СОДЕРЖАНИЕ 

Вступление 5

1 Выбор основных элементов блока 6

1.1 Выбор упрощенной структурной схемы блока 6

1.2 Выбор элементов генератора импульсов 8

1.3 Выбор элементов собственно цифрового блока 11

1.4  Выбор элементов узла индикации Ошибка! Закладка не определена.

2. Расчет схемы индикации Ошибка! Закладка не определена.

3. Разработка и описание работы блока Ошибка! Закладка не определена.

3.1 Описание работы генератора импульсов Ошибка! Закладка не определена.

3.2 Описание работы собственно цифрового блока Ошибка! Закладка не определена.

3.3 Описание работы узла индикации 21

3.4 Описание работы блока в целом Ошибка! Закладка не определена.

Выводы Ошибка! Закладка не определена.

Литература Ошибка! Закладка не определена. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вступление 

     Схемотехника узлов и устройств АСПТГИ является инженерной дисциплиной, которая изучает основы построения и современные технические решения в области схемотехники узлов и цифровых устройств, которые используются в  компьютеризованных издательских системах и комплексах.

     В данной работе разрабатывается блок электронного секундомера.

     Секундомер  – прибор для измерения промежутков  времени (в секундах и долях секунды, минутах, часах); механические или электронные  часы с кнопочно-рычажной системой для пуска и остановки механизма и возврата указателя (стрелки, цифрового индикатора) в исходное положение [1].

     Заданием  работы является разработка электронного секундомера с индикацией на цифробуквенных индикаторах (на светоизлучающих диодах),  с ручными запуском и остановкой, и диапазоном измерения времени 0-59 секунд. Механические секундомеры не всегда удобны в использовании, например не всегда можно отчетливо распознать секунды и доли секунд, которые он показывает. С электронными секундомерами такой проблемы не возникает, так как цифробуквенные индикаторы обеспечивают яркие и крупные, по сравнению с механическими секундомерами, изображения единиц времени. Основными преимуществами электронных секундомеров являются небольшие (удобные, компактные) габариты, наличие автономного источника питания и стабильность показателей. Актуальность электронных секундомеров заключается в том, что это неотъемлемая вещь в быту, технике, спорте и т.д. В полиграфии секундомеры также нашли применение, например в измерении вязкости краски, клея, гладкости бумаги, в измерении времени закрепления (пленкообразования) краски, загона клея, экспонирования (иногда), а также в разных испытаниях полиграфических материалов.

1. Выбор основных элементов блока
1. Выбор упрощённой структурной схемы блока

              При разработке структурной схемы электронного секундомера будем исходить из назначения устройства, условий его работы, заданных параметров и технических требований к устройству. Структурная схема секундомера определяется основными требованиями: точность измерения, стабильностью питания, экономией энергии питания, удобства пользования. Составим структурную схему цифрового секундомера.

     Вариант данной курсовой работы предусматривает  разработку электронного секундомера  с ручным запуском и остановкой, диапазоном измерения времени 0-9 секунд и индикацией на ЦБИ на светоизлучающих диодах, проще говоря электронный секундомер должен подсчитывать единицы секунд при ручном управлении.

     Структурная схема электронного секундомера  в данном случае будет состоять из трех основных узлов: управляемого генератора серии импульсов, узла счетчика и  узла индикации.

     Для данного блока электронного секундомера  генератор серии импульсов должен быть управляемым. Данное управление мы совершим, подключивши  кнопку фиксации, посылающей при нажатии её на вход генератора сигнал логической единицы, и управляемый генератор вырабатывает серию импульсов. Необходима еще одна кнопка для установки узла счетчика в нулевое состояние. Её необходимо подключить к входам R установки счетчиков в ноль. 

     Для выполнения данных операций узел счетчика состоит из одиного счетчика импульсов - двоично-десятичного, основное функциональное назначение которого – счет импульсов. Данный счетчик представляет собой счетчик единиц секунд. К нему подключается кнопка для установки в нулевое состояние. Счетчик подает сигнал текущего кода (пропорциональный длительности времени поступления импульсов) на схему индикации, состоящую из одного цифро-буквенного индикатора на светоизлучающих диодах. Двоично-десятичный счетчик совмещен с дешифратором для 7-ми сегментного цифробуквенного индикатора ЦБИ, который управляется соответствующим дешифратором, формирующий сигнал возбуждения сегмента ЦБИ. Проще излагая, через дешифратор проводиться связь счетчика с ЦБИ, входящий в схему индикации серии импульсов. Кроме того в схему входят резисторы и конденсаторы, но на структурной схеме они не изображаются.

