Перевезенцев С.В. Судовая электроника - файл n1.doc

приобрести
Перевезенцев С.В. Судовая электроника
скачать (229 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc5208kb.07.02.2003 21:45скачать

n1.doc

Министерство транспорта Российской Федерации

Государственная служба речного флота

Волжская государственная академия водного транспорта


Кафедра радиоэлектроники

С.В. Перевезенцев

СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА





Методическое пособие для выполнения контрольной работы.
Для студентов заочного обучения по специальностям

1809

“Электрооборудование и автоматика судов”

240600

“Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов”

240605

“Эксплуатация электрооборудования и автоматики объектов водного транспорта”

201300

“Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования”


Издательство ВГАВТ

Н. Новгород, 2002

УДК 621.38

П 27





Перевезенцев С.В.




Судовая электроника. Методическое пособие. – Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ, 2002. – , с.


В методическом пособии изложены общие вопросы из курса “Судовая электроника”. Подробно разбираются цифровые логические элементы, методы создания дешифраторов на их основе. Рассматривается работа схем на базе операционного усилителя. Также изложена методика выполнения контрольной работы.

Рекомендовано к изданию кафедрой радиоэлектроники __.__.02, протокол № .
 ВГАВТ, 2002

1. Общие сведения о логических элементах

Логическими элементами называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции. Они обычно используются для построения сложных преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа. Современные логические элементы выполняются в виде микросхем различной степени сложности. Логические элементы относят к цифровой электронике. Для этих схем характерно что состояние на входах схем и выходах, определяется только двумя состояниями, например транзистор может быть либо закрыт, либо насыщен (открыт). В качестве параметра, характеризующего состояние сигнала, обычно выбирают напряжение, уровень которого может быть ВЫСОКИМ или НИЗКИМ. Состояния высокого и низкого уровня определяют некоторым заданным образом значения булевой алгебры логики. Так для положительной логики принимают состояние ВЫСОКОГО уровня за логическую “1” (иногда это логическое значение называют “ИСТИННОЙ”), а состояние НИЗКОГО уровня за логический “0” (“ЛОЖЬ”).При описание работы логических схем состояния на входах и выходах представляют биты двоичного числа цифрового кода информации. Для удобства представления информацию записывают в двоичной либо в шестнадцатеричной системе счисления.
1.1 Позиционные системы счисления.

Совокупность правил записи чисел называют системой счисления. Наиболее часто используют позиционные системы счисления, в которых целое положительное число записывается в виде последовательности символов en qn-1 + … + ep qp-1 + … + e1 q0 . Здесь q – основание системы счисления, а e=0, 1, q-1. Наиболее распространенная форма записи чисел использует десятичную, шестнадцатеричную и двоичную систему счисления. Десятичной системой счисления мы пользуемся в повседневной жизни. Например запись числа в десятичной системе счисления выглядит следующим образом:
137,0610 = 1*102 + 3*101 + 7*100 + 0*10-1 + 6*10-2
Для записи числа требуются десять символов (от 0 до 9), а степень числа 10, на которую должна быть умножена цифра, определяется ее положением по отношению к десятичной запятой.

Если число представляется только с помощью двух символов (0 и 1), то такая система счисления будет называться двоичной или системой с основанием 2. Например:
11012=1*23 + 1*22 +0*21 +1*20 = 1310
Только что описанным методом было преобразовано число из двоичной системы счисления в десятичную. Для того чтобы произвести обратное преобразование, десятичное число нужно последовательно делить на 2, каждый раз записывая остаток. Так для преобразования числа 1310 в двоичную систему счисления нужно произвести следующие операции:











13




2

















































-

12







6




2











































1




-

6







3




2











































0




-

2







1




2











































1




-

0







0

















































1























теперь запишем остаток в обратном порядке и получим результат.

1310 = 011012
Отдельные «единицы» и «нули» в записи, представляющей двоичное число, называются битами (от слов binary digits – двоичный разряд). Индекс записи указывает, какая используется система счисления. Он часто бывает нужным для того, чтобы избежать путаницы, при записи чисел в различных системах счисления. Приняты следующие умолчания. Если у записанного числа нет индекса, то считается что, оно записано в десятичной системе счисления. Запись числа в шестнадцатеричной систем счисления может быть указана либо с помощью индекса, либо буквой h в конце числа . Для описания систем только с двумя состояниями естественно применение двоичных чисел, но когда двоичные числа имеют большую длину, удобней использовать шестнадцатеричную систему счислений (с основанием 16). Поскольку для обозначения каждой шестнадцатеричной позиции используется один символ, то для обозначения чисел от 10 до 15 применяются буквы латинского алфавита от A до F. Например:

70710 = 10110000112 = 2С316 (2С3h)
Шестнадцатеричное представление чисел наилучшим образом соответствует байтовой (1 байт = 8 бит ) структуре ЭВМ, и поэтому получило широкое распространение в микропроцессорной технике.

