Разработка цифрового тахометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание функциональной схемы

2. Расчет

2.1 Расчет первичного преобразователя

2.1.1 Расчет источника света

2.1.2 Расчет приемника света

2.2 Расчет генератора низких частот (ГНЧ)

2.2.1 Расчет длительности импульса исходя из приведенной погрешности

2.2.2 Расчет ГНЧ

2.2.3 Расчет одновибратора (ОВ) для ГНЧ

2.3 Расчет одновибратора (ОВ)

2.4 Расчет цепи задержки (ЦЗ)

2.5 Расчет счетчика

2.6 Расчет регистра

3. Расчет погрешностей

Заключение

Введение

Современная электроника проникла практически во все отрасли народного хозяйства, науки и техники. Поэтому с работой электронных приборов и схем с каждым годом сталкивается все более широкий круг практических работников.

Электроника как отрасль техники развивается исключительно быстрыми темпами. Причем тенденция развития техники такова, что доля электронных узлов в информационных устройствах и устройствах автоматики непрерывно увеличивается.

В данном курсовом проекте разрабатывается цифровой тахометр.

Тахометр - это устройство для измерения скорости вращения вала. Разрабатываемое устройство основано на измерении количества оборотов (или долей оборотов) диска за определенный промежуток времени. Это количество будет соответствовать скорости или частоте вращения вала. Для этого на диске делаются прорези, через которые будет проходить свет от светодиода к фотодиоду. Каждый проблеск света будет генерировать импульс. Это количество импульсов и будет соответствовать скорости вращения вала.

1. Описание функциональной схемы

Между светодиодом и фотодиодом расположен диск с прорезями. Диск вращается с частотой, которую необходимо измерить. При прохождении прорези между диодами, на фотодиоде генерируется импульс тока, который усиливается с помощью усилителя и подается на вход логического элемента И.

Генератор низких частот генерирует импульсы большой длительности. Эти импульсы также подаются на вход элемента И.

На рис. 1 приведены временные диаграммы.

Рис. 1. Временные диаграммы.

Как только ГНЧ выдает положительный импульс (момент времени t₁), счетчик (СТ) начинает считать количество импульсов. В момент времени t₂ счет заканчивается, но число в счетчике держится. Когда на ГНЧ происходит отрицательный перепад импульса, одновибратор выдает кратковременный импульс, который поступает на вход разрешения регистра для записи. Также сигнал с выхода одновибратора подается в цепь задержки (ЦЗ), выходной импульс которого подается на вход сброса счетчика. Т.е. сброс счетчика происходит после того, как данные с выхода счетчика запишутся в регистр. В момент времени t₅ отсчет импульсов начинается снова.

Таким образом, на выходе регистра получается код или число, равное количеству импульсов за определенный промежуток времени. Это число пропорционально частоте оборотов диска.

2. Расчет

2.1 Расчет первичного преобразователя

Первичный преобразователя представляет собой источник света (светодиод) и приемник света (фотодиод), между которыми расположен диск.

При прохождении света через прорезь он попадает на фотодиод. На фотодиоде генерируется ток, которые преобразуется в напряжение. Далее сигнал проходит через триггер Шмитта, на выходе которого получается импульс с резким фронтом и спадом, что и необходимо для корректной работы цифровых элементов.

2.1.1 Расчет источника света

В качестве источника света используется светодиод (лазер) ML120G2. В номинальном режиме через него должен проходить ток в 80мА, при этом напряжение на нем составит 2,4В.

Рис. 2. Источник света.

Номинал резистора составит:

2.1.2 Расчет приемника света

В качестве приемника света используется микросхема с фотодиодом OPT101W (рис. 3) На выходе микросхемы получаем импульсы, амплитудой V_S _ 0,4В. Для ТТЛ микросхем напряжение высокого уровня сигнала составляет 4,5В, поэтому V_S можно взять равным +5В, тогда амплитуда импульсов составит +5В - 0,4В = +4,6В.

Рис. 3. Приемник света.

Далее сигнал подается на триггер Шмитта, который дает резкие фронты и срезы сигнала. В качестве триггера Шмитта используется один из элементов микросхемы К555ТЛ2.

2.2 Расчет генератора низких частот (ГНЧ)

В основе генератора лежит автогенератор на логических элементах - инверторах (DD12 - микросхема К155ЛН1). В качестве элемента, накапливающего энергию, используется кварцевый резонатор ZQ1 (РК206АА-6ВС) с резонансной частотой

Для приведения этой частоты к требуемой (), используется делитель частоты.

где коэффициент деления.

Для деления частоты применяется программируемый счетчик с входом для переключения коэффициента деления (микросхема К155ИЕ8).

Выходную частоту для одного счетчика можно рассчитать по уравнению:

Е0 - Е5 - шесть входов поразрядного разрешения.

Максимальный коэффициент деления 64.

Один счетчик даст деление на 64, т.е. .

На втором счетчике необходимо установить . Данное значение установиться при следующих уровнях поразрядного разрешения:

E0 = Н

E1 = В

E2 = Н

E3 = Н

E4 = Н

E5 = Н.

Значит на третьем

.

Ближайший коэффициент деления для счетчика при следующих уровнях на входах поразрядного разрешения:

E0 = Н

E1 = Н

E2 = Н

E3 = Н

E4 = В

E5 = В.