        Упрощенная структурная схема блока представлена в Приложении 1. 
 
 

1.2. Выбор элементов генератора импульсов 

     Управляемый генератор серии импульсов с частотой их следования 1Гц выполняется по схеме мультивибратора на логических элементах ИЛИ-НЕ согласно литературному источнику [2, с.148].

     Данный  генератор серии импульсов можно  спроектировать, используя логические элементы 2ИЛИ-НЕ и 2И-НЕ. В качестве элемента 2ИЛИ-НЕ можно использовать микросхему ЛЕ1 серии К155(ТТЛ) и К555(ТТЛШ) согласно источнику литературы [3]. Для рационального выбора между двумя микросхемами воспользуемся общим критерием сравнения качества – средней работой переключения А.

     Микросхемы  серии К155ЛЕ1 и К555ЛЕ1 имеют следующие  параметры: 

     Сравнение интегральных микросхем по средней  работе переключения  - А.

     К155ЛЕ1:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (16 · 10^-3 А + 27 · 10^-3 А)/2 = 21,5 · 10^-3 А = 21,5 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 21,5 · 10^-3 А = 107,5 · 10^-3 Вт = 107,5 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (15 · 10^-9 с + 22 · 10^-9 с)/2 = 18,5 · 10^-9 с = 18,5 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 107,5 · 10^-3 Вт · 18,5 · 10^-9 с = 1988,75 · 10^-12 Дж. 

     К555ЛЕ1:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (3,2 · 10^-3 А + 5,4 · 10^-3 А)/2 = 4,3 · 10^-3 = 4,3 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 4,3 · 10^-3 А = 21,5 · 10^-3 Вт = 21,5 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (20 · 10^-9 с + 20 · 10^-9 с)/2 = 20 · 10^-9 с = 20 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 21,5 · 10^-3 Вт · 20 · 10^-9 с = 430 · 10^-12 Дж. 

     По  обобщенному критерию сравнения  средней работы переключения А интегральная схема К555ЛЕ2 является лучшей, поэтому именно она будет использоваться в качестве элемента управляемого генератора.

     В качестве элемента 2И-НЕ можно использовать микросхему ЛА3 серии К155(ТТЛ) и К555(ТТЛШ) согласно источнику литературы [3]. Для  выбора между двумя микросхемами необходимо использовать также как  и для выбора между элементами 2ИЛИ-НЕ, общий критерий сравнения качества – среднюю работу переключения А.

     Микросхемы  серии К155ЛАЗ и К555ЛАЗ имеют  следующие параметры:

     Сравнение интегральных микросхем по средней  работе переключения  - А.

     К155ЛАЗ:

     І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (8 · 10^-3 А + 12 · 10^-3 А)/2 = 10 · 10^-3 А = 10 мА;

     Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 10 · 10^-3 А = 50 · 10^-3 Вт = 50 мВт;

     t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (15 · 10^-9 с + 22 · 10^-9 с)/2 = 18,5 · 10^-9 с = 18,5 нс;

     А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 50 · 10^-3 Вт · 18,5 · 10^-9 с = 925 · 10^-12 Дж.

     К555ЛАЗ:

     І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (1,6 · 10^-3 А + 4,4 · 10^-3 А)/2 = 3 · 10^-3 = 3 мА;

     Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 3 · 10^-3 А = 15 · 10^-3 Вт = 15 мВт;

     t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (20 · 10^-9 с + 20 · 10^-9 с)/2 = 20 · 10^-9 с = 20 нс;

     А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 15 · 10^-3 Вт · 20 · 10^-9 с = 300 · 10^-12 Дж. 

     По  обобщенному критерию сравнения  средней работы переключения А интегральная схема К555ЛАЗ является лучшей, поэтому именно она будет использоваться в качестве элемента управляемого генератора.

1.3. Выбор основных элементов собственно цифрового блока 

    Согласно  заданию диапазон измерения времени  становит 0 – 9 секунд. Управляемый генератор вырабатывает серию импульсов с частотой в 1 Гц с периодом 1 с, поэтому цифровой блок счетчика секунд в данном случае можно построить на двоично-десятичном счетчике. Для данного счетчика мы используем микросхему ИЕ2. Это четырехразрядный двоично-десятичный счетчик. Он выполняет подсчет непосредственно секунд. Счетчик состоит из четырех комбинированных триггеров типа JK. Как основные элементы двоично-десятичного счетчика можно использовать микросхемы ИЕ2 серии К155 или К555 согласно источнику литературы [1]. Такие счетчики используют для подсчетов импульсов и для руководства семисегментными цифробуквенными индикаторами. Счетчик – делитель частоты совмещен с дешифратором.

