Чтобы измерить что-либо, чтобы воспринять что-либо, всегда существует единица шкалы. Метод измерения должен работать с такой же или меньшей единицей шкалы, чем измеряемая величина.

Время отклика визуального восприятия человека - около 1/8 секунды, и обычные явления, такие как движение мяча, могут комфортно наблюдаться.

Процессы более быстрых масштабов, такие как биения крыльев птицы, происходят слишком быстро, чтобы их можно было увидеть и понять непосредственно. Потребность людей в понимании толкает их к разработке механизмов, способных видеть там, где они не могут.

Разработка импульсных фотоосветителей, где вспышка света освещает объект на долю секунды, и это мгновенно фиксируется камерой, сделала возможным наблюдение событий миллисекундном и даже микросекундном диапазоне. Можно разглядеть крылья в полете, капли жидкости, вылетающие из центра всплеска, записывался момент удара пули о зеркало.

Например, применимость коротких импульсов света для исследования ранее недоступных масштабов времени утверждалась вне всяких сомнений, и когда они стали доступны на пико- и фемтосекундных масштабах, даже движения молекул стали доступны для внимательного рассмотрения. Хотя импульсы давно используются для обучения и измерения физических процессов, в настоящее время возможно фактически управлять процессами, используя фазовый аспект сверхбыстрого импульса, для влияния на вероятность квантово-механического процесса. Развитие цифровой техники и интегральные микросхемы сделали совершенно реальным решение таких сложных технических задач, как измерение и цифровая индикация длительности одиночного импульса практически любой длительности.

Схема, разработанная в данном курсовом проекте, наглядно изображает принцип работы такого устройства.

1. Разработка структурной и принципиальной схем цифрового измерителя длительности одиночного импульса

1.1 Разработка и описание структурной схемы измерителя

Генератор одиночных импульсов: при кратковременном сигнале на входе он формирует электрический импульс прямоугольной формы вполне определенной длительности (она не зависит от длительности входного, т.е. запускающего, импульса), после чего переходит в ждущий режим и не работает до прихода следующего запускающего сигнала.

Рисунок 3 - Схема генератора образцовых импульсов.

Для более эффективной работы схемы необходима кварцевая стабилизация, для чего в схему включается кварцевый резонатор.

Блок формирования импульсов сброса счетчиков и записи в регистр

При реализации цифрового устройства соответствующего назначения часто необходимо сформировать короткие импульсы по фронтам входного сигнала. В частности, такие импульсы используют для сброса счетчиков в качестве импульсов синхронизации при записи информации в регистры.

На Рисунке 4 изображены схема и временные диаграммы формирователя коротких отрицательных импульсов по положительному перепаду напряжения на его входе.

При изменении напряжения Uвх от низкого уровня до высокого этот перепад без задержки поступает на вход первого элемента. В то же время на входе другого элемента напряжение высокого уровня сохраняется, в течение времени распространения сигнала. В результате в течение этого времени на выходе устройства сохраняется напряжение низкого уровня. Затем на входе последнего инвертора устанавливается напряжение низкого уровня, а на выходе устройства - высокого. Таким образом, формируется короткий отрицательный импульс, фронт которого совпадает с фронтом входного напряжения. Чтобы такое устройство использовать для формирования отрицательного импульса по срезу входного сигнала, его надо дополнить еще одним инвертором:

Рисунок 4 - Схема и временные диаграммы формирователя коротких отрицательных импульсов по положительному перепаду напряжения на его входе.

Данная схема обеспечивает поступление сигналов на блок счетчиков с последующим отображением полученного результата блоком индикации.

Схема индикации.

2. Блок счетчиков

Триггер Шмитта широко применяется для преобразования медленно изменяющихся во времени сигналов в сигналы четкой формы с резкими фронтами. Для этих триггеров характерен гистерезис, как видно из Рисунка 3.

Рисунок 3 - Триггеры Шмитта на основе операционных усилителей:

а - выходная характеристика схемы (гистерезис);

б - формирование гистерезиса;

в - основная схема;

г - триггер Шмитта с точками переключения, устанавливаемыми стабилитронами.

Существуют верхний (UTP) и нижний (LTP) пороги срабатывания. Гистерезис представляет собой форму обратной петли характеристики и является полезным эффектом, поскольку уменьшает флуктуации сигнала на выходе, если на медленно изменяющийся входной сигнал накладывается шум.

Триггер Шмитта на основе операционного усилителя показан на Рисунке 3-в. Выход триггера находится в состоянии насыщения либо при положительной, либо при отрицательной полярности.

Предположим, что уровень входного сигнала превышает верхний порог срабатывания; на выходе устанавливается напряжение - Vcc, а на неинвертирующем входе:

Это напряжение верхнего порога срабатывания: и пока напряжение Vin будет превышать этот уровень, на выходе будет напряжение положительной полярности.

Уровни верхнего и нижнего порогов срабатывания схемы, изображенной на Рисунке 3-в, симметричны относительно О В. Существует множество разновидностей этой схемы, у некоторых из них пороги срабатывания несимметричны. Например, верхний и нижний пороги срабатывания схемы, изображенной на Рисунке 3-г, имеют одинаковую полярность, и эта схема работает от одного источника питания.

