Михайлов Вячеслав Владимирович, доцент Ф. и о., ученая степень, ученое звание, должность учебно-методический комплекс

Вид материала

Содержание

Выбор элементной базы
Таблица 2. Основные параметры микросхем серий К555 и КР1533
Расчёт электрических параметров
Расчёт номиналов R12 и С1
Генератор прямоугольных импульсов
Генератор стробирующих импульсов (ГСИ)
Расчёт номиналов RС-цепочек
Счётчик циклов
Генератор псевдослучайных последовательностей
Формирователь выходных воздействий
Выходной регистр
Схема сравнения
Блок индикации и управления

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6

Выбор элементной базы

Схема электрическая принципиальная выполнена на элементах ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики). Обладает малыми задержками распространения сигнала в кристалле. Разрабатываемые цифровые устройства чаще всего имеют входные и выходные параметры уровня ТТЛ.

Напряжение питания схемы должно выбираться из допустимого напряжения питания для применяемых микросхем. Например, для микросхем серии К555 и К1533 напряжения питания равно +5В + 0,5В. Для микросхем других серий ТТЛ допуск по напряжению может составлять и более ±10%. В разрабатываемой схеме стенда используется серия К155, К555 и КР1533.

Таблица 2. Основные параметры микросхем серий К555 и КР1533

Наименование параметра	КР1533	К555	К155
МГц	100	15	10
- мА	0,02	0,02	0,04
- мА	0,2	0,4	1,6
- мА	0,4	0,4	5
- мА	24	4	4,8
- В	2,5	2,5	2,4
- В	0,4	0,4	0,4
Среднее время наработки на отказ, ч	50000	100000	100000
Температура окружающей среды, Сº	- 10 + 70	-60+125	-60+125

Параметры среднее время наработки на отказ и рабочая температура кристалла зависит от типа корпуса, который записывается перед серией микросхемы. Например, у микросхемы КР1533ИЕ7 корпус пластмассовый типа DIP16. Эти микросхемы имеют температурный диапазон от -10 до +70Сº и среднее время наработки на отказ 50000 часов. Микросхемы 1533ЛЕ4 корпус металлокерамический с позолоченными ножками (планарный) с температурным диапазоном от -60 до +125 градусов Цельсия и среднее время наработки на отказ 100 000 часов. Цены данных микросхем отличается в 50-100 раз. Все остальные электрические параметры не очень сильно отличаются между собой, так как обе микросхемы имеют одинаковый кристалл.

Во всех разрабатываемых схемах микросхемы используются не на все 100%. В отдельном корпусе строго определенное количество логических элементов. Если регистр на 8 разрядов, а необходимо использовать только 5 из них, то остальные 3 необходимо соединить с корпусом или с шиной питания. Если этого не сделать, то микросхема может повлиять на работу всей схемы.

Возможные проявления неисправностей:

увеличение потребления тока микросхемы с последующим выходом её из строя.
Генерация частоты по питанию, тем самым напряжения питания будет пульсирующим. При этом возможен выход из строя любого количества микросхем в данной схеме. Данную неисправность очень долго и сложно диагностировать. При этом надо найти ту микросхему, которая генерирует частоту путем разрыва цепи питания каждой микросхемы. Данный поиск ведет к разрушению печати модуля.

Если необходимо завести на микросхему уровень логической единицы, то надо подсоединить этот контакт через резистор с шиной питания. Если соединить напрямую, то возможен выход из строя входного каскада микросхемы. Выбор резистора обуславливается входным сопротивлением входного каскада микросхемы.

Расчёт электрических параметров

Схема сброса

Для установки всех элементов в исходное состояние при включении питания применим схему сброса на триггере Шмитта, изображённую на рисунке 6.

Рис. 6. Схема сброса блока по питанию

Триггеры Шмитта применяются для формирования ТТЛ-сигнала из синусоидального и для приема сигналов с большим уровнем помех. При плавном изменении входного сигнала они обеспечивают скачкообразное переключение выходного. При плавном повышении напряжения на входе 1 микросхемы DD9.1 от нуля выходное напряжение скачком меняется с лог. 1 на лог. 0 при напряжении на входе около 1,65В. При снижении напряжения на входе до 0,85В происходит обратное изменение выходного напряжения.

