1.

Рисунок 4. Условное графическое обозначение микросхемы AT89C51

Цепочка сброса

Цепочка сброса необходима для предохранения программы от «зависаний» и подключается к выводу RST. В данной работе начальный импульс сброса при включении питания получается с помощью RC-цепочки (из конденсатора С1 и резистора R1). При подаче напряжения питания на схему разряженный ранее конденсатор С1 вначале будет представлять закоротку, т.к. напряжение на конденсаторе скачком измениться не может. Произведение расчета импульса сброса:

R1 = 11кОм, С1 = 2мкФ,

t_и = R1*C3 = (11*10³*2*10^-6)c = 22*10^-3c = 22мс > 20мс - длительность импульса сброса достаточна.

Кварцевый резонатор с фазосдвигающими конденсаторами

Внешний кварцевый резонатор ZQ1 и фазосдвигающие конденсаторы С2 и С3 необходимы для задания тактовой частоты работы ОВМ.

Максимальной тактовой частотой является значение 24МГц. Для достижения наилучшего соотношения «производительность / энергопотребление» был выбран кварцевый резонатор с частотой 12МГц. В технической документации указаны рекомендованные величины конденсаторов для кварцевых резонаторов различной природы, так:

Ё Для природного кварца рекомендованное значение С2 и С3 равно 20пФ±10пФ;

Ё Для искусственного (керамического) кварца рекомендованное значение С2 и С3 равно 30пФ±10пФ.

Таким образом, были выбраны конденсаторы по 22пФ.

Рисунок 5 - Кварцевый резонатор с фазосдвигающими конденсаторами

2.2 Выбор микросхемы дешифратора и схем индикации

В качестве микросхем индикаторов будем использовать семисегментный одноцветный индикатор КИПЦА38-3/8. Для управления схемами индикации необходимо устройство, преобразующее двоичный код на выходах счетчиков в код управления индикатором. Таким устройством является дешифратор. Совместно с КИПЦ38А-3/8 применяется дешифратор К514ИД1. Он представляет собой четырех разрядный дешифратор для семисегментных полупроводниковых цифровых индикаторов с разъединенными анодами сегментов. Условное графическое обозначение К514ИД1 представлено на рисунке 6(а), КИПЦ38А-3/8 на рисунке 6(б).

а) б)

Рисунок 6. Условное графическое обозначение микросхем К514ИД2 (а) и КИПЦ38А-3/8 (б)

Назначение выводов:

1, 2, 4, 5 - входы двоично-десятичного кода;

3 - вход гашения;

6 - общий;

7, 8, 9, 10, 11,12,13 - выходы на индикатор;

14 - питание +5В.

Характеристики:

Номинальное напряжение питания	5 В ± 5%
Ток потребления	50 мА
Выходной ток низкого уровня	0,3 мА
Выходной ток высокого уровня	2,5…4,6 мА
Входной ток низкого уровня при U0вx = 0,4В	|-1,6| мА
Входной ток высокого уровня при U1вx = 2,4В	1 мА
Входной ток высокого уровня при максимальном входном напряжении Uвx = 5B	0,07 мА



Предельно допустимые режимы эксплуатации:

Ток нагрузки на каждом выходе	7,5 мА
Напряжение источника питания	5,25 В
Входное напряжение, не более	5,25 В

КИПЦ38А-3/8.

Назначение выводов:

1- сегмент E, 2- сегмент D , 3- сегмент H, 4 - сегмент C, 5- сегмент G, 7 - сегмент B, 10 - сегмент F, 11- сегмент A;

12 - общий1, 9 - общий2, 8 - общий3;

6 - отсутствует.

Электрические параметры:

Номинальное напряжение питания	5 В ± 5%
Ток потребления	10 мА
Диапазон рабочих температур	-55..55°С

Дешифратор К155ИД10 служит для указания конкретного знакоместа в индикации. Условное графическое обозначение К155ИД10 представлено на рисунке 7.

Рисунок 7. Условно графическое обозначение микросхемы К155ИД10

Назначение выводов:

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11 - выходы;

8 - общий;

12, 13, 14, 15 - входы;

16 - напряжение питания.

Электрические параметры:

Номинальное напряжение питания	5 В ± 5 %
Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,4 В
Входной ток низкого уровня	не более -1,6 мА
Входной ток высокого уровня	не более 0,04 мА
Потребляемая статическая мощность	не более 367,5 мВт
Время задержки распространения	не более 50 нс



3. Описание полной принципиальной схемы

Полная принципиальная схема представлена в Приложении 1. Перечень элементов представлен в Приложении 2.

