Cистема автоматической подстройки частоты

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:

1. учебный план кафедры ИУ6
2. 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.

1. синтез функциональной схемы

1. 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.

1. 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.

1. 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.

1. 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.

1. 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.

1. Цифро-аналоговый преобразователь

Для