Содержание
-
Введение …………………………………….………………………………...
3
Техническое задание …………………………………………………………
4
1 Разработка структурной схемы ……………………………………………
5
2 Расчет и разработка функциональной схемы …………………………….
7
3 Описание элементов принципиальной схемы ……………………………
3.1 Микросхемы счетного устройства …………………………………….
3.2 Микросхемы делителя частоты ………………………………………..
3.3 Микросхемы устройства управления ………………………………….
4 Описание работы принципиальной схемы ………………………………..
5 Расчет потребляемой мощности …………………………………………...
Заключение ……………………………………………………………………
Список использованных источников ………………………………………..
В
ВЕДЕНИЕ
В данных домашних работах будет разработан цифровой тахометр, предназначенный для измерения частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания.
Тахометр предназначен для измерения числа оборотов вращающихся деталей механизмов, линейной скорости, времени вращения. Измерение может быть контактным или бесконтактным в зависимости от типа датчика скорости вращения (энкодера).
Подсчет осуществляется путем регистрации количества импульсов, поступивших от датчика, длительности паузы между импульсами, а также порядка поступления импульсов от датчиков. Подсчет/измерение осуществляется в прямом, обратном или в обоих направлениях [1].
При изготовлении различных устройств, в том числе тахометров, применяются интегральные микросхемы. В ряде случаев, когда необходима минимальная потребляемая мощность, и высокое быстродействие, применяют микросхемы серий К555. Они пришли на смену микросхемам серии К155 и их основное отличие - использование транзисторов с коллекторными переходами, зашунтированными диодами Шоттки. В результате транзисторы микросхем серии К555 не входят в насыщение, что существенно уменьшает задержку выключения транзисторов. К тому же они значительно меньших размеров, что уменьшает емкости их р-n-переходов. В результате при сохранении быстродействия микросхем серии К555 на уровне серии К155 удалось уменьшить ее потребляемую мощность примерно в четыре-пять раз. Недостаткам серии микросхем К555 является высокая помехочувствительность [2].
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Разработать прибор - цифровой тахометр, предназначенный для измерения частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, вращающегося с частотой от 250 до 1500 об/мин. В разработке использовать микросхемы серии К555. Тахометр должен выдавать результаты измерения на светодиодный индикатор в виде значения вращения вала, измеряемого в оборотах в секунду. Коэффициент передачи тахогенератора, используемого в тахометре, равен 100 имп/об. Погрешность измерения не должна превышать 0,2%.
1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
На рисунке 1 представлена структурная схема цифрового тахометра для измерения периода вращения вала двигателя.
Рисунок 1 – Структурная схема цифрового тахометра
Измерительный преобразователь (тахогенератор), устанавливаемый на вал двигателя, преобразует частоту вращения этого вала вращ в последовательность электрических импульсов следующих с частотой fx. При передаче сигнала с тахогенератора к цифровому тахометру на него накладываются помехи и шумы, что может привести к искажению формы сигнала. Чтобы избежать этого используют формирователь импульсов (ФИ), который возвращает сигналу его прежнюю форму. Далее сигнал посредством формирователя импульсов формирует импульс Tx. Этот импульс поступает на один из входов временного селектора (ВС).
На второй вход временного селектора подаются импульсы с постоянной частотой fоп, так называемые «строб-импульсы». Эти импульсы поступают с делителя частоты (Д), который вырабатывает их путем деления частоты fгти, получаемой от генератора тактовых импульсов (ГТИ) стабилизированного кварцем.
Начало импульса Tx открывает временной селектор. При этом разрешается прохождение на счетное устройство (СУ) «строб-импульсов». Конец импульса Tx закрывает селектор. Количество импульсов, успевших пройти через селектор, подсчитано счетным устройством и хранится в нем. Зная количество импульсов, успевших пройти через селектор, и период каждого импульса, можно определить интервал времени, в течение которого был открыт селектор, т.е. период входного сигнала fx.
Результат измерения выдается на цифровое табло, индикатор (И), для визуального считывания значений периода вращения вала. Далее устройство управления обнуляет считывающее устройство (для этого формируется сигнал «сброс») и цикл измерения начинается заново.
Электропитание всех устройств прибора производится от блока питания (БП), формирующего необходимые для элементов схемы значения напряжения питания.