В таблице 1 приведен перевод шестнадцати чисел из десятичной в двоичную и шестнадцатеричную систему счисления.
Таблица 1

Десятичная

Двоичная

Шестнадцатеричная

0

0000

0

1

0001

1

2

0010

2

3

0011

3

4

0100

4

5

0101

5

6

0110

6

7

0111

7

8

1000

8

9

1001

9

10

1010

A

11

1011

B

12

1100

C

13

1101

D

14

1110

E

15

1111

F


1.1 Основы теории алгебры логики.

В алгебре логики оперируют фундаментальным понятием «высказывание», под которым понимают какое либо утверждение о любом предмете. При этом высказывания оценивают с точки зрения их истинности или ложности без каких либо градаций. Если высказывание соответствует истине, оно имеет значение истинности, равное единице, а если не соответствует, то нулю. Поэтому все переменные в алгебре логики принимают только два значения: 1 или 0, а любые математические действия над этими переменными обеспечивают получение результатов в виде нулей либо единиц. В дальнейшем переменные будем обозначать латинскими буквами x, y, z, … В алгебре логики определяют следующие операции:

Отношение эквивалентности удовлетворяет следующим свойствам: x=x – рефлексивность; если x=y то y=x –симметричность; если x=y и y=z то x=z – транзитивность. Из отношения эквивалентности следует принцип подстановки если x=y, то в любой формуле, содержащей x, вместо x можно подставить y, и будет получена эквивалентная формула.
Операции определяются следующей системой аксиом.

1) Алгебра логика рассматривает только двоичные переменные:

x = 0, если x ? 1,

x = 1, если x ? 0.



2) Операция дизъюнкция (логическое сложение):

1+1=1,

0+0=0,

0+1=1+0=1.

3) Операция конъюнкция (логическое умножение):

1·1=1,

0·0=0,

1·0=0·1=0.

4) Операция отрицания (инверсия):







При синтезе дешифраторов также используются следующие законы и тождества.

1) Переместительный закон.

X+Y=Y+X

X·Y=Y·X

2) Сочетательный закон.

X+Y+Z=(X+Y)+Z=X+(Y+Z)

X·Y·Z=(X·Y) ·Z=X·(Y·Z)

3) Распределительный закон.

X· (Y+Z)=X·Y+X·Z

4) Закон инверсии для логических сложения и умножения (теоремы де Моргана).





5) Тождества для двух и трех переменных















1.1 Основные логические элементы.

Электронной промышленностью выпускаются микросхемы, выполняющие основные операции алгебры логики. Данный тип микросхем называется логическими элементами. При этом оперируют следующими понятиями: если на входе или выходе логического элемента установлен высокий положительный сигнал (+5В) , то считают, что он равен «1», и низкий сигнал ( 0В) считается что он равен «0». Существуют следующие логические элементы.
1) Логический элемент ИЛИ.

Выполняет операцию логического сложения. Схемное изображение представлено на рис. 1, а состояние выходных сигналов определяется следующей таблицей истинности (табл. 2).



Рис. 1


Таблица 2

X1

X2

Y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

Здесь и далее Х1,Х2 – входы микросхемы, Y – выход микросхемы.
2) Логический элемент ИЛИ–НЕ.

Выполняет операцию логического сложения с инверсией. Схемное изображение представлено на рис. 2, а состояние выходных сигналов определяется таблицей истинности (табл. 3).



Рис. 2


Таблица 3

X1

X2

Y

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0



3) Логический элемент И.

Выполняет операцию логического умножения.



Рис. 3


Таблица 4

X1

X2

Y

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1


4) Логический элемент И–НЕ.

Выполняет операцию логического умножения с инверсией.



Рис. 4


Таблица 5

X1

X2

Y

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0


5) Логический элемент Исключающее–ИЛИ.

Выполняет операцию сумма по модулю два.



Рис. 5


Таблица 5

X1

X2

Y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0


При разработке дешифраторов строят схему в заданном базисе:

– базис И,И–НЕ (Используют только микросхемы И,И–НЕ);

– базис ИЛИ, ИЛИ–НЕ (Используют только микросхемы ИЛИ, ИЛИ–НЕ).

2. Пример расчета дешифратора на заданных
элементах.


