Цифровой частотомер. 2
Министерство образования и науки Российской Федерации
Пензенский государственный университет
Кафедра «ИИТ»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине
«Цифровые измерительные устройства»
Тема: «Цифровой частотомер»
Выполнил студент группы 08ПИ1
Проверил: д.т.н., профессор
Пенза 2012г.
Реферат
Пояснительная записка содержит 24 страницы, 10 рисунков, 1 принципиальную электрическую схему, 2 приложение.
Объектом разработки является цифровой частотомер, основные параметры которого приведены в техническом задании.
Целью работы является использование ранее приобретённых навыков в курсе ЦИУ по расчёту основных узлов и блоков частотомера.
В процессе работы была выбрана необходимая материальная база для последующего конструирования цифрового частотомера, которая приведена в перечне элементов.
СОДЕРЖАНИЕ
Пояснительная записка:
Введение…………………………………………………………
1. Выбор и обоснование применения
элементной базы..........................
2. Описание работы принципиальной электрической схемы…………………8
3. Конструкторско-технологический расчет печатной платы......................11
4. Электрический расчет печатной платы……………………………………...14
5. Размещение конструктивных элементов…………………………………….17
6. Расчет основных показателей надежности………………………………….20
7. Краткая характеристика инструмента проектирования AutoCad………….22
Список источников……………………………………………………
Графическая часть:
1. Перечень элементов к схеме электрической принципиальной
2. Схема электрическая принципиальная
ВВЕДЕНИЕ
Измерение временных параметров электрических сигналов имеет важное значение при настройке и ремонте готового электронного оборудования, контроле его состояния, а также при исследованиях, связанных с разработкой новых приборов и комплексов. Разрабатываемый универсальный частотомер ориентирован в первую очередь на применение в области цифровой техники, где его функциональные возможности, технические характеристики и параметры являются наиболее приемлемыми.
Использование в конструкции прибора однокристального микроконтроллера позволяет за счет применения программного управления узлами значительно уменьшить его схемотехническую сложность, добиться улучшения функциональных возможностей, обеспечить возможность модернизации путем замены внутреннего программного обеспечения.
Подключение прибора к
персональной ЭВМ по интерфейсу RS-232
(Стык С2) позволяет использовать частотомер
в составе автоматизированного
комплекса для сбора и
Частотомер может входить в состав стендов для настройки и диагностики различного электронного оборудования, использоваться в образовательных целях.
Разработка универсального
частотомера, а также подготовка
технической документации проводились
с использованием современных средств
автоматизированного
1. Выбор и обоснование применения элементной базы.
Для создания разрабатываемого устройства согласно техническому заданию необходимо применить комплектующие отечественного производства и максимально использовать стандартные компоненты и изделия. Исходя из этого выбор элементной базы будет следующим.
1.1. Резисторы, конденсаторы, диоды и другие дискретные компоненты.
Для применения в разрабатываемом
устройстве были выбраны резисторы
марки МЛТ мощностью 0,25 Вт. Выбор
был сделан, исходя из соображений
достаточной надежности, точности и
низкой общей стоимости прибора.
Резисторы марки МЛТ в
1.2. Интегральные микросхемы.
Ввиду большого разнообразия
серий микросхем, пригодных для
использования в
В матрицу параметров заносятся параметры элементов, из которых необходимо выбрать один. В нашем случае микросхемы будем выбирать среди серий К176, К561, К155, К555. Выбор будем производить по следующим параметрам: напряжение выхода нуля Uвых0 ; напряжение выхода единицы Uвых1 ; ток потребления Iпот ; входной ток Iвх . Для этих данных матрица параметров будет иметь следующий вид:
U0вых,В |
U1вых,В |
Iпот,мкА |
Iвх, мкА | |
К176 |
0,3 |
8 |
100 |
0,3 |
К561 |
0,8 |
4,2 |
100 |
0,1 |
К155 |
0,4 |
2,4 |
30000 |
40 |
К555 |
0,5 |
2,7 |
19000 |
3000 |
bj |
0,25 |
0,33 |
0,11 |
0,31 |
bj – весовой коэффициент параметра, который учитывает значимость параметра.