2 РАСЧЕТ И РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Необходимо разработать частотометр, отображающий на индикаторе период вращения вала двигателя (количество оборотов вала за единицу времени) в секундах с погрешностью ст=0,2%. Частота вращения вала двигателя , изменяется от 250 до 1500 об/мин, коэффициент передачи ТГ равен n=100имп/об.
Переведем частоту вращения вала в другие единицы измерения, то есть в об/с по формуле:
(1)
где – значение частоты вращения двигателя, об/с;
– значение
частоты вращения двигателя, об/мин.
Подставив численные значения в формулу (1), получим
На индикаторе должно быть указано значение частоты вращения вала в об/с с заданной погрешностью. Определим с какой точностью необходимо отобразить измеренное значение по формуле:
,
(2)
где
- точность отображения, об/с;
- относительная
погрешность, %.
Подставляя численные значения в формулу (2) получим:
об/с.
Первая значащая цифра, в данном случае, появилась вовтором разряде после запятой. Это значит, для того, чтобы удовлетворить заданную точность при отображении периода вращения вала двигателя необходимо учитывать двазнака после запятой. Таким образом, для отображения, с требуемой точностью, максимального значения периода вращения вала двигателяпотребуется 4 семисегментных индикатора. То есть на счетное устройство, в случае максимального значения периода, должно поступить 2500 импульсов. Следовательно, максимальная частота, которая будет отображаться на индикаторах, будет равна 25 об\с.
Следовательно, К=2500имп.
Находим сигнал, поступающий с выхода тахогенератора по формуле:
,
(3)
где
- частота сигнала, Гц;
- коэффициент
передачи тахогенератора, имп/об.
Подставляя численные значения в формулу (3) получим:
Гц,
Гц.
Определим длительность строба по формуле:
где n – коэффициент передачи ТГ, имп/об;
– максимальный
сигнал, поступающий с выхода тахогенератора.
Подставляя численные значения в формулу (4), получим:
Таким
образом, для получения строб-импульса
с длительностью, равнойTn,
требуется подавать опорный сигнал с
частотой
,
определяемой по формуле:
где – частота опорного сигнала, Гц;
– длительность
строб-импульса, сек.
Подставляя численные значения в формулу (5), получим
= 1 Гц.
Выяснено,
что опорный сигнал равен 1 Гц с погрешностью
0,2 %. Количество импульсов, проходящих
за время
через временной селектор в максимальном
случае равно
.
Следовательно, для получения опорной частоты равной 1 Гц необходимо использовать генератор тактовых импульсов SG-10 с выходной частотой fГТИ=50кГц, которую можно поделить с помощью трёх делителей по модулю 10, двух делителей по модулю 5 и одного делителя по модулю 2, включённых последовательно.
Частота на выходе последнего (шестого) счётчика составит по формуле:
где – частота опорного сигнала, Гц;
-
выходная частота ГТИ, Гц.
Подставляя численные значения в формулу (6), получим:
Гц.
С учётом количества счётчиков и микросхем для делителя, счётного устройства и устройства управления была разработана функциональная схема тахометра, представленная на рисунке 4.
Рисунок 4 – функциональная схема цифрового тахометра.
3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
3.1 Микросхема счётчика
Микросхема используется при построении делителя, счётного устройства, а также устройства управления. Была выбрана микросхема К555ИЕ2. Микросхема представляет собой четырехразрядный асинхронный двоично-десятичный счетчик. Для того, чтобы микросхема работала как делитель по модулю десять, достаточно соединить выход Q1 микросхемы со входом C2 и снимать сигнал с выхода Q4. Для счётчика по модулю 10 используются все выходы Q1,Q2,Q3,Q4.Для её работы в качестве делителя по модулю 5 достаточно подавать сигнал на вход С2 и снимать с выхода Q4. Для счётчика по модулю 5 аналогично используется выход Q4.Для работы делителя по модулю 2 необходимо подавать сигнал на вход С1 и снимать с выхода Q1. Для счётчика по модулю 2 используется выход Q1.На рисунке 5 представлено условное графическое обозначение (УГО) микросхемы К555ИЕ2 [3].
Рисунок 5 – УГО микросхемы К555ИЕ2
3.2 Микросхема триггер Шмитта
Микросхема используется для формирователя импульсов, а также в качестве инверторов в устройстве управления. Была выбрана микросхема К555ТЛ2.