Для выполнения контрольной работы необходимо разработать дешифратор имеющий 8 входов и 1 выход. Выход дешифратора должен выдавать сигал разрешающий прохождение управляющих команд при подаче на вход заданного двоичного числа, при всех других числах, выходной сигнал дешифратора должен блокировать прохождение управляющих команд.
2.1 Расчет дешифратора на элементах И, ИЛИ-НЕ.

Для примера разрешающим кодом будет число 105. При работе в базисе ИЛИ–НЕ разрешающим сигналом будет логический «0», запрещающим «1».

1. Переведем десятичное число 105 в двоичную систему счисления (см. пункт 1) 10510 = 11010012.
2. Дополняем старшие разряды нулями до 8 знаковых позиций.

_1101001  01101001
3. Приступаем к синтезу логической функции дешифратора. Каждому разряду присваиваем буквенное обозначение X7,X6, X5,X4, X3,X2, X1,X0.

Составим таблицу истинности для нашего задания:


X7

X6

X5

X4

X3

X2

X1

X0

0

0

0

0

0

0

0

0

















0

1

1

0

1

0

0

1

















1

1

1

1

1

1

1

1


Серым цветом в таблице выделено единственное условие удовлетворяющее требованию задания.
4. Запишем эту строку в форме СКНФ для выполнения заданного базиса. (Все переменные принимающие единичное значение инвертируются.)

__ __ __ __

Y = X7 + X6 + X5 + X4 + X3 + X2 + X1 + X0.
5. Теперь на основе полученной логической функции необходимо разработать схему дешифратора. Для этого используем логические элементы, приведенные в п.5.4. Для инверсии переменных Х6, Х5, Х3 и Х0 применяем микросхему 155ЛН1 (шесть одноходовых элементов ИЛИ–НЕ, используем 4). Для сложения используем микросхему 155ЛИ1 (четыре двухвходовых элементов И). Для сложения всех переменных потребуется две микросхемы. Сначала на первой микросхеме попарно складываются переменные:

__ __ __ __

X7 + X6, X5 + X4, X3 + X2, X1 + X0,

(используются все четыре элемента). На второй микросхеме с помощью первых двух элементов производится сложение результатов предыдущих четырех пар:

__ __ __ __

((X7 + X6) + (X5 + X4)) и (( X3 + X2) + (X1 + X0)),

на третьем элементе производим сложение результата с первых двух элементов:

__ __ __ __

(((X7 + X6) + (X5 + X4)) + (( X3 + X2) + (X1 + X0))).

В результате получился дешифратор реализованный на трех микросхемах DD1 – 155ЛН1, DD2 – 155ЛЛ1 и DD3 – 155ЛЛ1 записанный следующей логической функцией:

__ __ __ __

Y = (((X7 + X6) + (X5 + X4)) + (( X3 + X2) + (X1 + X0))).
6. Проверяем полученную логическую функцию, подставляя в нее заданные значения.

_ _ _ _

(((0+1)+(1+0))+((1+0)+(0+1)))=(((0+0)+(0+0))+((0+0)+(0+0)))=0

При заданном коде получен разрешающий нулевой сигнал.

Подставляем любые другие значения.

_ _ _ _

(((1+1)+(1+0))+((0+1)+(0+1)))=(((1+0)+(0+0))+((0+1)+(0+0)))=1

Получен запрещающий единичный сигнал.

Поверка показала что логическая функция составлена правильно.
7. Чертим схему дешифратора и ключевую схему выполненную на четырех элементах ИЛИ–НЕ схема DD4 – 155ЛЕ1.



Рис. 6
Ключевая схема служит для пропускания управляющих сигналов с кнопок «Пуск» и «Стоп». Элементы DD 4.1 и DD 4.2 инвертируют управляющие сигналы и элементы DD 4.3 и DD 4.4 выполняют роль ключей.
2.2 Расчет дешифратора на элементах И, И-НЕ.

Для примера единичное выходное состояние должно быть при вводе числа 150. Расчет дешифратора ведется следующим образом.

1. Переведем десятичное число 150 в двоичную систему счисления (см. пункт 1).

15010 = 100101102
2. Дополняем старшие разряды нулями до 8 знаковых позиций.

Все 8 позиций заданы.
3. Приступаем к синтезу логической функции дешифратора. Каждому разряду присваиваем буквенное обозначение X7,X6, X5,X4, X3,X2, X1,X0.