Параметры матрицы необходимо пересчитать так, чтобы большему значению параметра соответствовало лучшее свойство элемента. Так как лучшими свойствами микросхемы являются низкое выходное напряжение нуля, высокое выходное напряжение единицы, низкие входной ток и ток потребления, параметры Uвых0, Iпот, Iвх необходимо пересчитать (взять обратную величину). После пересчета параметров матрица параметров примет вид:
3,333333 |
8 |
0,01 |
3,333333 |
1,25 |
4,2 |
0,01 |
10 |
2,5 |
2,4 |
3,33·10-5 |
0,025 |
2 |
2,7 |
5,26·10-5 |
0,000333 |
Далее параметры матрицы нормируют по следующей формуле:
, где yij – элемент матрицы параметров, стоящий в i-й строке и j-м столбце аij – аналогичный элемент в нормированной матрице.
После нормирования матрица параметров примет вид:
0 |
0 |
0 |
0,666667 |
0,625 |
0,475 |
0 |
0 |
0,25 |
0,7 |
0,996667 |
0,9975 |
0,4 |
0,6625 |
0,994737 |
0,999967 |
Для обобщения анализа параметров вводят оценочную функцию Q:
, m – количество строк в матрице параметров.
После проведения расчетов значения оценочной функции вышли следующими:
К176 |
0,666667 |
К561 |
1,1 |
К155 |
2,944167 |
К555 |
3,057204 |
Необходимая серия ИМС выбирается, исходя из минимального значения оценочной функции. На основании проведенных расчетов для использования в разрабатываемом устройстве выбираем серию К176.
Примечание: микросхемы DD8-DD12 (см. перечень элементов) были выбраны из серии К561 т.к. в серии К176 нет элемента необходимого типа элемента, а серия К561 имеет значение оценочной функции, максимально близкое к этому значению у серии К176.
Операционный усилитель К544УД2А (DA1) выбирается аналогичным образом.
2. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
Частотомера — пятиразрядный,
что позволяет без какой-либо
дополнительной коммутации измерять частоту
электрических колебаний от нескольких
десятков до 99 999 Гц (100 кГц). Амплитуда сигнала,
подаваемого на вход прибора, должна быть
не менее 0,5 В и не более 30 В. Сигнал, частоту
который надо измерять, через гнездо XS1
и конденсатор C1 поступает на вход
формирователя (в данном случаи операционный
усилитель DA1) в результате этого формируются
импульсы прямоугольной формы, частота
следования которых точно соответствует
частоте входного сигнала. С выхода формирователя
сигнал поступает на вход элемента 2ИЛИ-НЕ
DD2.4, выполняющего функцию электронного
клапана. И, если этот клапан открыт (при
напряжении низкого уровня на нижнем входе),
то на его выходе, а значит, на входе пятиразрядного
счетчика, образованного микросхемами
DD3—DD7, появляются импульсы преобразованного
сигнала. Микросхемы DD8-DD12 служат для преобразования
логическое состояние микросхем счетчика
импульсов в сигналы для семиэлементных
люминесцентных индикаторов HG1—HG5. Вход
DD2.1 электронного клапана подключен к
выходу формирователя измерительного
временного интервала, равного 1 с. Поэтому
цифровые индикаторы высвечивают число
импульсов, прошедших за это время через
клапан к счетчику, то есть входную частоту
в единицах герц.
Функцию генератора импульсов и делителя
частоты до значения 1 Гц, необходимого
для формирования временных интервалов
и импульсов обнуления счетчика по окончании
времени индикации результата измерения
выполняет микросхема К176ИЕ5 DD1.