      Для того, чтобы выбрать из этих микросхем наиболее подходящую, воспользуемся общим критерием сравнения качества – средней работой переключения А.

       Микросхемы серии К155ИЕ2 и К555ИЕ2 имеют следующие параметры: 

    Сравнение интегральных микросхем по средней  работе переключения  - А.

К155ИЕ2:

І_{пот. ср.} = І_пот = 53 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 53 · 10^-3 А = 265 · 10^-3 Вт = 265 мВт;

t_здр.ср = (t^1.0_здр + t^0.1_здр)/2 = (100 · 10^-9 с + 100 · 10^-9 с)/2 = 100 · 10^-9 с = 100 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 265 · 10^-3 Вт · 100 · 10^-9 с = 265 · 10^-10 Дж.

К555ИЕ2:

І_{пот. ср.} = І_пот = 15 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 15 · 10^-3 А = 75 · 10^-3 Вт = 75 мВт;

t_здр.ср = (t^1.0_здр + t^0.1_здр)/2 = (50· 10^-9 с + 48 · 10^-9 с)/2 = 49 · 10^-9 с = 49 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 75 · 10^-3 Вт · 49 · 10^-9 с = 3675 · 10^-12 Дж.

      По обобщенному критерию сравнения средней работы переключения А интегральная схема К555ИЕ2 является лучшей, поэтому именно она будет использоваться в качестве основного элемента цифрового блока.

1.4. Выбор элементов узла индикации 

   Исходя  из заданного задания, узел индикации должен быть построен на дешифраторе и цифро-буквенном индикаторе на светоизлучающих диодах и обеспечивать индикацию единиц секунд. Для отображения работы нашего счетчика, необходимо расположить в узле индикации один цифробуквенный индикатор, который управлялся бы дешифратором.  Дешифраторы предназначены для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду.  Рассматриваемые дешифраторы различаются по емкости, по числу каналов, а также форматом выходного кода. Для данной установки подбираем дешифратор такой, который сочетается с выбранным счетчиком, то есть постоянное напряжение должно не превышать 5В. 

   Для дешифратора выбираем микросхему КР514ИД2, предназначенной для управления полупроводниковыми 7- сегментными цифробуквенными индикаторами на основе светоизлучающих диодных структур с разъединенными катодами. Микросхема выполнена в пластмассовом корпусе.

   Следует отметить, что максимальный выходной ток этого типа дешифратора ограничен  величинами -2…+3 мА , поэтому без выходных усилителей к ним возможно подключать только маломощные цифровые индикаторы. 
 
 

  Для узла индикации электронного секундомера возьмём одноразрядный 7-сегментный цифробуквенный индикатор. Цифробуквенные индикаторы широко используются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники, микрокалькуляторах, часах и разнообразных приборах.

   Цифробуквенные индикаторы на основе светодиодов представляют собой интегральную микросхему из диодных структур (в виде сегментов или точечных элементов)  и необходимых электрических соединений. Для удобности использования в составе разных приборов большое значение имеет высота цифр, поэтому выберем цифробуквенный индикатор КЛЦ201А с высотой цифры 18 мм из семи сегментов, одноцветный. Изготовленный на основе светодиодных структур галлий -фосфор-мышьяк по эпитаксиально-диффузионной технологии. Выпускается в пластмассовом корпусе. Масса не более 10 г. Конструкция на принципе рассеяния света, в которой полупроводниковые кристаллы размещаются на основании корпуса, а вывод света наружу осуществляется монолитным светопроводом. В результате дешифрации на цифровом индикаторе высвечиваются цифры 0…9 в соответствии с двоичным входным кодом.Рассмотрим параметры и эксплуатационные данные выбранного индикатора.