Принципиальная схема содержит ОВМ семейства MCS51 AT89C51, семисегментный индикатор на 3 разряда КИПЦ38А-3/8, дешифратор КР514ИД2 для вывода символов на семисегментный индикатор, дешифратор К155ИД10 служащий для указания конкретного знакоместа в индикации, цифро-аналоговый преобразователь К572ПА1 для преобразования цифрового сигнала в аналоговый и ИОУ типа К577УД1. Так же схема содержит, резистор с сопротивлением 11 кОм и конденсатор емкостью 10 мкФ ,образующие цепь сброса, 2 фазосдвигающих конденсатора на 22 пФ и задающий частоту 12 МГц кварц, еще имеются разъемы для подключения источника питания 5В.

К выходу порта P2.0-P2.7 подключен ЦАП К572ПА1. Выходы P1.0 - P1.3 подсоединены ко входам дешифратора КР514ИД1, преобразующего двоичный код в код для семисегментного индикатора, который передается по соответствующим выходам дешифратора. Для разрешения работы дешифратора вход Г (гашение) подключен к источнику питания. Линии P1.4 - P1.6 управляют работой дешифратора К155ИД10. К выходам P3.2 и P3.3 подсоединены ключи (кнопки).



4. Оценка нормируемых параметров.

4.1 Оценка потребляемой мощности

Формула для расчета потребляемой мощности микросхемы:

Данные занесены в таблицу 1.

Таблица 1. Расчет потребляемой мощности.

Элемент	Напряжение питания, В	Потребляемый ток, мА	Потребляемая мощность, Вт
Микросхемы
AT89C51	5	20	0.100
КР514ИД2	5	50	0.250
К577УД1	5	27	0.135
К155ИД10	5	25	0.367
К572ПА1	5	2	0.300
Индикаторы
КИПЦ38А-3/8	5	25	0.125
		ИТОГО:	1.277Вт

4.2 Оценка потребляемого тока

По источнику 5 В:



4.3 Рабочие температуры

Таблица 2. Диапазон рабочей температуры.

Элемент	Нижняя граница, °С	Верхняя граница, °С
AT89C51	-40	+85
КР514ИД2	-60	+70
К155ИД10	-10	+70
КИПЦ22Б	-55	+85
К572ПА1	-10	+70
ИТОГО	-10	+70



5. Алгоритм работы программы

Текст программы представлен в Приложении 3.

5.1 Описание алгоритма работы главного цикла

Описание алгоритма:

- проверяем начальное значение амплитуды (при первом запуске = 0)

- затем проверяем нажатие кнопок, если нажата кнопка на порте уменьшения амплитуды, то уменьшаем значение на 1, если кнопка порта увеличения - увеличиваем на 1

- записываем значение амплитуды в переменную

- выводим данные на индикацию

- выводим амплитуду на ЦАП

Схема алгоритма рассмотрена на рисунке 8:

Рисунок 8. Схема алгоритма работы главного цикла

5.2 Описание алгоритма инициализации таймера 0

Описание алгоритма:

- останавливаем таймер Т0

- задаем режимы работы T0

- загружаем байты таймера Т0 кодом для счета одного тика

- запускаем Т0

- разрешаем прерывание по переполнению

- разрешаем работу контроллера прерываний.

Схема алгоритма рассмотрена на рисунке 9:

Рисунок 9. Схема алгоритма инициализации таймеров

5.3 Описание алгоритма прерываний по переполнению Т0

Описание алгоритма:

- останавливаем счет таймера Т0

- загружаем 16-ти разрядные регистры данных таймера Т0 побайтно

- запускаем счет таймера Т0

- увеличение счетчика времени на 1

Схема алгоритма рассмотрена на рисунке 10:

Рисунок 10. Схема алгоритма прерывания по переполнению таймера 0

5.4 Описание алгоритма работы динамической индикации

Описание алгоритма:

- выключаем все порты индикации

- производим индикацию знакоместа

- инкремент знакоместа

- если все знакоместа обновлены, то переходим к начальному, иначе заканчиваем.

Схема алгоритма рассмотрена на рисунке 11:

Рисунок 11. Схема алгоритма работы подпрограммы динамической индикации



Заключение

После проделанной работы, была разработанная принципиальная схема устройства генерирующего прямоугольные сигналы на основе ЦАП К572ПА1. Разработанное устройство может применяться, для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах -- ЭВМ, электронных часах, таймерах и других. А также его можно использовать в измерительной технике для наладки и ремонта различных цифровых устройств.

Питание осуществляется от источника 5 В. Потребляемая мощность - 1.277 Вт. Потребляемый ток - 0.255А

Устройство может работать при температуре от -10 до +70 єC.

Литература

1) Аверченков О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы. - М.:ДМК Пресс 2012. - 588 с.