Исходная частота
генератора (32 768 Гц) определяется собственной
частотой кварцевого резонатора ZQ1 и
конденсаторами С6, С7. Частота импульсов
1 Гц, формируемых на выходе 15 (вывод
5) этой микросхемы, и служит образцовой.
Узел управления цикличной работой
частотомера образуют логические элементы
2ИЛИ-НЕ DD2.1, DD2.3. Эти элементы работают
в генераторе импульсов запуска
времени индикации. Элемент DD2.1 так
же используется в качестве ключа
в цепи обнуления счетчика. Напомним
логику действия элемента 2ИЛИ-НЕ: при
напряжении высокого уровня на любом
из его входов на выходе будет напряжение
низкого уровня. Напряжение низкого
уровня поступает на вход электронного
клапана DD2.4 и закрывает его. С
этого момента прекращается прохождение
через клапан импульсов сигнала
измеряемой частоты на вход счетчика
DD3—DD7.
С появлением на входе С триггера DD2.1 импульса
генератора запуска этот триггер переключается
в единичное состояние и напряжением высокого
уровня на прямом выходе подготавливает
к дальнейшей работе триггер DD2.2. Одновременно
на верхнем входе элемента DD3.3, соединенном
с инверсным выходом триггера DD2.1, появляется
напряжение низкого уровня. Очередной
импульс генератора образцовой частоты
поступает на вход элемента DD2.4 будет напряжение
низкого уровня, которое открывает электронный
клапан и тем самым разрешает прохождение
через него импульсов сигнала измеряемой
частоты.
Но прямой выход триггера DD2.2 соединен
с входом R триггера DD2.1. Следовательно,
когда триггер DD2.2 оказывается в единичном
состоянии, он напряжением высокого уровня
на прямом выходе переключает триггер
DD2.1 в нулевое состояние и удерживает его
в нем до тех пор, пока длится измерительный
интервал. Очередной импульс образцовой
частоты переключает триггер DD2.2 по входу
С нулевое состояние, и напряжение высокого
уровня с инверсного выхода триггера закрывает
электронный клапан.
В результате
прекращается прохождение
3. Конструкторско- технологический
расчет печатной платы.
При изготовлении печатной
платы будем использовать в качестве
основания стеклотекстолит
3.1. Определение
минимального диаметра металлизированного
отверстия
, где Кgt – отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы (ПП), мм ; hпп – толщина печатной платы. В нашем случае Кgt = 0,33 ; hпп = 2 мм, d01 = 0,66 мм.
3.2. Определение
минимального диаметра монтажного
отверстия
, где dВЭ – диаметр вывода элемента, мм ; h0 – толщина медного слоя, мм; D` - зазор межде выводом конструктивного элемента (КЭ) и стенкой отверстия, мм ; d0 – погрешность расположения отверстий относительно узла координатной сетки (КС).
В нашем случае (при h0 = 0,035 мм; D` = 0,15 мм; d0 = 0,07 мм):
Элемент |
dВЭ , мм |
dМО, мм |
ИМС |
0,5 |
0,94 |
Резисторы |
0,7 |
1,14 |
Постоянные конденсаторы |
0,6 |
1,04 |
Подстроечный конденсатор |
2,5 |
2,94 |
Т.к. диаметры отверстий рекомендуется выбирать из ряда номинальных значений, выберем все диаметры отверстий равными 1,3 мм, а диаметр отверстий под подстроечный конденсатор – 3 мм.
3.3. Определение
минимального диаметра контактной
площадки
Формула для расчета
учитывает погрешность
, где bn0 – ширина пояска контактной площадки, мм ; dКП – погрешность расположения контактной площадки относительно узла КС; dФФ – погрешность фотокопий и фотошаблонов; hф – толщина фольги. В нашем случае bn0 = 0,1 мм; dКП = 0,05 мм; dФФ = 0,06 мм; hф = 0,035 мм. Тогда для всех элементов, кроме подстроечного конденсатора dКП = 1,465 мм, для подстроечного конденсатора dКП = 3,285 мм.