   Электрические и световые параметры  при

   Сила  света одного сегмента при , не менее:      0,2 мкд

     Постоянное прямое напряжение при     4 В

     Цвет свечения  –      красный

     Максимум спектрального распределения  излучения на длине волны

         0,65 мкм

     Разброс значений силы света сегментов в одном индикаторе:   3раза

   Сила  света децимальной точки, не менее:         0,07 мкд

   Предельные  эксплуатационные данные

Постоянный  или средний прямой ток через  один сегмент:

      при  

      при             7,5 мА

Мощностью рассеяния индикатора при :

      при

  при             150 мВт

Постоянное  обратное напряжение         10 В

       Как показано на рисунке, данный индикатор  построен на светодиодных структурах с разъединёнными катодами:

Семисегментный индикатор: а- топология сегментов; б, в- принципиальные схемы

   Светоизлучающие диоды предназначены для визуального  восприятия отображаемой информации человеком. Информация, предназначенная для отображения, поступает в двоичном коде. Для представления ее в привычном для человека десятичной системе существует специальный 7-сегментный код, с помощью которого возможен синтез любой десятичной цифры на 7-сегментном цифровом индикаторе.

   Для данной установки мы выбрали светоизлучающий диод АЛ307ЕМ.

   Одноразрядные цифробуквенные индикаторы позволяют воспроизвести любую цифру от 0 до 9. Для большинства из них техническими условиями оговаривается также возможность отображения следующих букв: А, Б, Г, Е, З, Н, О, П, Р, С, У, Ч.

2. Расчет цепи индикации

     Для расчета узла индикации используем схему подключения одного 7-сегментного светоизлучающего диода цифро-буквенного индикатора. Для управления индикатором используется фазовый способ, который основан на подключении сегментов и общего электрода к переменной возбуждающего напряжения одной частоты.

Рис. Эквивалентная  схема подключения светодиода к  выходу

логического элемента И-НЕ. 

     Для индикации секунд в работе был  выбран цифро-буквенный индикатор на основе светодиодных структур КЛЦ201А и дешифратор КР514ИД2. Воспользуемся основными параметрами данных микросхем для расчета. 

Параметры микросхемы К176ИЕ5 и светодиода КЛЦ201А такие: 
 
 

    Для индикации светодиода HG необходимо обеспечить прохождение прямого тока І_пр.ном = 10мА по цепи U_п–R_огр–НG–DD1.1–корпус. При этом на микросхеме DD1 будет падать напряжения U⁰_вых = 0,5В, а на светодиоде HG будет падать напряжение U_пр = 2 В. 

    Общее падение напряжения на микросхеме DD1.1 и на светодиоде НG составит: 

      U_общ = U⁰_вых + U_пр = 0,5 В + 2 В = 2,5 В 

    Таким образом, на ограничительном резисторе  падение напряжения U_Rогр должно составить:

      U_Rогр = U_п – U_общ = 5 В – 2,5 B = 2,5 В 

    Определим величину сопротивления ограничительного резистора R_огр в соответствии с законом Ома:

    R_огр= U_Rогр/I_пр.ном = 2,5 В / 10 ·10^-3 А = 250 Ом 

    При этом мощность, выделяемая на резисторе, составит:

      P_Rогр = U_Rогр ·I_пр.ном = 2,5 В · 10 ·10^-3 А = 25 · 10^-3 Вт = 25 мВт 

На основе выполненного расчета по справочнику [4] выбираем резистор МЛТ 0,125–270 Ом  ± 5%. 

3. Разработка и описание работы блока

3.1. Описание работы генератора импульсов 

     Управляемый генератор серии импульсов с  частотой их следования 10 Гц, как уже упоминалось в разделе 2, в данной работе выполняется по схеме мультивибратора на логических элементах 2ИЛИ-НЕ и 2И-НЕ.

     Принцип работы данного генератора таков. При  подаче сигнала нулевого уровня на входы элементов 2ИЛИ-НЕ (DD1, DD2) на выходе элемента 2И-НЕ (DD3) устанавливается постоянный уровень логической единицы. При подаче на входы элементов 2ИЛИ-НЕ логической единицы, на выходе элемента 2И-НЕ начинает формироваться серия прямоугольных импульсов. Детальное строение схемы генератора изображено на принципиальной схеме в приложениях. 
 

3.2. Описание работы собственно цифрового блока 

     Счетчиком называют устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поданных на счетный вход импульса, деления их частоты и сохранения двоичных многоразрядных чисел.

     В данной работе использован счетчик  импульсов транзисторно-транзисторной  логики (ТТЛ). Основную логическую операцию в элементе ТТЛ исполняет многоэмитерный транзистор. В данной работе используэтся четырехразрядный двоично-десятичныйсчетчик – К555ИЕ2. Внутренняя структура, цоколевка и условное обозначение микросхемы К555ИЕ2 приведены на рисунке 3.1.