В момент включения питания на входе микросхемы К555ТЛ2 нет напряжения, а конденсатор С1 начинает заряжается через резистор R12. Отношение RC-цепочки должно обеспечивать временную задержку уровня логического ноля. Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня равного уровню срабатывания микросхемы с триггером Шмитта (равному приблизительно 1,65В), которое произойдет за время t = 0.45 x R12 x C1, то микросхема переключится на другой уровень, из которого она не выйдет при наличии питающего напряжения. Время формирования должно быть выбрано из условия того, что все элементы схемы приняли исходное состояние. Обычно вполне достаточно иметь постоянную RC-цепи в пределах от 10 до 25 мС.

Расчёт номиналов R12 и С1

Время сигнала сброса подсчитывается по формуле t = 0.45 x R12 x C1. Примем значение резистора R12 = 5,1кОм. Продолжительность сигнала сброс по питанию равняется 20 мс. Тогда значение конденсатора С1 равно:

По справочнику выбираем ближайший подходящий конденсатор емкостью 10 мкФ х 16В.

Данную цепочку нельзя применять на входе обычных микросхем, так как напряжение изменяется по экспоненциальному закону и достижение уровня логического нуля или логической единицы займёт значительное время. На выходе микросхемы будет неопределенный уровень, и микросхема начнёт генерировать частоту. Для микросхем нормируется длительность фронта и среза. Для микросхем ТТЛ это время составляет порядка 150 нс. Для микросхем с открытым коллектором и триггеров с триггером Шмитта это время не нормируется.

Генератор прямоугольных импульсов

енератор прямоугольных импульсов (ТГ) построим по схеме простейшего автогенератора, состоящего из трех инверторов и кварцевого резонатора. Для получения стабильных колебаний необходим кварцевый резонатор. Кварц представляет собой пьезоэлектрик (его деформация вызывает появление электрического потенциала), поэтому упругие колебания могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания в свою очередь генерируют напряжение на гранях кристалла, вырезанного и ошлифованного таким образом, что он имеет определенную частоту стабильных колебаний не зависящую от температуры.

Рис. 7. Схема генератора прямоугольных импульсов

На рис. 7 показана схема автогенератора, в которой положительная обратная связь через кварц BQ1 охватывает два элемента DD1.1 и DD1.2, причем каждый из них выведен в линейный усилительный режим с помощью резисторов отрицательной обратной связи R1 и R2. Элемент DD1.3 применен как буферный, чтобы уменьшить влияние нагрузки на частоту генератора.

Частота генерирования для разрабатываемого стенда выбирается по формуле

, где Тц—время цикла, равное сумме задержек внутри схемы стенда и проверяемого модуля Т_ц = Т₁+Т₂+Т₃

Т₁ = 18 + 18+ 18 + 18 = 72 нс , время прохождения сигнала от входа

до выхода СЧЦ;

Т₂ = 2_*550 = 1100 нс, время прохождения сигнала в ТЭЗе;

Т₃ = = 38 + 20 + 13 = 71нс, время прохождения сигнала от входа

РГВ до выхода СС.

Таким образом Т_ц составит: Т_ц = Т₁+Т₂+Т₃ = 72+1100+71 = 1243 нс.

Для более надежной работы схемы примем Т_ц = 1200 нс, или Т_ц = 1.2 мкс.

Тогда тактовая частота будет составлять

Гц или 80 кГц. Для того, чтобы во время одного рабочего цикла смогли отобразить информацию 4 семисегментных индикатора, необходима тактовая частота в 4 раза большая, чем рабочая, т.е. 320 кГц.

Генератор стробирующих импульсов (ГСИ)

Генератор ГСИ предназначен для формирования стробирующих импульсов записи информации в ФВВ и РГВ (STR1 и STR2). Схема включения формирователей стробирующих импульсов приведена на рис. 8.