Составим таблицу истинности для нашего задания:


X7

X6

X5

X4

X3

X2

X1

X0

0

0

0

0

0

0

0

0

















1

0

0

1

0

1

1

0

















1

1

1

1

1

1

1

1


Серым цветом в таблице выделено единственное условие удовлетворяющее требованию задания.
4. Запишем эту строку в форме СДНФ для выполнения заданного базиса. (Все переменные принимающие нулевое значение инвертируются.)

__ __ __ __

Y = X7  X6  X5  X4  X3  X2  X1  X0.
5. На основе полученной логической функции разрабатывается схема дешифратора. Выбираются микросхемы для реализации данной функции. Инвертирование переменных выполняется на четырех двухвходовых элементов И–НЕ микросхема 155ЛА3 (DD1). Для выполнения операции инверсии, входные ноги на каждом элементе объединяются. Произведение переменных выполняется в два этапа, сначала на микросхеме 555ЛИ6 (два четырехвходовых элемента И) выполняется перемножение по четыре переменных на двух элементах И (DD 2.1, DD 2.2):
__ __ __ __

(X7  X6  X5  X4) и (X3  X2  X1  X0).
Далее на микросхеме 55ЛА4 (DD3 )выполняется окончательное перемножение результатов предыдущих произведений:

__ __ __ __

Y = (X7  X6  X5  X4)  (X3  X2  X1 X0).




Рис. 7
Оставшиеся два элемента этой микросхемы DD 3.2 и DD3.3. используются для реализации ключевой схемы.

6. Проверяем полученную логическую функцию, подставляя в нее заданные значения.

_ _ _ _

(1001)  (0110)=(1111)  (1111)=(1)  (1)=1
Подставляем любые другие значения.

_ _ _ _

(0010)  (0110)=(0110)+(1111)=(0)  (1)=0

Поверка показала что логическая функция составлена правильно.
3. Работа двоичного суммирующего счетчика.

Двоичные счетчики производят счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. Условное обозначение счетчика представлено на рисунке 8, а.



а)





б)

Рис. 8



Назначение выводов микросхеммы:

С – вход счетных импульсов;

СY – вход разрешения работы счетчика;

R – сброс значения счетчика;

Q0,…,Q7– выходное значение счетчика в двоичной системе счисления.
Принцип работы двоичного счетчика заключается в подсчете приходящих импульсов и выдаче этого значения в двоичном числовом коде. Наиболее характерен способ построения счетчиков с последовательным переносом, здесь происходит последовательное соединение триггеров. При работе переключение каждого последующего триггера осуществляется после того, как переключится предыдущий (Смотри рис. 8.б). Таким образом получается что каждый триггер, помимо счета, осуществляет деление входных импульсов. Это свойство двоичных счетчиков используется при создании на их основе делителей частоты и схем задержки. При этом для каждого выхода можно сосчитать коэффициент деления, характеризующий, через сколько входных импульсов на выходе произойдет изменение сигнала: Кдел = 2N, где N – номер выхода.
4. Схемы включения операционных усилителей.

Операционными усилителями называют высококачественные усилители постоянного тока, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

4.1 Неинвертирующий усилитель.

Неинвертирующий усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход. Данный усилитель используется для усиления медленно меняющегося входного сигнала, при этом выходной сигнал выдается без сдвига фазы. Схема включения операционного усилителя представлена на рис. 9.


Рис. 9

Коэффициент усиления для данной схемы рассчитывается по формуле



Как правило при расчете усилителей коэффициент усиления задается в виде исходной величины и требуется рассчитать номиналы сопротивлений ROC и R1.

Для расчета принимается значение R1 из диапазона (10–100кОм), а сопротивление ROC рассчитывается по следующей формуле:

Rос = (Ku –1)R1
4.2 Компаратор.

Компаратор осуществляет сравнение измеряемого входного напряжения UВХ с опорным напряжением UОП. Схема включения операционного усилителя в режиме компаратора представлена на рис. 10.



Рис. 10

Опорное напряжение рассчитывается по формуле



На практике значения напряжений Uоп и Uпит задано и требуется рассчитать значения сопротивлений R1 и R2. Для расчета задаются значением одного сопротивления, а второе рассчитывают по формуле. В качестве примера выбираем значение сопротивления R2 из диапазона (10–100кОм), а сопротивление R1 рассчитывается по ниже приведенной формуле:




4.3 Мультивибратор.

Мультивибраторы относятся к классу узлов импульсной техники, предназначенных для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы. Схема включения операционного усилителя в режиме мультивибратора представлена на рис. 11.