2) Аверченков О.Е. Схемотехника: Особенности программирования однокристалльной ВМ x51 на языке Си. - М.:ДМК Пресс 2012.

3) Аверченков О.Е. Основы схемотехники однокристальной ВМ х51: учебно-методическое пособие по курсу «Схемотехника ЭВМ» / О.Е. Аверченков. - Смоленск: РИО филиала ГОУВПО «МЭИ(ТУ)» в г. Смоленске, 2010. - 88с.

4) AT89C51 Complete datasheet [Электронный ресурс]http://www.atmel.com/images/doc0368.pdf

5) AT89C2051 [Электронный ресурс] http://www.atmel.com/ru/ru/devices/at89c51.aspx

6) КАЕВЧЕНКО М.А. Графические и текстовые конструкторские документы. Методические указания к оформлению по ЕСКД конструкторских документов, курсовых и дипломных проектов по курсу “Конструкторско-техническое обеспечение производства ЭВМ” Смоленск: ГОУВПО СФМЭИ (ТУ), 2005.

7) НЕФЕДОВ А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник в 12 томах. -М.: ИП РадиоСофт, 2000.

8) [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/Генератор_сигналов

9) [Электронный ресурс] http://www.texnic.ru/konstr/izm/izm7.html

Приложение А.

Принципиальная схема устройства



Приложение В

Перечень элементов



Приложение С

Текст программы

//Программа для КП на тему "Генератор прямоугольных импульсов на основе ЦАП(изменение амплитуды)"

//выполнена Василенко П.В., студентом группы АС-14.

//Версия программы: 1.1 beta, //05.06.2017//

#include <at89x51.h> //подключение файла используемого процессора, где определены стандартные имена регистров и битов

#define mPort P1

#define Tik (10000) //задание "тика" системного таймера Tic, Tic = 10000мкс = 10мс

#define mKvoZn 3

unsigned char //задание переменных

mPtrZn=0, mCount10ms=0, mBufInd[]={0,0,0}, mCount1s=0;

int T,T_PULSE,T_PAUSE,T2, FLAG;

char amp; //значение амплитуды

char n; //переменая фиксации переключения 0 и 1 (давать паузу или нет)

void mInitT0 (void){

TR0=0; //установка времени, которое будет //это бит управления запуском таймера 0 останавливает счет таймера 0

TMOD=(TMOD&0xf0)|0x1; //задание режима таймера

TL0=(~Tik); //установка времени, которое будет

TH0=(~Tik)>>8; //отсчитываться таймером, сдвиг вправо на 8 битов

TR0=1; //разрешает счет таймера 0

ET0=1; //разрешить прерывание по таймеру Т0

EA=1; //разрешить все разрешенные прерывания

}

void mInd (void){

mPort=0xf0; // выключаем все индикаторы

mPort=mPort|mBufInd[mPtrZn]; // выводим информацию

mPort=mPort&(~(1<<mPtrZn+4)); // включаем текущий индикатор

mPtrZn++;

if (mPtrZn==mKvoZn) mPtrZn=0;

}

void mInterrutT0 (void) __interrupt (TF0_VECTOR){ //процедура прерывания по переполнению для таймера 0

TR0=0; //установка времени, которое будет //это бит управления запуском таймера 0 останавливает счет таймера 0

TL0=(~Tik); //установка времени, которое будет

TH0=(~Tik)>>8; //отсчитываться таймером, сдвиг вправо на 8 битов

TR0=1; //разрешает счет таймера 0

mCount10ms++;

mInd();

FLAG=~FLAG;

}

void mByteToBCDtoBufInd (unsigned char mB){

mBufInd[2]=mB/100; // сотни

mBufInd[1]=(mB%100)/10; // десятки

mBufInd[0]=(mB%100)%10; // единицы

}

void main(void)

{

amp = 0; //Изначальная амплитуда

n = 0; //Фиксирует переключение из 0 в 1

mInitT0();

P2_3=0; //Порт для кнопки уменьшения

P2_2=0; //Порт для кнопки увеличения

//Предподготовительный этап для настройки амплитуды

while(1) //Работает постоянно

{

mByteToBCDtoBufInd(amp);

if (P2_2 == 1 && amp < 9) //увеличиваем амплитуду

{

amp = amp + 1;

}

if (amp > 0 && P2_3 == 1)//уменьшаем амплитуду

{

amp = amp - 1;

}

//Основной этап

mByteToBCDtoBufInd(amp); // Индикатор показывает значение амплитуды

if(FLAG) P3 = amp; // Посылаем амплитуду на ЦАП

else P3 = 0; // Посылаем 0 на ЦАП

}

}

Размещено на Allbest.ru