ГСИ выполнен на элементах микросхемы К555АГЗ DD5 и DD6 формирующих импульсы заданной длительности. По положительному фронту тактового импульса (С) запускается одновибратор DD5.1, который формирует импульс длительностью t₁. По спаду импульса t₁запускается одновибратор DD5.2, формирующий длительность импульса записи STR1.

Рис. 8. Схема генератора стробирующих импульсов

По фронту импульса STR1 запускается одновибратор DD6.1, который формирует импульс длительностью t₂. По спаду импульса t₂запускается одновибратор DD6.2, формирующий длительность импульса записи STR2.

Импульс «STR1» записывает состояние ГПСП и СЧЦ в ФВВ. Поэтому время t₁ должно быть больше длительности переходных процессов в ГПСП и СЧЦ и определяется максимальными временными задержками от тактовых входов до тактовых выходов в этих блоках. Импульс «STR2» предназначен для записи откликов с контролируемого и эталонного ТЭЗов в РГВ. Причем, к этому моменту все переходные процессы в ТЭЗах должны закончиться.

По заданной частоте тактового генератора длительность одного цикла проверки будет равна 12,5 мкс.

Расчёт номиналов RС-цепочек

Первый формирователь DD5.1 формирует импульс длительностью t₁. Длительность зависит от RC цепочки R13 C2. Формирователь вырабатывает импульс положительной полярности по фронту входного сигнала (С): t₁ = 0.45 x R13 x C2

Выберем величину резистора R13 = 5,1кОм. t₁ = 0,1мкс, тогда

выберем из стандарта конденсатор С2 = 43 пф.

Второй формирователь DD5.2 RС цепочкой C3 R15 формируется длительность импульса записи STR1 равной 50 нс. Примем сигнал STR1 равным 0,05 мкс. Выберем величину резистора R15 = 4,7кОм, тогда:

выберем из стандарта конденсатор С3 = 24 пф.

Третий формирователь DD6.1 формирует импульс длительностью t₂. Длительность зависит от RC цепочки R17 C4. Формирователь вырабатывает импульс положительной полярности по фронту входного сигнала (STR1): t₂ = 0.45 x R17 x C4

Выберем величину резистора R17 = 51 кОм. t₂ = 500 нс, тогда:

выберем из стандарта конденсатор С4 = 22 мкф.

Четвертый формирователь DD6.2 формирует импульс STR2 записи состояния контролируемого и эталонного ТЭЗа в буферные регистры DD22...DD24. Он аналогичен импульсу STR1 и RC-цепочка R19 С5 аналогичная C3 R15. R19 = 4,7 кОм, C5 = 24 пФ.

Счётчик циклов

Счётчик циклов (СЧЦ) выполнен на микросхемах К1533ИЕ7 (DD7, DD8, DD9, DD10). Данная микросхема является четырехразрядным двоичным реверсивным счетчиком. Путем каскадирования 4 счётчиков мы получим счётчик с делением частоты на

.

Ч

астота от тактового генератора, через цепь разрешения поступает на вход счётчика DD7 вывод 5. Каскадирование осуществляется соединением вывода переноса 12 с выводом 5 следующей микросхемы. Если произошёл останов по ошибке, то частота не пройдет на вход счётчика и счёт будет приостановлен. При окончании счета по варианту до 8191¹⁰ = 1FFFH вырабатывается сигнал КС (конец цикла), который поступает на блок управления и запрещает проход тактовых импульсов. Одновременно включается светодиод LD2 « ГОДЕН ». Схема счетчика циклов приведена на рисунке 9. Рис.9. Счётчик циклов (см. ниже).

Рис. 9. Сч

Генератор псевдослучайных последовательностей

Генератор псевдослучайной последовательности (ГСИ) выполнен на 2 сдвигающих регистрах КР1533ИР8 (DD14, DD15) и схемы «Исключающее или» (сумматор по модулю 2) К555ЛП5 (DD16). Принципиальная схема показана на рис.10.