Она содержит шесть инверторов НЕ, каждый с триггером Шмитта. На рисунке 6 представлено УГО микросхемы К555ТЛ2.
Рисунок 6 – УГО микросхемы К555ТЛ2
3.3 Логический элемент и
Микросхема используется для временного селектора и устройства управления. Была выбрана микросхема К555ЛИ1. Она представляет собой четыре логических элемента 2И.На рисунке 7 представлено УГО микросхемы К555ЛИ1.
Рисунок 7 – УГО микросхемы К555ЛИ1
3.4 Микросхема дешифратора
Используется в устройстве управления для формирования сигналов на запись в регистр, сброс счётчиков и на остановку работы устройства управления. Была выбрана микросхема К555ИД4. Микросхема представляет собой сдвоенный дешифратор-мультиплексор 2 в 4 с общими входами дешифрируемого кода и раздельным управлением шинами разрешения.В цифровой тахометре используется первый дешифратор, для того, чтобы его активировать, необходимо подать логический ноль на выводы 13 и 3. Второй дешифратор не используется, поэтому на все его управляющие входы поступают логические нули.На рисунке 8 представлено УГО микросхемы К555ИД4.
Рисунок 8 – УГО микросхемы К555ИД4
3.5 Семисегментный индикатор
В тахометре используется светодиодный (СД) семисегментный индикатор.
Он представляет собой группу светодиодов, расположенных в определенном порядке (расположенных на плоскости в форме цифры 8) и объединенных конструктивно. Зажигая одновременно несколько светодиодов, можно формировать на индикаторе символы цифр и некоторых букв. Под действием прямого напряжения в области p-n перехода, переход испускает электромагнитные волны, которые могут находиться в видимом или инфракрасном диапазоне.
Был выбран индикатор К490ИП2. Его основное преимущество заключается в совместимости с микросхемами серии К555. Помимо этого, он содержит регистр и преобразователь двоичного кода в код управления индикатором.
Индикатор предназначен для приема на информационные входы (выводы 14, 13, 11, 2) двоичной информации, записи ее по сигналу «Разрешение записи» (по фронту высокого уровня на входе 3) в регистр, преобразования в семисегментный код и отображения в цифровой десятичной форме. Минимальное время между фронтом информационных сигналов и фронтом сигнала высокого уровня на входе «разрешение записи» (вывод 3) tsu = 50 нс. Время между фронтом сигнала высокого уровня на входе 3 и срезом информационных сигналов, необходимое для записи информации в регистр хранения, также должно быть не менее 50 нс. Преобразование и отображение информации протекает нормально при высоком логическом уровне на входе «гашения» (вывод 4). При подаче на вход «гашение» лог. «0», подсвечивание цифры блокируется. Для работы индикатора необходимо подать напряжение 3 В на вход 8 (Uпи), напряжение 5 В на вход 7 (Uпм) и 0 В на вход 1 (GND). Зажигание точки производится подачей лог. «1» на вход 12 (Г), а её гашение – подачей лог. «0» [4].
Рисунок 9 – УГО индикатора К490ИП2
4 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ТАХОМЕТРА ПО ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЕ
При включении питания происходит сброс всех счетчиков делителя в нулевое состояние с помощью схемы сброса R1, C1, DD2.1. С генератора DD1поступаетсигнал с частотой50кГц на входы делителя, состоящего из микросхемDD4– DD10. Сигнал с частотой 1 Гц после делителей поступает на устройство управления (DD3.2, DD11, DD12).
Микросхема DD3.2 представляет собой элемент лог. «И». На её входы подаются сигналы с вывода 11 микросхемы DD5 и с вывода 4 микросхемы DD12.
Микросхема DD11 в устройстве управления считает до четырёх. На вход C2 (вывод 1) подаётся сигнал с вывода 6 микросхемы DD3.2. Выводы 8 и 9 микросхемы DD11 подсоединены к выводам 2 и 1 соответственно микросхемы DD12. Микросхемой DD12 является сдвоенный дешифратор - мультиплексор 2 - 4 и при подаче на входы 1 и 2 двоичного кода числа (от 0 до 3), соответствующего числу выхода (0.0, 1.0, 2.0,3.0) самого дешифратора, на соответствующем этому числу выходе формируется логический «0», при этом все другие выходы выдают лог. «1». Временной селекторDD3.1пропускает импульсы на счетное устройство (DD13 - DD16), когда на выводе 12 микросхемы DD9 устанавливается лог. «1». В этот момент счётчик DD11 в схеме управления находится в сброшенном состоянии, то есть устройство управления не работает. Когда на выводе 12 микросхемы DD9 устанавливается лог. «0», временной селектор DD3.1 «закрыт», то есть импульсы перестают поступать на счётное устройство. Устройство управления (DD3.2, DD11, DD12) выходит из состояния сброса и начинает считать импульсы, поступающие с вывода 11 микросхемы DD5.