3.4. Определение ширины проводников
Минимальная ширина :
, где dСМ – погрешность смещения проводников относительно линии КС; bпр – ширина проводника. В нашем случае dСМ = 0,05 мм; bпр = 0,25 мм; bпр мин = 0,395.
Номинальная ширина:
bпр.н = bпр.мин + dТ , где dТ – ширина проводника в сторону уменьшения. dТ 0,03 мм, bпр.н = 0,425 мм.
3.5. Определение минимального расстояния между проводником и КП с МО
, где lРА – шаг КС, lПК = 0,195 мм.
3.6.
Определение минимального расстояния
межде двумя соседними КП
, lкп = 1,115 мм.
4. Электрический расчет печатной платы
4.1. Определение
максимального падения напряжения
на проводниках
, где Imax = суммарный ток потребления схемы; r - удельное сопротивление меди (материала проводников); lПР – максимальная длина проводника на плате; tпр – толщина проводящего слоя; bпр – ширина проводника.
Суммарный ток потребления схемы равен суммарному току потребления всех ИМС схемы. Токи потребления используемых ИМС следующие:
ИМС |
Количество ИМС |
Ток потребления, мА |
К561УД2А |
1 |
60 |
К176ИЕ5 |
1 |
0,25 |
К176ЛА7 |
1 |
0,1 |
К176ИЕ2 |
5 |
0,1 |
К561ИЕ14 |
5 |
0,1 |
Суммарный ток потребления схемы |
61,35 мА | |
По чертежу печатной платы определим максимальную длину проводника: lПР = 0,155 м
tпр = 0,035 мм; r = 0,175 Ом·мм2/м ; bпр = 0,425 мм; тогда DUПР = 0,11 В.
4.2. Определение мощности потерь
, где fT – тактовая частота работы схемы; UПИТ – напряжение питания схемы; tgd - тангенс угла диэлектрических потерь материала печатной платы; С – емкость между слоями платы.
В качестве fT примем вдвое увеличенную максимальную частоту входного сигнала частотомера: fT = 200 кГц. Исходя из схемы электрической принципиальной UПИТ = 9 В. Для стеклотекстолита tgd = 0,002. Для определения емкости воспользуемся следующей формулой:
, где e - диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита, e = 5,5; S – площадь печатных проводников . Примем площадь печатных проводников равной десяти процентам площади одной стороны печатной платы, тогда при размерах печатной платы 175 х 135 S = 2207 мм2 .
При таких данных С = 54,6 пФ. Тогда РПОТ = 1,1·10-5 Вт.
4.3. Определение
емкости между двумя параллельно
идущими проводниками на одной
стороне ПП
, где LПР – максимальная длина параллельно идущих проводников на одной стороне ПП; eЭФ – эффективная диэлектрическая проницаемость, eЭФ = 3,25; d – расстояние между краями проводников, d = ШКС – bПР. Тогда С = 1,613 пФ.
4.4.
Определение взаимной индуктивности
между двумя параллельно идущими
проводниками на одной стороне
ПП
, М=28,64·10-9 Гн
4.5. Определение
емкости между двумя параллельно
идущими проводниками на разных
сторонах ПП
, где L= - максимальная длина двух параллельно идущих проводников на разных сторонах ПП, исходя из чертежа ПП L= = 0,02 м.
х, r(х) – коэффициенты, учитывающие краевой эффект: , х = 9,41; r(х) = 3,042; тогда С1 = 6,31·10-14 Ф.