Период импульсов:

Количество импульсов при максимальной частоте:

Количество импульсов при минимальной частоте:

2.2.3 Расчет одновибратора (ОВ) для ГНЧ.

Т.к. цепь задержки на буферных элементах дает задержку примерно в 80 нс., а одновибратор DD6 имеет длительность импульса не более 35 нс., то 80 + 35 = 115 нс. необходимо для того, чтобы завершился сигнал очистки счетчиков и начался новый цикл измерения. Для более надежной работы можно взять запас в 100%. Пусть ОВ дает задержку в

В качестве одновибратора используется микросхема К155АГ1, которая является одноканальным ждущим мультивибратором. Он формирует калиброванные импульсы с хорошей стабильностью длительности. Вход В (активный перепад - положительный) дает прямой запуск триггера, входы - инверсные. Поэтому на входы В и подаем питание +5В, а на вход управляющий сигнал с выхода ГНЧ.

Длительность выходного импульса можно определить по формуле:

Пусть , тогда

Включение микросхемы показано на рис. 6.

Рис. 6. Схема включения микросхемы К155АГ1.

2.3 Расчет одновибратора (ОВ).

В качестве одновибратора используется микросхема К155АГ1, краткое описание которой приведено в п. 2.2.3.

Если и (т.е. эти элементы отсутствуют) длительность выходного импульса будет не более 35 нс, чего вполне достаточно учитывая то, что ЦЗ даст задержку более 70 нс. Поэтому выводы для включения R и С оставим не подключенными.

Включение микросхемы показано на рис. 7.

Рис. 7. Схема включения микросхемы К155АГ1.

2.4 Расчет цепи задержки (ЦЗ).

Цепь задержки необходима для задержки сигнала сброса счетчиков от момента записи кода в регистры. Тактовая частота регистров (микросхема К155ИР15) до 25 МГц, т.е. время записи не превышает Запас в 100% даст более надежную работу, поэтому ЦЗ должна иметь задержку в 80 нс.

В качестве ЦЗ используется последовательно соединенные буферные элементы - инверторы. Инверторы микросхемы К155ЛН1 дают задержку распространения сигнала 22 нс, поэтому использование 4-х инверторов даст задержку в 88 нс.

На рис. 8 приведено последовательное соединение инверторов микросхемы К155ЛН1.

Рис. 8. Цепь задержки.

Сигнал с выхода цепи задержки поступает на вход сброса счетчиков, на чем и завершается цикл измерения.

2.5 Расчет счетчика

Счетчик необходим для подсчета числа импульсов, пришедших с первичного преобразователя. цифровой тахометр преобразователь счетчик

В качестве счетчика выбрана микросхема К155ИЕ5 - четырехразрядный, асинхронный счетчик пульсаций. Он имеет 2 части: делитель на 2 (выход тактовый вход ) и делитель на восемь (выходы тактовый вход ).

Т.к. необходим 8-ми разрядный счетчик, то используется 2 четырехразрядных счетчика, последовательно соединенных между собой.

Каждый счетчик используется как делитель на 16, поэтому выход соединяется с тактовым входом .

Выход первого счетчика соединяется с тактовым входом второго счетчика. Таким образом, при отрицательном перепаде импульса на , т.е. когда счетчик переполнится, второй счетчик прибавит единицу, т.е. будет считать количество переполнений первого счетчика. Также третий счетчик будет считать количество переполнений второго счетчика. Таким образом, получаем последовательное соединение трех счетчиков, которые будут составлять 12-тиразрядный счетчик.

На рис. 9 приведено последовательное соединение счетчиков и выход кода, который будет записываться в регистр.

Рис. 9. Схема последовательного соединения счетчиков.

2.6 Расчет регистра

Регистр необходим для записи кода (числа), пропорционального количеству оборотов диска за определенный промежуток времени, т.е. частоте оборотов.

Рис. 10. Схема параллельного соединения регистров.

Т.к. используется 8-тиразрядный счетчик, то регистр также должен быть 8-тиразрядным. Как и в случае со счетчиками, используется 2 четырехразрядных регистра - микросхема К155ИР15. Регистры соединяются параллельно, как показано на рис. 10.

Входы управления, разрешения и сброса установлены на логический ноль, поэтому запись происходит с приходом положительного перепада импульса на тактовый вход С.

3. Расчет погрешностей

При разработке данного проекта было принято допущение того, что аналоговые и цифровые элементы не имеют погрешностей. Следовательно, погрешность данного устройства зависит только от длительности импульса, во время которого происходит подсчет импульсов с первичного преобразователя, и разрядности счетчика и, соответственно, регистра.

Абсолютная погрешность:

Приведенная погрешность:

, следовательно, данный прибор будет удовлетворять условию максимальной погрешности.

Временной промежуток между импульсами не учитывается, т.к. вносит ничтожно малую погрешность в длительность импульса.

Заключение

Разработка данного курсового проекта является хорошей практикой, позволяющей получить первые навыки работы с логическими электронными компонентами, в том числе со счетчиками, регистрами, логическими элементами и т.д.

Разработанный цифровой тахометр имеет погрешность меньшую, чем заданная в техническом задании. Это достигается тем, что полностью используется ресурс счетчика и регистра.

Размещено на Allbest.ru