Рис. 11
На практике очень часто мультивибратор используют в качестве генератора для формирования тактовых или счетных импульсов. Для упрощения расчета мультивибратора задают условие равенства сопротивлений R1 и R2. Тогда частота формируемого сигнала определяется по формуле:



Как правило частота сигнала или период величины заданны, и в этом случае необходимо найти сопротивление R и емкость С.

Для расчете этих параметров задаются значениями сопротивлений R, R1 и R2 из диапазона (10–100кОм), а значение емкости С находят по формуле:




5. Задание и методика выполнения контрольной работы.

5.1 Задание к контрольной работе.

Необходимо разработать принципиальную схему системы управления электродвигателем. Схема должна обеспечивать проверку кода допуска и в зависимости от результата проверки разрешать пуск или остановку электродвигателя. Также в схеме должно обеспечиваться защита электродвигателя по току. Функциональная схема системы управления представлена на рисунке 12. Варианты основных параметров системы необходимые для расчета элементов приведена в п.5.4.




Рис. 12
Порядок выполнения работы:

1. Синтезировать дешифратор проверки кода допуска. Начертить его принципиальную схему (см п.2.1,2.2)

2. Рассчитать элементы цепи формирования сигнала защиты по току.

3. Рассчитать цепь задержки времени.

4. Начертить принципиальную схему всей системы управления. Проставить номера и номиналы элементов на схеме.

5. При защите контрольной работы необходимо пояснить работу схемы.
5.2 Описание системы управления.

Описание системы управления:

Данная система управления обеспечивает проверку кода допуска, разрешает пуск или останов электродвигателя и обеспечивает защиту электродвигателя по току. Функциональная схема данной системы представлена на рисунке 12..

Функционально систему управления можно разделить на четыре узла:

- узел проверки кода допуска и разрешения управления;

- узел управления электродвигателем;

- узел формирования сигнала защиты по току;

- узел формирования задержки аварийного отключения электродвигателя.

1. Узел проверки кода допуска и разрешения управления предназначен для формирования сигналов управления электродвигателем. Он содержит следующие устройства: кнопки «Пуск» и «Стоп» управления электродвигателем, устройство ввода кода допуска и схему дешифрации кода допуска. Устройство ввода кода позволяет человеку ввести код на разрешение управления электродвигателем, также осуществляет его преобразование в двоичный код для подачи на схему дешифрации. Схема дешифрации служит для выработки разрешающего сигнала управления при возникновении на входе схемы заданного двоичного числа, при любых других числах формируется запрещающий сигнал управления. В работе предлагается разработать этот дешифратор (смотри пункт 2). Сигнал с кнопок управления «Пуск» или «Стоп» поступает на ключевые элементы (DD4.3, DD4.4 для схемы 6 и DD3.2, DD3.3 для схемы 7) и в зависимости от управляющего сигнала, формируемого дешифратором, либо проходит, либо не проходит далее на RS триггер.

2. Узел управления электродвигателем состоит RS триггера, логического элемента ИЛИ, транзистора и реле с защитой от обратного тока выключения. Логический элемент или на входе R триггера служит для электрической развязки сигналов сброса двигателя поступающих либо с кнопки «Стоп» из 1 узла или со счетчика формирования сигнала аварийного отключения двигателя. Пуск электродвигателя осуществляется подачей пускового сигнала с кнопки «Пуск» на вход S триггера. При подачи единичного сигнала на вход S триггера происходит переключение триггера в единичное состояние, то есть на выходе Q триггера устанавливается единица, что соответствует напряжению около 5 вольт. Тем самым на базе транзистора появляется положительное напряжение, что приводит к его полному открытию, и через коллекторную цепь транзистора начинает течь ток. В свою очередь это приводит к срабатыванию реле К1 (замыканию контактов К1.1 в силовой цепи электродвигателя), тем самым обеспечивая пуск и работу электродвигателя. Остановка электродвигателя возможна двумя способами, либо нажатием кнопки «Стоп», либо формированием аварийного сигнала отключения двигателя по превышению током Электродвигателя допустимого значения. В этом случае на вход R триггера поступает единичный сигнал, что приводит к сбросу триггера – на выходе Q устанавливается нулевой сигнал (напряжение равно нулю). Тем самым происходит закрытие транзистора, Возврат реле К1 в исходное состояние (размыкание силовых контактов К1.1) и отключение и останов электродвигателя.

Диод в силовой схеме служит для защиты транзистора от обратного тока, возникающего в катушке реле при ее выключении.

3. Узел формирования сигнала защиты по току является первым каскадам общей зашиты электродвигателя от перегрузки. Она состоит из датчика тока, усилителя, компаратора и инвертора. Датчик тока служит для преобразования тока электродвигателя в напряжение. Малый сигнал снимаемый с датчика тока поступает на усилитель и далее на компаратор. В работе в качестве усилителя предлагается использовать неинвертирующий усилитель собранный на операционном усилителе.