Рис.10. Схема генератора псевдослучайной последовательности

Цепи обратной связи (DS4, DS6, DS10, DS13) заведены на сумматоры согласно задания. При прекращении тактовой последовательности схема сохраняет свое состояние. По положительному фронту тактового сигнала (С) счётчик изменяет свое состояние. Следующее поступление тактовых сигналов вызывает смену состояний счетчика по некоторому закону, зависящему от цепи обратной связи (DS4, DS6, DS10, DS13) сумматора. При этом генерируется псевдослучайная последовательность. Статические характеристики последовательности нулей и единиц, получаемых с выхода любого триггера, близки к характеристикам случайной последовательности и тем ближе к ней, чем больше разрядность регистра сдвига.

Формирователь выходных воздействий

Формирователь выходных воздействий (ФВВ) выполнен на микросхемах КР1533ИР23 (DD12, DD13). Смотри рисунок 11а. Эти микросхемы являются регистрами с динамической записью (запись происходит по фронту стробирующего импульса). Данные, поступающие с блока ГПСП (DS1…DS13) записываются в каждой тестовой комбинации с задержкой t₁ относительно начала цикла и поступают на контролируемый и эталонный ТЭЗы параллельно.

Выходной регистр

ыходной регистр (РГВ) выполнен на микросхемах КР1533ИР23 (DD22...DD24). Смотри рисунок 11б. Эти микросхемы являются регистрами с динамической записью (запись происходит по фронту стробирующего импульса). Данные с контролируемого и эталонного ТЭЗа записываются в каждой тестовой комбинации с задержкой t1 + t2 относительно начала цикла.

а) б)

Рис 11. Схемы: а) формирователя входных воздействий;

б) выходного регистра

Схема сравнения

Схема сравнения предназначена для сравнения данных с контролируемого и эталонного ТЭЗов. Она выполнена на трех 4^х разрядных компараторах КР1533С1 (DD25...DD27) и логическом элементе 3-И КР1533ЛИ3 (DD28.1). Компараторы производят сравнение трех 4^х -разрядных слов начиная со старших разрядов. В ней также предусмотрены входы для наращивания разрядности.

Д

ля сравнения одного разряда нет необходимости применять целую микросхему компаратора. Компаратор производит сравнение на равенство двух чисел, тем самым выходы А= поступают на элемент 3-И (DD28.1). Наличие логической единицы на выходе 3-И означает совпадение двух 10-разрядных слов.

Рис. 12. Схема сравнения

Блок индикации и управления

Блок индикации и управления состоит из динамической индикации входных данных, индикации выходных данных и блока управления.

Динамическая индикация входных данных служит для отображения входного слова, поступающего на контролируемый и эталонный ТЭЗ, и состояния счётчика циклов создана на четырех семисегментных индикаторах. Разрядность слова и счётчика циклов составляет 13 разрядов. Для отображения 4 двоичных разрядов требуется один индикатор, отображающий шестнадцатеричные цифры от 0 до F. Для преобразования двоичного кода в код управления сегментами необходим специальный дешифратор. Его можно выполнить на обычной логике, синтезируя его с помощью минимизации на элементах ИЛИ-НЕ, И-НЕ, но это потребует избыточного количества микросхем. Специальных дешифраторов, высвечивающих все цифры шестнадцатеричного кода отечественная промышленность не выпускает. Для создания такого дешифратора может подойти любая микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Прожиг будет соответствовать таблице функционирования заданного дешифратора. П3У должна иметь минимум 4 адресных входа и 7 разрядов слова данных.

Принцип действия динамической индикации основан на том, что в схеме используется только один дешифратор семисегментного кода (DD19), к которому в каждый момент времени подключен только один индикатор. Входные данные от счетчика циклов 2х13 разрядов разбиты на тетрады, которые коммутируются с помощью 2^х селекторов-мультиплексоров К555КП2 (DD17, DD18), дешифратора разряда К555ИД7 (DD21) и счётчика адреса К555ИЕ4 (DD20) на конкретный индикатор АЛС324В с частотой кварцевого генератора. Каждый индикатор работает время равное

, где f-частота переключения индикаторов, а n- количество индикаторов в системе.

