Разработка цифрового пульсометра
Министерство образования и науки Украины
Севастопольский национальный технический университет
Кафедра электронной техники
Курсовая работа
по дисциплине «Цифровая схемотехника»
Разработка цифрового пульсометра
Севастополь
2014
Содержание
Задание |
3 |
1. Разработка функциональной |
4 |
2. Разработка блоков пульсометра |
6 |
2.1 Разработка блоков «В1» и «В2» |
6 |
2.2 Разработка делителя и блока «Ф.измер.» |
6 |
2.3 Разработка счётчиков «УА1», «УА2», блоки «Ф1», «Ф2» |
7 |
2.4 Разработка счётчика «УА3» |
11 |
2.5 Разработка блоков «ПК1», «ПК2» |
12 |
2.6 Разработка блока «ПК3» |
14 |
2.7 Расчёт ключа |
15 |
2.8 Разработка блока «Ф.сброс» |
16 |
2.9 Разработка блока «Ф.старт» |
17 |
Заключение |
18 |
Задание
Разработать цифровой пульсометр. На вход прибора поступают импульсы от датчика на ТТЛ уровнях. Датчик не проектируется. Перед измерением необходимо нажать кнопку «Сброс», а затем нажать кнопку «Старт». Время измерения 60 секунд. В течение измерения на трёхразрядный семисегментный светодиодный индикатор выводится количество импульсов, поступивших от датчика, а по прошествии времени измерения фиксируется общее количество поступивших импульсов. Максимальное количество ударов в минуту – 399. Частота внутреннего генератора – 10 кГц. Семисегментные индикаторы – с общим анодом. Код счётчиков, подсчитывающих количество ударов сердца –
5-2-1-3. Счётчики организованы по принципу управляющего автомата.
- Разработка функциональной схемы
устройства
Иед., Идес., Исот. – индикаторы единиц, десятков и сотен ударов соответственно.
КЛ1, КЛ2, КЛ3 – блоки ключей для соответствующих индикаторов.
УА1, УА2, УА3 – управляющие автоматы – счётчики по 5-2-1-3 для единиц десятков и сотен единиц соответственно.
Ф1, Ф2 – блоки переноса.
ПК1, ПК2, ПК3 – преобразователи кода 5-2-1-3 от блоков «УА1», «УА2», «УА3» в коды семисегментного индикатора.
Ген. – внутренний генератор.
Делитель – счётчик, подсчитывающий количество импульсов от внутреннего генератора при наличии сигнала «Измерение».
В1, В2 – блоки, которые пропускают импульсы от датчика или внутреннего генератора при наличии сигнала «Измерение».
Ф.измер. – блок, формирующий сигнал «Измерение», до тех пор пока делитель не досчитает до числа (частота*60).
Ф.сброс – блок, который формирует сигнал «Сброс» после включения питания схемы или нажатия кнопки «Сброс».
Ф.старт – блок, снимающий сигнал «Сброс» после нажатия кнопки «Старт».
При включении питания схемы или после нажатия кнопки «Сброс» блок «Ф.сброс» устанавливает в активный уровень сигнал «Сброс», который держит блоки «УА1», «УА2», «УА3» и делитель в сброшенном состоянии. Так как блок «Делитель» сброшен, то в этом режиме сигнал «Измерение» имеет активный уровень. Следовательно блоки «В1» и «В2» пропускают импульсы от датчика или внутреннего генератора, но вход сброса у всех микросхем имеет приоритет по отношению к другим входам, поэтому состояние блоков «Делитель», «УА1», «УА2», «УА3» меняться не будет, т.е. на индикаторах будут высвечиваться нули.