На компараторе происходит сравнение усиленного сигнала с датчика с напряжением уставки, пропорционального максимальному допустимому току электродвигателя. Если напряжение с датчика превысит напряжение уставки (опорное напряжение) произойдет срабатывание компаратора, выходное напряжение компаратора изменится на противоположное. Для согласования аналогового сигнала компаратора (12 В.) и цифрового сигнала логического элемента используется стабилитрон. Поскольку выходной сигнал на компараторе при срабатывании отрицательный, для преобразования его в единичный сигнал используется инвертор собранный на двухвходовом элементе ИЛИ-НЕ. Далее единичный сигнал с инвертора поступает в узел формирования задержки аварийного отключения электродвигателя.

4. Узел формирования задержки аварийного отключения электродвигателя состоит из генератора, счетчика и логического элемента И используемого в качестве ключа. Данный узел предназначен для осуществления задержки подачи сигнала аварийного отключения двигателя что обеспечивает запрет срабатывания защиты при кратковременных перегрузках электродвигателя. К таким режимам относится пуск двигателя. Генератор формирует сигнал в виде прямоугольных импульсов (сигнал типа «меандр») с заданной частотой, он поступает на логический элемент И. До тех пор пока на втором входе логического элемента И будет ноль, что соответствует нормальной работе двигателя, на выходе этого элемента также будет ноль. При превышении током электродвигателя допустимого значения на вход элемента И будет поступать единичный сигнал, что приведет к прохождению через этот элемент частотного сигнала с генератора на счетчик. Счетчик начинает считать и когда на заданном выходе появляется единичный сигнал он поступает на вход R триггера, осуществляя его сброс и далее отключение двигателя. Подготовка счетчика к новому отсчету времени осуществляется поступлением на его вход R сигнала с кнопки «Пуск», тем самым осуществляя его сброс.
5.3 Методика расчета контрольной работы.

1. Определение данных для выполнения контрольной работы

На первом этапе определяют основные данные для проектирования схемы (см пункт 5.4)

– Код доступа.

– Базис выполнения дешифратора.

– Максимальное напряжение выдаваемое датчиком тока (Umax).

– Пороговое напряжение срабатывания компаратора (Uоп).

– Делитель для счетчика задержки (Кдел).

– Время задержки сигнала отключения по току .

– Тип стабилитрона.
2. Синтез дешифратора.

Для синтеза дешифратора необходимо преобразовать код доступа (десятичное число) в двоичное число. Один из способов преобразования представлен в пункте 1.1

На основе полученного кода составляют таблицу истинности и в зависимости от задания записывают функцию истинности.

По полученной функции определяют количество логических элементов и чертят схему дешифратора. ( см п.2)
3. Расчет элементов цепи формирования сигнала защиты по току.

Сначала производят расчет усилителя (см п.4.1). В работе задается выходное максимальное значение напряжения получаемого с датчика тока и с помощью усилителя необходимо его усилить до 15 вольт. Для этого рассчитывается коэффициент усиления по напряжению.



В нашем случае Uвых = Uпит = 15 В, Uвх=Umax

Подставляя напряжения в формулу, вычисляем коэффициент усиления. Далее задается значение R1 и рассчитывается значение Rос. Здесь следует учесть что номинальные значения сопротивлений допускаются только из ряда Е6, Е12, Е24 (смотри п.6). Таким образом сопротивления R1 и Rос необходимо выбирать из номинального ряда. После этого необходимо рассчитать получившийся коэффициент усиления усилителя.

Пример :

Заданный коэффициент усиления 15.

Для расчета принимаем значение сопротивления R1 = 22 кОм (соответствует диапазону (10–100кОм) и ряду Е24).

Находим ROC = (KU –1)R1 = (15 – 1)  22000 =308000 Ом.

Приводим его к ближайшему значению из ряда Е24 ROC = 300 кOм.

Находим новый получившийся коэффициент усиления:

KU=1+ROC/R1 =1 + 300000/22000 =14,6
Далее приступают к расчету компаратора (смотри п.4.2). Здесь также задаются одним из сопротивлений, а второе находится по формуле с учетом заданного по варианту напряжения срабатывания компаратора Номиналы сопротивлений, как и в предыдущем случае должны соответствовать ряду.