5. Размещение конструктивных элементов
Для обеспечения минимальной
длины проводников и
В матрицу связей заносится количество связей между элементами. В нашем случае матрица связей имеет вид:
DA 1 |
DD 1 |
DD2 |
DD3 |
DD4 |
DD5 |
DD6 |
DD7 |
DD8 |
DD9 |
DD10 |
DD11 |
DD12 |
r | |
DA1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
DD1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
DD2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
DD3 |
0 |
0 |
1 |
0 |
3 |
2 |
2 |
2 |
4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
14 |
DD4 |
0 |
0 |
0 |
3 |
0 |
3 |
2 |
2 |
0 |
4 |
0 |
0 |
0 |
14 |
DD5 |
0 |
0 |
0 |
2 |
3 |
0 |
3 |
2 |
0 |
0 |
4 |
0 |
0 |
14 |
DD6 |
0 |
0 |
0 |
2 |
2 |
3 |
0 |
3 |
0 |
0 |
0 |
4 |
0 |
14 |
DD7 |
0 |
0 |
0 |
2 |
2 |
2 |
3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
13 |
DD8 |
0 |
0 |
0 |
4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
8 |
DD9 |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
8 |
DD10 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
8 |
DD11 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
8 |
DD12 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
8 |
ri- число связей i-го элемента со всеми остальными (локальная степень) , где аkj – j-й элемент в k-й строке матрицы связей.
Выбираем элемент (вершину) с наименьшей локальлной степенью. В нашем случае – это вершина DA1. Элемент DA1 размещаем в позицию Р1.
Далее в строке, сответствующей элементу DA1 находим ячейку с наибольшим количеством связей и в позицию Р2 помещаем элемент из соответствующего столбца матрицы связей. В нашем случае это элемент DD1. Далее анализируем строку, соответствующую элементу DD1 аналогично предыдущей и т.д. В результате получим следующее размещение ИМС по посадочным местам:
DA1 |
DD1 |
DD2 |
DD3 |
DD4 |
DD5 |
DD6 |
DD7 |
DD8 |
DD9 |
DD10 |
DD11 |
DD12 |
Р1 |
Р2 |
Р3 |
Р4 |
Р7 |
Р8 |
Р11 |
Р12 |
Р5 |
Р6 |
Р9 |
Р10 |
Р13 |
На печатной плате посадочные места разместим следующим образом:
Р1 |
Р2 |
Р3 |
Р4 |
Р5 |
Р6 |
Р7 |
Р8 |
Р9 | |
Р10 |
Р11 |
Р12 |
Р13 |
6. Расчет основных показателей надежности
Основными показателями надежности являются интенсивность отказов l, вероятность безотказной работы Р и вероятность отказа Q.
Наименование эл. |
Тип |
Кол-во N |
l0Э·10-7 1/ч |
Кн |
аТ |
аВ |
N l0Э Кн аТ аВ |
|
ИМС |
К544УД2А |
1 |
0,26 |
1 |
2 |
10 |
5,2 |
К176ИЕ5 |
1 |
0,2 |
1 |
2 |
10 |
4 | |
К176ЛА7 |
1 |
0,2 |
1 |
2 |
10 |
4 | |
К176ИЕ2 |
5 |
0,2 |
1 |
2 |
10 |
20 | |
К561ИЕ14 |
5 |
0,24 |
1 |
2 |
10 |
24 | |
Конденсаторы |
КМ-5 |
4 |
0,3 |
0,8 |
1,8 |
10 |
17,28 |
КТ-1 |
1 |
0,3 |
0,8 |
1,8 |
10 |
4,32 | |
К50-16 6В |
1 |
0,5 |
1 |
2,8 |
10 |
14 | |
К50-16 10В |
3 |
0,5 |
1 |
2,8 |
10 |
42 | |
КПК-МП |
1 |
0,6 |
1 |
3 |
10 |
18 | |
Резисторы |
МЛТ-0,25 |
14 |
0,02 |
1 |
2,8 |
10 |
7,84 |
Светодиоды |
АЛС304Б |
5 |
0,3 |
0,8 |
1,4 |
10 |
16,8 |
Пьезоизлучатель |
ЗП-1 |
1 |
0,05 |
0,5 |
2 |
10 |
0,5 |
Кварцевый ген. |
32768 Гц |
1 |
0,01 |
1 |
2 |
10 |
0,2 |
Переключатель |
П2К-6 |
3 |
0,5 |
0,8 |
5 |
10 |
60 |
Диод |
КД512А |
2 |
0,33 |
1 |
1,6 |
10 |
10,56 |
Контакт разъема |
РППМ17-48 |
36 |
0,2 |
1 |
1 |
10 |
72 |
Пайка выводов |
- |
648 |
0,005 |
1 |
1 |
10 |
32,4 |
Печатная плата |
- |
2 |
1 |
1 |
1 |
10 |
20 |
Занесем в таблицу наименования и количество элементов, а также их параметры интенсивность отказов l0Э, коэффициент нагрузки Кн , температурный коэффициент аТ и коэффициент аВ, учитывающий механические воздействия на элемент:
Результирующая интенсивность отказов lР =373,1·10-7 1/ч.
