СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ5
ВВЕДЕНИЕ6
1. синтез функциональной схемы7
1.1 Общее строение функциональной схемы.7
1.2 Описание работы функциональной схемы.8
2. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ СХЕМЫ.9
2.1Масштабный усилитель9
2.2Устройство выборки-хранения10
2.3Коммутатор11
2.4Аналого-цифровой преобразователь11
2.5Цифро-аналоговый преобразователь11
2.6Дешифратор12
2.7Микроконтроллер12
2.8 Блок светоиндикаторов12
3. НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ СИГНАЛОВ СХЕМЫ.13
4. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ.13
5. Устранение помех в цепях питания14
6. Оценка потребляемой мощности14
7. Описание алгоритмов управления и индикации15
8. Описание программы17
9. расчет временных характеристик устройства.18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ19
Список использованной литературы20
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.21
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.24
ВВЕДЕНИЕ
Основанием для выполнения проекта является:
- учебный план кафедры ИУ6
- техническое задание на курсовой проект
Целью курсового проекта является разработка системы автоматической подстройки частоты (далее САПЧ). Данная система предназначена для сравнения значений о текущей частоте, полученных с датчиков со значениями, заданными с пульта оператора, анализа и обработки отклонения и выдачи соответствующего сигнала управления и информационных сигналов. САПЧ разработана на основе микроконтроллера (МК) КР1816ВЕ51 (аналог 8051AH фирмы Intel), архитектура которого стала стандартом на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. В разработанном устройстве обрабатываются 4 канала.
Разработанное устройство может применяться в различных системах, например в генераторах сигналов, радиоприёмной аппаратуре. Разработанная САПЧ является универсальной и может применяться не только для подстройки частоты, но и для регулирования других сигналов (например, температуры, давления), для которых измерители выдают информацию о текущем значении в виде постоянного напряжения.
Управляющий сигнал зависит от входных сигналов системы в соответствии с программой обработки, которую несложно изменить и ввести в микроконтроллер. Это также придаёт системе универсальность.
- синтез функциональной схемы
- Общее строение функциональной схемы.
В техническом задании на курсовой проект задано спроектировать систему автоматической подстройки частоты.
Взаимосвязь САПЧ и объекта управления показана на рис.1.1. Сигнал с датчиков частоты поступает в САПЧ, куда предварительно заносится значение, которое необходимо поддерживать. В зависимости от этих данных вырабатывается управляющий сигнал, который поступает на объект управления и значение частоты изменяется. Также САПЧ выдаёт информационные сигналы, если отклонение текущей частоты от заданной превышает определённое значение (10 %).
Рис. 1.1. Взаимосвязь объекта управления и САПЧ.
Функциональная схема разрабатываемого устройства, может быть реализована несколькими способами.
Может быть использована схема с параллельной или последовательной обработкой аналоговых сигналов. В схеме с параллельной обработкой используется отдельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на каждый канал, а также цифровой мультиплексор. В схеме с последовательной обработкой используется аналоговый мультиплексор и один АЦП на его выходе. В разрабатываемом устройстве использован вариант с последовательной обработкой, так как при его использовании упрощается схема.
Функциональная схема устройства показана на рис.1.2.
Рис.1.2. Функциональная схема устройства.
Схема состоит из следующих блоков:
- масштабный усилитель, необходимый для согласования уровней напряжений датчиков, пульта оператора и мультиплексора;
- аналоговый мультиплексор, выбирающий определённый канал и коммутирующий его на свой выход;
- устройство выборки-хранения (УВХ), фиксирующее значение сигнала, на время преобразования в АЦП;
- АЦП, преобразующий аналоговый сигнал в 7-разрядный двоичный код;
- микроконтроллер, выполняющий основные операции управления и вычисления;
- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразующий значение сигнала в цифровом виде в аналоговый;
- дешифратор;
- четыре УВХ, фиксирующие выходной управляющий сигнал;
- блок светоиндикаторов.
1.2 Описание работы функциональной схемы.
Сигналы с датчиков и с пульта оператора для каждого канала подаются через масштабный усилитель на аналоговый мультиплексор, который в зависимости от состояния адресных входов выбирает необходимый. Номер сигнала задаётся в МК. Далее сигнал запоминается в УВХ, переводится в двоичный код и заносится в микроконтроллер. После выполнения всех необходимых действий, микроконтроллер выдаёт выходной сигнал в двоичном виде. Этот сигнал преобразуется в аналоговый вид и подаётся на входы четырёх УВХ. На управляющие входы УВХ подаётся сигнал с дешифратора. Дешифратор преобразует адрес, который выдаёт МК и выдаёт активный сигнал на одну из выходных линий, таким образом выбирая одно из УВХ. При отклонении текущей частоты от заданной более чем на 10% выдаётся сигнал на блок светоиндикаторов.
2. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ СХЕМЫ.
Линии портов ввода-вывода микроконтроллера КР1816ВЕ51 имеют уровни логических единицы и нуля соответствующие ТТЛ уровню. Поэтому для цифровых элементов схемы была выбрана ТТЛ серия КР1533. Маломощные быстродействующие микросхемы этой серии удовлетворяет требованиям по быстродействию и потребляемой мощности.
Для других элементов схемы при выборе элементов использовались такие критерии как возможность согласования с МК, низкая потребляемая мощность, функциональная завершённость микросхем.
Рассмотрим реализацию каждого из блоков.
- Масштабный усилитель
Масштабный усилитель (МУ) построен на основе операционного усилителя К140УД6. Схема его включения показана на рисунке 2.1.
Рис. 2.1. Масштабный усилитель.
Используется схема с отрицательной обратной связью с подачей входного напряжения на инвертирующий вход. При этой схеме включения коэффициент усиления равен К=Rос/R1, сопротивление R2=Rос||R1.
Для МУ, преобразующих сигнал, с датчиков частот: К=5/25=0.2.
Roc=5.1 кОм. R1=25,5 кОм, согласно рядам стандартных сопротивлений R1=24 кОм, R2=4,5 кОм, согласно рядам стандартных сопротивлений R2=4,3 кОм.
Для МУ, преобразующих сигнал, с пультов оператора: К=5/15=0.333.
Rос=5.1 кОм. R1=15,3 кОм, согласно рядам стандартных сопротивлений R1=15 кОм, R2=3,8 кОм, согласно рядам стандартных сопротивлений R2=3,9 кОм.
Резистор R3 является подстроечным и используется для регулировки смещения нуля.
В качестве R3 используется резистор СП0-1.
Напряжения питания: Uп= 15 в.
- Устройство выборки-хранения
Для устройства выборки и хранения была выбрана микросхема КР1100СК3. Схема включения показана на рис.2.2.
Рис.2.2. Устройство выборки и хранения.
Микросхема имеет в своем составе 4-х ключевой коммутатор и парафазный усилитель. При применении в качестве УВХ используется полный набор функциональных элементов.
Элементы имеют следующие параметры: С1=С2=50 пФ, R1=R2=R3=5 кОм.
Управляющие сигналы подаются на выводы 14 и 2 и должны быть взаимодополняемыми. Режиму выборка соответствует ТТЛ-уровень логической единицы на выводе 2 и нуля на выводе 14. На вывод 14 подаётся напряжение с дешифратора, на вывод 2 подаётся напряжение с дешифратора через инвертор (используемый дешифратор имеет инверсные выходы).
Входное напряжение подаётся на вход 2-го ключа (вывод 13). Выходное напряжение снимается с выхода операционного усилителя (вывод 9).
Напряжения питания: Uп= 15 в.
Время выборки 3,5 мкс.
- Коммутатор
В качестве аналогового коммутатора используется микросхема КР590КН1. Этот коммутатор имеет 8 входов (4 входа сигналы с датчиков, 4 входа сигналы с пультов оператора). Предельное коммутируемое напряжение 5 в. Напряжения питания: Uп1= - 15 в., Uп2= + 5в.
- Аналого-цифровой преобразователь
Для аналого-цифрового преобразования использована микросхема К1113ПВ1А. Она представляет собой десятиразрядный АЦП последовательного приближения. Используются 7 старших разрядов. Микросхема характеризуется функциональной полнотой. Необходимы лишь два источника питания Uп1=5 В., Uп2=-15 В. Преобразование начинается при подаче низкого уровня напряжения на вывод 11. После окончания преобразования на выводе 17 появляется напряжение высокого уровня. Этот сигнал поступает в микроконтроллер и используется для проверки готовности данных. Выходные буферные устройства имеют три состояния, что позволяет их использовать для связи с шиной данных микроконтроллера. Уровни входных и выходных сигналов соответствуют уровням ТТЛ. Время преобразования не более 30 мкс.
- Цифро-аналоговый преобразователь
Для