Для соединения аналоговых и цифровых элементов необходимо согласование сигналов по уровню напряжения. В качестве согласующего элемента в схеме предлагается использовать стабилитрон. На нем происходит ограничение высокого выходного напряжения с компоратора с 12 В. до 5 В. Расчет цепи стабилитрона заключается в расчете номинала сопротивления, задающего рабочий ток стабилитрона. Тип стабилитрона выбирается из задания в п5.4. Рабочий ток стабилитрона определяется из его характеристик см. п 6, для примера возьмем его равным 10 мА. Напряжение выдаваемое компаратором 12 В, отсюда находим значение сопротивления:

R= Uпит/I = 15/0.01=1500 Ом = 1.5 кОм (Также соответствует ряду).
4. Расчет элементов цепи задержки сигнала отключения.

Расчет цепи задержки начинают со счетчика. Для этого по заданному коэффициенту делителя (см п.5.4) определяют, на кокой выходной ноге счетчика произойдет заданное деление частоты входного сигнала. Далее к этому выходу подсоединяется сигнал идущий на сброс RS триггера (см рис.12). Для примера возьмем Кдел= 4. По формуле Кдел=2 n (n – номер выходной ноги счетчика нумеруются от 1 до 8) определяют номер выходной ноги счетчика обеспечивающей требуемый коэффициент деления. В нашем случае это будет 2 выходная нога, так как Кдел=2 2 = 4.

Далее приступают к расчету элементов мультивибратора. Сначало определяют период выходного сигнала мультивибратора. Для этого берут заданное время задержки сигнала и делят на коэффициент деления счетчика, ( частота на входе счетчика больше на Кдел и соответственно период для этой частоты будет на это число меньше.) В нашем случае Кдел= 4 и зададимся  = 100 мСек (при расчете эти величины берутся в зависимости от варианта смотри п.5.4).

Период сигнала Т = Кдел *  = 4 * 100= 400 мСек

На основе полученного периода рассчитывают параметры элементов для мультивибратора (см. п.4.3) Здесь задаются значениями сопротивлений R, R1 и R2 из диапазона (10–100кОм), а значение емкости С находится по формуле. Значения номиналов сопротивлений и емкости должны соответствовать ряду.

В цепи задержки также необходим стабилитрон для согласования выходного сигнала мультивибратора и входного сигнала счетчика. Расчет цепи согласования, выполненного на стабилитроне, производится также как и в цепи формирования сигнала защиты по току
5. Расчет элементов управления электродвигателем.

Здесь рассчитывается только один элемент ­– сопротивление на базе транзистора. Транзистор в этой схеме работает в ключевом режиме, для этого при открытие на базу подается ток насыщения базы транзистора.

Ток базы насыщения выбирается в зависимости от варианта, для примера возьмем ток 10 mA. Расчет в нашем случае будет следующим.

R= Uтр/Iб = 5/0.01=500 Ом

Ближайший номинал соответствующий ряду Е24 – 510 Ом.
6. Используя п6 выбрать необходимые микросхемы, начертить принципиальную схему системы управления и заполнить спецификацию.

Схема выполняется на миллиметровке формата А4 или А3. Спецификация прилагается на отдельном листе. Выполнение контрольной работы допускается на сшитых листах формата А4 или в тонкой тетради.

5.4 Варианты заданий.

  1. Данные для расчета дешифратора.

Код доступа – две последние цифры зачетки.

Логические элементы, предназначенные для реализации дешифратора – сумма трех последних цифр зачетки.

Сумма четная – элементы И, И–НЕ

Сумма нечетная – элементы ИЛИ, ИЛИ–НЕ

  1. Данные для расчета усилителя сигнала датчика тока.

Максимальное напряжение выдаваемое датчиком тока (Umax) – две последние цифры зачетки * 10 мВ.

Umax= (N2N3*10 мВ.) Uпит=15В.

Здесь N3 – последняя цифра зачетки, N2 – предпоследняя цифра зачетки. (Если N2N3 равно 00 то берется Umax= 100мВ).

  1. Данные для расчета компаратора цепи защиты двигателя.

Пороговое напряжение срабатывания компаратора Uоп = 10 – N2 (В.)

Здесь N2 - предпоследняя цифра зачетки.

  1. Данные для расчета цепи задержки времени.

Делитель для счетчика задержки (Кдел) выбирается из таблицы в зависимости от N3 – последней цифры зачетки.

N3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Кдел

16

256

8

16

32

64

128

32

64

8


Время задержки сигнала отключения по току () задается в миллисекундах по следующей формуле:

 = 100 * N2. (мСек.)

Здесь N2 - предпоследняя цифра зачетки (если она равна 0 то берется 10).
5. Данные для элементов согласования напряжений.