При дальнейшем нажатии кнопки «Старт» снимается сигнал «Сброс», и блок «Делитель» начинает реагировать на импульсы, поступающие от внутреннего генератора, а блок «УА1» - на импульсы с датчика. При переполнении счётчика «УА1» блок переноса «Ф1» формирует фронт импульса, переводящий блок «УА2» в следующее состояние, подобную функцию, но по отношению к блокам «УА2», «УА3» выполняет блок «Ф2». Соответственно на семисегментных индикаторах начинается насчёт количества поступивших от датчика импульсов. При насчёте блока «Делитель» до числа (частота*60) снимается сигнал «Измерение», и блоки «В1» и «В2» перестают пропускать импульсы от датчика и внутреннего генератора. Следовательно, на индикаторах фиксируется количество ударов, насчитанное за минуту.
Дальнейшее нажатие кнопки «Старт» не изменит состояние системы, так как отсутствует сигнал «Измерение». Для того, чтобы установить сигнал «Измерение», необходимо сбросить блок «Делитель». Нажатие кнопки «Сброс» устанавливает сигнал «Сброс», а следовательно сбрасывает блоки «Делитель» и блоки «УА1», «УА2», «УА3», и устанавливает сигнал «Измерение». Дальнейшее нажатие кнопки «Старт» снимает сигнал «Сброс», а следовательно после нажатия кнопки «Старт» начинается новое измерение.
2. Разработка блоков пульсометра
2.1 Разработка блоков «В1» и «В2»
Данные блоки пропускают импульсы от датчика или от внутреннего генератора при наличии сигнала «Измерение», и не пропускают при отсутствии сигнала «Измерение». Зададимся условием, что активный уровень сигнала «Измерение» - высокий уровень. В этом случае блоки «В1» и «В2» будут состоять только из одного элемента - 2И, возможно также вместо него поставить элемент 2И-НЕ.
Рис. 2.1. Схема блоков «В1» и «В2».
2.2 Разработка делителя и блока «Ф.измер.»
Эти блоки после нажатия кнопки «Старт» формируют сигнал «Измерение» длительностью 60 секунд. По заданию частота равна 10 кило -герц. Следовательно, делитель должен досчитать до (10000*60=600000), чтобы блок «Ф.Измер.» снял сигнал «Измерение».
Делитель может быть сделан цепочкой из шести двоично-десятичных счётчиков, например из микросхем К555ИЕ2 (7490). Данная микросхема представляет собой два независимых счётчика с коэффициентами деления 6 и 10. Для того, чтобы получить делитель на 10, выход счётчика до 2 соединяем с тактирующим входом счётчика до 5. В это случае счётчик считает до 9 (1001), после чего сбрасывается. Следовательно, в схеме делителя старший разрядный выход предыдущей микросхемы соединяем с тактирующим входом счётчика до 2 следующей микросхемы.
Рис. 2.2. Схема блока «Делитель»
Примечание: как видно из рисунка 2.3, не указано, куда подключены входы сброса счётчиков. Подключение входов сброса будет рассмотрено позже при разработке блока «Ф.сброс».
Пока делитель не досчитал до 600000, присутствует сигнал «Измерение». Как было сказано выше, активный для сигнала измерение уровень – высокий. Следовательно блок «Ф.Измер.» представляет собой элемент И-НЕ, подключённый к определённым разрядным выходам делителя. Запишем число 48000 в двоично-десятичном коде: 0100 1000 0000 0000 0000. Следовательно, блок «Ф.Измер.» представляет собой элемент
2И-НЕ, подключённый к выходу, имеющему вес разряда 4 микросхемы DD5 и к выходу, имеющему вес разряда 8 микросхемы DD4.
Рис. 2.3. Схема блока «Ф.Измер.»