Большинство серий логических микросхем включают в себя микросхемы триггеров Шмитта: например, 7414 в семействе ТТЛ или 4093 в КМОП (четыре логических элемента И-НЕ с триггерами Шмитта на входах). Но у таких готовых триггеров Шмитта заведомо фиксированные пороги срабатывания и ограниченный диапазон входных напряжений. Триггеры Шмитта на операционных усилителях (ОУ) позволяют разработчику конструировать схемы, для которых не подходят триггеры Шмитта на стандартных микросхемах.

Это и есть нижний порог срабатывания. До тех пор пока напряжение Vin будет оставаться выше нижнего порога срабатывания, уровень на выходе не изменится.

Если напряжение Vin станет меньше нижнего порога срабатывания, напряжение на выходе возрастет, вместе с ним будет возрастать и напряжение на неинвертирующем входе. В такой схеме имеет место положительная обратная связь; при резком возрастании выходного напряжения до значения +VCC напряжение на неинвертирующем входе возрастет до значения:

Формирователь ТТЛ уровней

В настоящее время применяются два вида ТТЛ микросхем - с пяти и и с трёхвольтовым питанием, но, независимо от напряжения питания микросхем, логические уровни нуля и единицы на выходе этих микросхем совпадают. Поэтому дополнительного согласования между ТТЛ микросхемами обычно не требуется. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой ТТЛ микросхемы показан на рисунке 6.

Рисунок 6 - Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем.

Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Границы уровней логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем.

Первые ТТЛ микросхемы оказались на редкость удачным решением, поэтому их можно встретить в аппаратуре, работающей до сих пор. Это семейство микросхем серии К155. Стандартные ТТЛ микросхемы - это микросхемы, питающиеся от источника напряжения +5В. Зарубежные ТТЛ микросхемы получили название SN74.

В настоящее время отечественная промышленность производит микросхемы серий К1533 (низкое быстродействие низкое потребление - SN74ALS) и К1531 (высокое быстродействие и большое потребление - SN74F).

За рубежом производится трехвольтовый вариант ТТЛ микросхем - SN74ALB. В истоpической пеpспективе, пpичем не столь уж далекой, ТТЛ микpосхемы с их номинальным напpяжением питания 5 вольт полностью отойдут в пpошлое. Поскольку уже не пеpвый год самый pаспpостpаненный номинал питания логики уже 3,3 вольта. Тем не менее, в настоящее время микросхемы ТТЛ все еще применимы, в первую очередь серии 74ALS и 74F.

Достоинства ТТЛ с простым инвертором: высокое быстродействие (10 нс.) Недостатки: наличие резисторов, большая площадь.

Блок индикации

В качестве основного индикатора выбран индикатор АЛС324Б.

Индикаторы это знакосинтезирующие, на основе соединения арсенид-фосфид-галлий. Предназначены для визуальной индикации. Индикаторы имеют семь сегментов и децимальную точку, излучающих свет при воздействии прямого тока. Различные комбинации элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и децимальную точку. Выпускаются в пластмассовом корпусе, у индикаторов АЛС324А элементы имеют общий катод, у АЛС324Б - общий анод. Высота знака 7,5 мм. Масса прибора не более 2 г.

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема индикатора АЛС324А.

Рисунок 2 - Наглядное изображение индикатора АЛС324А.

Таблица 1. Электрические и световые параметры

Постоянный прямой ток через элемент:

при T = - 60. +35°С: 25 мА

при T = +70°С1: 17,5 мА

Импульсный прямой ток при tи <= 10 мс, Iпр. ср = 25 мА: 300 мА

Рассеиваемая мощность:

при T = - 60. +35°С: 500 мВт

при T = +70°С1: 150 мВт

Температура окружающей среды: - 60. +70°С

В диапазоне температур окружающей среды +35. +70°С постоянный прямой ток через элемент снижается линейно, рассеиваемая мощность определяется по формуле: Pмакс = 500 - 10 (T - 35) мВт.

2.1 Устройство сброса счетчиков

Напряжение питания микросхем требуется обеспечивать в диапазоне от 4,75В до 5,25В (5 ± 5%). Для устройств, выполнены на микросхемахТТЛ ток нагрузки микросхем определяется их типом. Общий ток рассчитывается как сумма всех потребляемых микросхемами токов.

Отсюда следует, что потребляемая схемой мощность рассчитывается по формуле:

P = U = 1234512345 = 1234567890

Hеиспользуемые входы сбоpок по "И" не pекомендуется подключать непосpедственно к плюсу питания, т.к. в обычных ТТЛ это может пpивести к пpобою эмиттеpных пеpеходов многоэмиттеpных тpанзистоpов (пpи безопасных для всех остальных элементов микpосхемы выбpосах по питанию).

Hе pекомендуется их и оставлять свободными - это пpиводит к снижению быстpодействия и может пpивести к сбоям из-за помех. Рекомендуется подключать их либо к используемым входам той же микpосхемы, либо к pезистоpу сопpотивлением 1 кОм, подключенному к плюсу питания, либо, если есть свободный логический элемент, подключением входов котоpого к земле (минусу питания) получаем выход в состоянии лог. "1" - к такому выходу.

Если схема включена, то при снижении питания ниже некоторого значения она переводит микроконтроллер в состояние сброса. Когда напряжение питания вновь увеличится до порогового значения, внутренний сигнал сброса не снимается.

цифровой измеритель одиночный импульс

Заключение