Тип стабилитрона – выбирается из таблицы в зависимости от N3 – последней цифры зачетки.


N3

Тип
стабилитрона

N3

Тип
стабилитрона

0

2С147У

5

2С156Т

1

2С147Б

6

2С147Г

2

КС447А

7

КС147Г

3

2С447А

8

2С156Б

4

2С151Т

9

КС156А

6. Данные для расчета транзистора в цепи элементов управления электродвигателем.
Ток базы насыщения (mA) – выбирается из таблицы в зависимости от N2 – предпоследней цифры зачетки.


N3

Ток
базы насыщения

0

10

1

12

2

15

3

20

4

25

5

30

6

35

7

40

8

45

9

50



6. Дополнительная информация.
5.4.1. Номинальные сопротивления по ряду Е6, Е12, Е24

Используется для выбора номиналов резисторов.


Индекс ряда

Числовые коэффициенты, умноженные на любое число, кратное 10

Е6

1,0

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

Е12

1,0

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

1,2

1,8

2,7

3,9

5,6

8,2

Е24

1,0

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

1,1

1,6

2,4

3,6

5,1

7,5

1,2

1,8

2,7

3,9

5,6

8,2

1,3

2,0

3,0

4,3

6,2

9,1

5.4.2. Номинальные емкости по ряду Е3, Е6, Е12, Е24

Индекс ряда

Числовые коэффициенты, умноженные на любое число, кратное 10

Е3

1,0




2,2




4,7




Е6

1,0

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

Е12

1,0

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

1,2

1,8

2,7

3,9

5,6

8,2

Е24

1,0

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

1,1

1,6

2,4

3,6

5,1

7,5

1,2

1,8

2,7

3,9

5,6

8,2

1,3

2,0

3,0

4,3

6,2

9,1


5.4.3. Характеристики стабилитронов для расчета.

Тип стабилитрона

Напряжение
стабилизации


Ток стабилизации

Разброс напряжения стабилизации

2С147Б

4,7 В

10 мА

От 4,1 до 5,2

2С147У

4,7 В

3 мА

От 4,2 до 5,2

КС447А

4,7 В

30 мА

От 4 до 5,3

2С447А

4,7 В

43 мА

От 4 до 5,3

2С151Т

5,1 В

3 мА

От 4,8 до 5,4

2С156Т

5,6 В

3 мА

От 5,3 до 5,9

2С147Г

4,7 В

5 мА

От 4,2 до 5,2

КС147Г

4,7 В

5 мА

От 4,2 до 5,2

2С156Б

5,6 В

10 мА

От 5,0 до 6,4

КС156А

5,6 В

10 мА

От 4,7 до 6,6


5.4.4. Интегральные микросхемы.

Тип
микросхемы


Функция

Обозначение

Тип
микросхемы


Функция

Обозначение

155ЛИ1

555ЛИ1

SN7408 SN74LS08

2И  4




555ЛИ3

531ЛИ3

SN74LS11 SN74S11

3И  3




Тип микросхемы

Функция

Обозначение

Тип
микросхемы


Функция

Обозначение

555ЛИ6

SN74LS21

4И  2




155ЛА3

555ЛА3

SN7400 SN74LS00

2И–НЕ  4




555ЛА4

531ЛА4

SN74LS10 SN74S10

3И–НЕ  3




555ЛА6

SN74LS40

4И–НЕ  2




155ЛЛ1

555ЛЛ1

SN7432 SN74LS32

2ИЛИ  4




155ЛE1

555ЛE1

SN7402 SN74LS02

2ИЛИ–НЕ  4






Тип микросхемы

Функция

Обозначение

Тип
микросхемы


Функция

Обозначение

155ЛE4

555ЛE4

SN7427 SN74LS27

3ИЛИ–НЕ  3




155ЛЕ2

SN7423

4ИЛИ–НЕ  2




155ЛН1

555ЛН1

SN7404 SN74LS04

НЕ  6




К561ТР2

RS-
тригер



К555ИЕ7

Счетчик













Литература





  1. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники. – М: Высшая школа, 1986.

  2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.

  3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982. – 622 с.

  4. ПасынковВ.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – СПб.: Изд. «Лань», 2001. – 480 с.

  5. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 352 с.

Оглавление





1. Общие сведения о логических элементах




3

2. Пример расчета дешифратора на заданных элементах.




9

3. Работа двоичного суммирующего счетчика.




14

4. Схемы включения операционных усилителей.




15

5. Задание и методика выполнения контрольной работы.




18

6. Дополнительная информация.




25

7. Литература.




29

















Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации