Разработка 2 вариантов формирователя аналогового напряжения сложной формы

1.  Задание на курсовую работу. 

Необходимо разработать 2 варианта формирователя аналогового  напряжения сложной формы, используя  аппаратный и программный способы  реализации устройства. Первый вариант  базируется на использовании устройства на интегральных логических элементах малого уровня интеграции, второй- на использовании микропроцессорной системы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.  Аппаратный способ реализации 

Структурная схема  формирователя аналогового напряжения при аппаратном способе реализации изображена на рис. 2.1 и состоит из генератора тактовых импульсов - ГТИ, счетчика импульсов - СТ, преобразователя кода - ПК и цифроаналогового преобразователя - ЦАП. 

 

Рис 2.1   Структура устройства при аппаратной реализации. 
 

С выхода ГТИ периодическая последовательность тактовых импульсов с периодом следования Т_с поступает на вход суммирующего счетчика СТ, на выходе которого в каждом такте формируется четырехразрядный код Q₄Q₃Q₂Q₁. Затем с помощью преобразователя кода ПК последовательность кодов Q₄Q₃Q₂Q₁ преобразуется в последовательность восьмиразрядных кодов y_8... y_1, которые обеспечивают на выходе цифроаналогового преобразователя ЦАП требуемое напряжение u(t).

Для внешнего управления счетчиком используются сигналы  установки начального состояния счетчика x₁ и остановки счета x₂ (табл. 2.1), которые могут поступить в любые моменты времени (асинхронный ввод). 

Управление  счетчиком.

                                                                                                          Таблица 2.1

 
 

2.1    Индивидуальное задание на разработку устройства . 

Код варианта задания:

АBCDEF=473120 

Значения разрядов :

A - определяет модуль счета счетчика К в соответствии с вариантом : 

А=4, т. е. К=11  

B - определяет вид аналогового напряжения на выходе ЦАП , которое задается в виде уровней Uⁿ в К равноотстоящих точках периода Т=КТ_с ; между точками напряжение постоянно и равно u(t)=Uⁿ  при t_n £ t£ t_n+1 где t_n - момент переключения счетчика в n-е состояние. Для варианта B=7 значения аналогового     напряжения на выходе ЦАП приведены в таблице 2.2., а временная диаграмма на рис. 2.2..    

                                                                                                                         Таблица 2.2

 
 
 
 

Рис 2.2   Временная диаграмма напряжения на выходе ЦАП. 

С- определяет значение длительности одной ступеньки напряжения

     на  выходе ЦАП:

С=3, т. е. T_c=1,3сек..

Остальные разряды  кода задания относятся только к  микропроцессорной реализации устройства и будут расшифрованы в соответствующем разделе.

   
 

  2.2    Синтез схемы управляемого счетчика. 

      Управляемый счетчик импульсов  выполняется на базе микросхемы  К155ИЕ5 - четырехразрядного двоичного  суммирующего счетчика с модулем  счета К=16. Так как по заданию К=11, то необходимо организовать принудительный сброс счетчика в начальное состояние Q⁰=0 по достижению им К-го состояния. Для расчета схемы сброса необходимо представить число К четырехразрядным двоичным кодом,  и из выходных сигналов счетчика, которые соответствуют единичным разрядам кода К , сформировать сигнал сброса R₀.

Однако необходимо предусмотреть также внешний  сброс счетчика, который в соответствии с заданием (табл. 2.1) должен производиться  сигналом x₁=0. Поэтому сигнал сброса  R₀ должен зависеть от сигналов x_1, Q_4, Q_2,Q₁ в соответствии с таблицей 2.3: 

                                                                                     Таблица 2.3

 

Определив функцию  R₀(x_1,Q₄,Q₂,Q₁) и, минимизируя ее с помощью карты Карно, получим : 
 
 
 
 
 

 

Переходим к  базису И-НЕ с помощью формулы  де-Моргана 

  :

 

Схема управляемого счетчика приведена на рис 2.3. 

 
 

Рис 2.3   Схема управляемого счетчика   ( Q⁰=0 , K=11 ) 
 

Сигнал x₂ при x₂ =0 обеспечивает остановку счета, так как при этом С₁=0.

Причина применения в качестве Э3.1 элемента 4И-НЕ с объединенными  входами будет описана при  расчете числа корпусов микросхем и потребляемой мощности.  
 

3.    Расчет цифровых последовательностей. 

Сигналы на выходе преобразователя кода ПК являются входными для ЦАП.

В схеме рис. 2.1 используется ЦАП , линейно преобразующий 8-разрядный двоичный код в диапазоне от Y_min=0000 0000₍₂₎ до Y_max=1111 1111₍₂₎ в напряжении соответственно от U_min= -5,12 В до U_max= 5,12 В.

Расчет цифровых кодов  Yⁿ, соответствующих уровням напряжения  Uⁿ , производится по формуле:

                        ,

где - целая часть числа N и -напряжение, соответствующее единице младшего разряда ЦАП : .

( - число уровней квантования при использовании 8-разрядного кода). 
 
 

Например, для  Uⁿ =0 В получим:

  .

Аналогично для  других  n  получим:

 

 

Далее переводим  Yⁿ в двоичный и 16-ричный коды.

Например, для Y⁰=128₍₁₀₎ :