С приходом первого импульса на вывод 1 микросхемы DD11 на её выходах Q2, Q3 устанавливается код числа 1 (Q2 = 1, Q3 = 0). На выходе 1.0 микросхемы DD12 устанавливается лог. «0», а благодаря микросхеме DD2.3 на входы записи (ЗАП) индикаторов HG1 – HG4 поступит лог. «1». Для встроенных в индикатор регистров это сигнал разрешения записи данных с выходов счётного устройства (СУ) DD13 – DD16. Cприходом второго импульса на вывод 1 микросхемы DD11 на её выходах Q2, Q3 устанавливается код числа 2 (Q2 = 0, Q3 = 1). На выходе 2.0 микросхемы DD12 устанавливается лог. «0», а благодаря микросхеме DD2.4 на входы сброса СУ поступает лог. «1» и СУ сбрасывается. С приходом третьего импульса на вывод 1 микросхемы DD11 на её выходах Q2, Q3 устанавливается код числа 3 (Q2 = 1, Q3 = 1). На выходе 3.0 микросхемы DD12 устанавливается лог. «0», который поступает на вывод 5 микросхемы DD3.2 и прекращается подача импульсов на вывод 1 микросхемы DD11 и останавливает устройство управления.
Когда с вывода 12 микросхемы DD9 поступает лог. «1», устройство управления снова сбрасывается, а временной селектор начинает пропускать импульсы на счётное устройство и цикл повторяется заново.
5 РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ТАХОМЕТРОМ МОЩНОСТИ
Для того чтобы предъявить требования к источнику питания необходимо определить мощность, потребляемую всеми микросхемами при напряжении питания 5 В.
Мощность вычисляется по формуле:
,
(7)
где
– потребляемый микросхемой ток, А;
–
напряжение питания
микросхемы, В.
Подставив численные значения в формулу (7), получим результаты вычислений и занесём их в таблицу 1.
Таблица 1 - Расчёт мощности микросхем
№ |
Микросхема |
Iп, мА |
Кол-во |
Потребление всех микросхем одного типа, мВт |
1 |
К555ИД4 |
20 |
1 |
20 |
2 |
К555ЛИ1 |
8,8 |
1 |
8,8 |
3 |
К555ТЛ2 |
16 |
1 |
16 |
4 |
К555ИЕ2 |
30 |
11 |
330 |
5 |
SG-10 |
1,6 |
1 |
1,6 |
Итого: |
376,4 |
|||
Помимо этого, в расчёт необходимо включить потребление индикаторов, равное 900 мВт. Так как всего их четыре, то получим потребление 3600 мВт.
Таким образом, для работы электронного тахометра необходим источник постоянного напряжения 5 В мощностью не менее 3976,4 мВт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данных домашних работах был разработан цифровой тахометр, построенный на микросхемах серии К555, измеряющий частоту вращения вала двигателя, в диапазоне от 250 до 1500 об/сек, с погрешностью 0,2 %. Прибор потребляет 3976,4 мВт. В процессе проектирования цифрового тахометра:
-разработана функциональная схема прибора;
-на основании заданных требований, рассчитаны параметры цифрового тахометра;
-разработана принципиальная электрическая схема всего прибора;
-описана работа прибора по принципиальной схеме;
-рассчитана потребляемая прибором мощность.
ЛИТЕРАТУРА
1 http://www.germany-electric.ru
2 http://www.vicgain.ru
3 Справочник. «Цифровые интегральные микросхемы». Мальцев П.П., Долизде Н.С., Критенко М.И., Пономарёв С.Н., Портянко В.В., Посысаева Т.Т., Михалева Л.З. – М.: Радио и связь, 1994 г., 240 с.
4 Справочник. «Изделия электронной техники. Знакосинтезирующие индикаторы». Ладик А.И., Сташкевич А.И. - М.: Радио и связь, 1994 г., 176 с.