2.3 Разработка счётчиков «УА1», «УА2», блоки «Ф1», «Ф2»
Данные счётчики представляют собой одинаковые управляющие авто-маты – счётчики по коду 5-2-1-3 от 0 до 9. Данные УА реализуем на J-K триг-герах КР531ТВ9 (74LS112), изменяющих состояние выходов по срезу импульса и имеющий следующую таблицу переключений:
J |
K |
Qt |
Qt+1 |
f |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
β |
1 |
0 |
0 |
1 |
α |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
α |
1 |
1 |
1 |
0 |
β |
f |
J |
K |
0 |
0 |
~ |
1 |
~ |
0 |
α |
1 |
~ |
β |
~ |
1 |
Таблица переходов управляющего автомата
Q1(5) |
Q2(2) |
Q3(1) |
Q4(3) |
f1 |
f2 |
f3 |
f4 | |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
α |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
α |
β |
0 |
2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
β |
0 |
α |
3 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
α |
1 |
4 |
1 |
0 |
0 |
0 |
α |
0 |
β |
β |
5 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
α |
0 |
6 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
α |
β |
0 |
7 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
β |
0 |
α |
8 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
α |
1 |
9 |
1 |
1 |
0 |
1 |
β |
0 |
β |
β |
Составляем Карты Карно для функций перехода каждого J-K триггера, а по картам Карно для функций переходов далее составляем карты Карно для входов J и K.
f1:
|
J1:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
K1:
|
f2:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
J2:
|
K2:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
f3:
|
J3:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
K3:
|
f4:
|
J4:
|
K4:
|
По получившимся функциям для входов J и K каждого триггера составляем принципиальную схему блоков «УА1» и «УА2». UAR – вход сброса, Q1- вход тактирования.
Рис. 2.4. Схема блоков «УА1», «УА2»
Вход тактирования блока «УА1» подключён к выходу блока «В1», вход тактирования блока «УА2» подключён к выходу блока «Ф1», а вход тактирования «УА3» - к выходу блока «Ф2». Подключение входов сброса будет рассмотрено при пректировании блока «Ф.Сброс».
Расммотрим блоки «Ф1», «Ф2». Если посмотрель на таблицу переключений блоков «УА1», «УА2», то видно, что в цикле переключений выход Q1 меняет свой уровень сигнала с низкого на высокий только один раз, а при переходе из конечного состояния в начальное уровень на этом выходе меняется с высокого на низкий. Таким образом на этом выходе при переполнении счётчика формируется активный для переключения УА фронт. Следовательно блоки «Ф1» и «Ф2» представляют собой физическое соединение выхода Q1 предыдущего УА с входом тактирования последующего УА.
2.4 Разработка счётчика «УА3»
Счётчик «УА3» считает в коде 4-2-1-3 только от 0 до 3. Из этого и из таблицы переключений блоков «УА1», «УА2» следует, что в данном УА используются только 2 триггера, веса разрядов на выходе которых 2 и 1.
Таблица переключений блока «УА3»
Q2(2) |
Q3(1) |
Q4(3) |
f2 |
f3 |
f4 | |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
α |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
α |
β |
0 |
2 |
1 |
0 |
0 |
β |
0 |
α |
3 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
β |
Составим Карты Карно для функций переходов, а по ним составляем карты Карно для входов J и K каждого триггера.
|
f2:
|
J2:
|
K2:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
f3:
|
J3:
|
K3:
|
|
f4:
|
J4:
|
K4:
|
По получившимся функциям для входов J и K составляем принципиальную схему блока «УА3».
Рис. 2.4. Схема блока «УА3»
2.5 Разработка блоков «ПК1», «ПК2»
Блоки «ПК1», «ПК2» представляют собой одинаковые комбинацион-ные схемы – преобразователи кода 4-2-1-3 в код семисегментного индикатора. По заданию дано, что индикаторы с общим анодом, т.е. будет применяться такой тип ключа, который открывается высоким уровнем напря-жения (См. раздел «Расчёт ключа»). Исходя из этого и рассчитываем данные блоки.
Таблица истинности для блоков «УА1», «УА2»
Q1(5) |
Q2(2) |
Q3(1) |
Q4(3) |
fa |
fb |
fc |
fd |
fe |
ff |
fg | |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
4 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
5 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
6 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
7 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
8 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
9 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