Вероятность безотказной работы за время Т=1 год (прибл. 9000 ч):
, Р(Т) = 0,715
Вероятность того , что в пределах заданной наработки возникнет отказ устройства:
Q(T) = 1- P(T), Q(T) = 0,285
Следует отметить, что время наработки на отказ Т=1/lР = 26802,47 ч.
7. Краткая характеристика
инструмента проектирования
Чертежи выполнены автоматизированным способом с помощью пакета программы ACAD. Этот пакет имеет редакторы печатных плат, принципиальных схем, процедуры автоматической трассировки и размещения, функции логического моделирования, базу данных, библиотеки. Пакет ACAD позволяет проектировать печатные платы, имеющие до 500 элементов и 2000 связей.
Рассмотрим типичную последовательность работы с системой класса Auto Cad при построении простого чертежа
1. Вызываем программу,
для этого набираем на
2. На экране возникает
главное меню, из которого выбираем
функцию "Графический редактор"
3. Теперь мы оказались
в странице графического
4. Теперь с помощью "мыши" или клавишами управления курсором мы можем передвигать его по изображению. Начнем с построения прямой линии. Для этого выберем команду LINE. В командной строке появится подсказка:
"Введите первую точку".
Теперь мы мажем, передвигая
курсор, указать первую точку
и нажать на возврат каретки
или на специальную кнопку, расположенную
на мыши. Теперь появляется подсказка:
"Введите последнюю точку"
и, выполняя те же операции,
мы строим линию. Заметим,
что при перемещении курсора
на экране появляется так
курсор. Это видеть, какая именно линия будет построена при выборе текущей точки экрана в качестве последней точки линии.
5. Пусть, дойдя до края детали, мы хотим провести дугу. Для этого вызываем команду ARC. Редактор просит: "Введите первую точку", "Введите центральную точку" и "Введите последнюю точку". Выбирая эти точки с помощью курсора, мы строим дугу окружности.
6. Продолжаем наши
построения. Предположим, что
возникла необходимость
7. Пусть внешняя граница детали проведена. Начертим в середине детали отверстия. Для этого вызовем команду CIRCLE. Система попросит указать ей центральную точку и радиус и окружность построена.
8. Проставим размеры, для
этого выберем в меню
Список источников:
1. Желонкин А. И., Лекции
по " Теории разработки проектной
и конструкторской
2.Сучков Д.И., Проектирование печатных плат в САПР PCAD 4.5, "Микрос"., 1992 г., 480 стр.
3. ГОСТ 17516.1-90., ГОСТ 16962.2-90., ГОСТ 23216-78.
4.Федоренков А., Басов К., AutoCAD 2000 практический курс, "Десс Ком"., 2000 г., 432 стр.
5. Журнал «В помощь радио-любителю», выпуск 130, Издательство «ДОСААФ СССР», 1994 г.