Время остаточного свечения несоизмеримо больше промежутка времени, когда не будет свечения. Тем самым на индикаторе будет постоянно гореть какая-нибудь цифра. На счётчик поступает частота 320 кГц.

С выходов А1…А3 счетчика (DD20) код адреса поступает на селектор-мультиплексоры и на дешифратор (DD21), который выбирает нужный индикатор. Выходы дешифратора К555ИД7 соединены, через резисторы R19…R22 сопротивлением 220 Ом с усилителем тока, выполненного на транзисторах КТ361В с током коллектора 100 мА. При выборе соответствующего индикатора ток от источника питания протекает через транзистор, далее через соответствующие сегменты индикатора и поступает, через резисторы R3…R9 сопротивлением 220 Ом, на дешифратор управления сегментами К155РЕ3 (DD19). В дешифратор управления сегментами зашит код шестнадцатеричного символа и при поступлении тетрады с селектор-мультиплексора К555КП2 (сигналы DI1…DI4), на выходах дешифратора (DD19) появляются низкие уровни в соответствии с прошивкой. Ток коллектора транзистора может достигать 70 мА.

Индикация выходных данных служит для отображения побитовых данных с выхода контролируемого и эталонного ТЭЗов. Она выполнена на инверторах микросхем КР1533ЛН2 (DD1, DD29, DD30, DD31, DD32), светодиодах АЛ307В и резисторах (R31…R56). Микросхема КР1533ЛН2 обладает повышенной нагрузочной способностью

.

При подаче на какой-либо вход логической единицы на соответствующем выходе будет логический ноль. Через регистр и светодиод будет течь ток в микросхему равный:

где

- прямое падение напряжения на светодиоде.

Для диода АЛ307

= 2 В.

Выходное напряжение микросхемы низкого уровня для КР1533ЛН2

= 0,5 В.

R - ограничительное сопротивление. Номинальный ток через светодиод равен 10 мА.

Из выше записанной формулы получаем

250 Ом

По ближайшему стандарту примем номинал R31 – R50 = 270 Ом,

Индикация сигналов «БРАК», «ГОДЕН», выполнена с помощью микросхемы К555ТЛ2 (DD2.4, DD2.5), светодиодов АЛ307В (LD1) «БРАК» (красного цвета) и АЛ307Б (LD2) «ГОДЕН» (зеленого цвета), и резисторах (R13, R16). Расчёт ограничивающего сопротивления вычисляется по той же формуле. Резистор выберем 270 Ом.

Блок управления служит для управления режимами работы стенда. В БИУ входит узел формирования управляющих сигналов, собранный на логических элементах (DD2.1…DD2.3, DD3.1…DD3.3, DD1.4). В качестве ТгРР используется микросхема типа К555ТМ2 (D4.1), высокий уровень с выхода которой разрешает прохождение тактовых сигналов от ТГ на ГПСП, СЧЦ и ГСИ.

Рис. 12. Схема блока управления

В исходном состоянии на входах R и S микросхемы DD4.1 (ТгРР) установлены лог. 1, а на выходе Q соответственно лог. 0. При нажатии кнопки «Пуск» ТгРР устанавливается в единичное состояние, из которого он может быть выведен сигналами «Брак» (низкий уровень «BAD» с выхода СС ) или «Конец проверки» ( высокий уровень «KC» на выходе СЧЦ ). Если остановка проверки произошла по сигналу «Брак», то ее можно продолжить, подав высокий уровень на вход «Продолжить», тем самым установив ТгРР в единичное состояние, тогда цикл проверки продолжится дальше до следующего сигнала «Брак» или окончания цикла проверки «Конец проверки» ( высокий уровень «KC» на выходе СЧЦ ).

Для индикации причины остановки теста служат два светодиодных индикатора LD1 «Брак» и LD2 «Годен». Индикатор «Брак» светится красным светом в том случае, когда с блока сравнения пришел сигнал низкого уровня BAD. Индикатор LD2 «Годен» светится зеленым светом в том случае, когда со счетчика циклов пришел сигнал высокого уровня.

Blog