Разработка блока электронного секундомера

 

Электрические и световые параметры АЛС335Б при Т_окр=25˚C

Сила света одного сегмента при I_пр=20 мА, не менее 0,25 мкд

Цвет свечения – зеленый 

Постоянное прямое напряжение на сегменте при I_пр=20 мА, не более 3,5 В

  Максимум спектрального распределения излучения на длине волны – 0,56-0,57 мкм

Разброс значений силы света сегментов одного индикатора, не более 3 раз

 

Электрические параметры  КР514ИД2 при Т_окр=25˚C

Входной ток в состоянии логического 0 при U_вх=0,4 В, не более –

1,6 мкА

Входной ток в состоянии логической 1 при U_вх=0,4 В, не более 70 мкА

Выходное напряжение логического 0 при I_вых=20 мА – 0,4 В

Выходной ток в состоянии  логической 1 при U_вых=10 В, не более

250 мкА

Ток потребления, не более 50 мА

 

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема ЦБИ АЛС335Б 
2. Расчет схемы индикации

 

Для расчета узла индикации используем один светоизлучающий диод цифро-буквенного индикатора.

 

       

 

 

 

Рис.2. – Эквивалентная схема подключения светодиода к выходу

дешифратора.

 

Для индикации секунд в работе был выбран цифро-буквенный индикатор на основе светодиодных структур АЛС335Б и дешифратор КР514ИД2. Воспользуемся основными параметрами данных микросхем для расчета.

Параметры микросхемы КР514ИД2 и индикатора АЛС335Б такие:

 

КР514ИД2	АЛС335Б
Напряжение питания: Uп = +5 В	Сила света: Iv=0,25 мкд
Выходное напряжение низкого уровня: U0вых = 0,4 В	Постоянное прямое напряжение: Uпр ≤ 3,5В
	Номинальный постоянный ток: Iпр.ном = 20 мА

Для индикации светодиода HL необходимо обеспечить прохождение прямого тока І_пр.ном = 20 мА по цепи U_п–R1–НL. При этом на дешифраторе будет падать напряжения U⁰_вых = 0,4 В, а на светодиоде HL будет падать напряжение U_пр = 3,5 В.

Общее падение напряжения на микросхеме составит:

U_общ = U⁰_вых + U_пр = 0,4 В + 3,5 В = 3,9 В

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

U_Rогр = U_п – U_общ = 5 В – 3,9 B = 1,1 В

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

R_огр= U_Rогр/I_пр.ном = 1,1 В / 20 ·10^-3 А = 55 Ом

При этом мощность, выделяемая на резисторе, составит:

P_Rогр = U_Rогр ·I_пр.ном = 1,1 В · 20 ·10^-3 А = 22 · 10^-3 Вт = 22 мВт

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

 

В данной работе используются четырехразрядные двоично-десятичные счетчики – К555ИЕ2 и двоичный счетчик-делитель К155ИЕ4.

Внутренняя структура, цоколевка  и условное обозначение микросхемы К555ИЕ2 приведены на рисунке 3.1.

 

Рисунок 3.1 – Структура, условное обозначение и цоколевка

микросхемы ИЕ2

Микросхема ИЕ2 – четырехразрядный двоично-десятичный счетчик. Счетчик К555ИЕ2 состоит из четырех комбинированных триггеров типа JK. Первый триггер может работать самостоятельно и образует делитель входной последовательности импульсов с коэффициентом деления К_д=2. Тактовый вход первого триггера CO (вывод 14) инверсный динамический, поэтому переключение триггера происходит спадом входного импульса, а выход QO – вывод 12. Остальные три триггера образуют синхронный делитель на пять (К_д=5). Тактовые входы C1 (вывод 1) инверсные динамические, управляются синхронно спадом входного импульса.

Счетчик имеет два входа  R для синхронного сброса (обнуления), это выводы 6 и 7, а также два синхронных входа предварительной установки двоичного кода (1001=9), выводы 2 и 3. Входы R и S с логикой 2И-НЕ на входе. Входы синхронного сброса R1 и R2 запрещают действие импульсов по всем тактовым входам и входам предварительной установки. Импульс, поданный на вход R, производит сброс данных по всем триггерам одновременно. Подача напряжения на входы S1 и S2 запрещает прохождение тактовых сигналов, а также сигналов от входов R1 и R2 на счетчик. На выходах устанавливается код 1001=9. Так как выход первого триггера внутренне не соединен с последующими тремя триггерами, то возможны несколько независимых режимов работы.

В данной работе ИЕ2 используется как счетчик-делитель входной частоты на 10. Для этого необходимо вывод 11 (выход последнего триггера) соединить с выводом 14 (тактовый вход первого триггера) внешней перемычкой. Входная тактовая последовательность подается на тактовый вход трех последующих триггеров (вывод 1), а выходная последовательность снимается с первого триггера (вывод 12). Она имеет вид меандра (скважность равна 2) [3].

Режим работы ИЕ2 можно проследить по таблице 3.1 – таблице состояний – это сброс выходных сигналов в нуль, установка предварительного кода 1001=9 и счет. В таблице 3.2 также дается последовательность двоично-десятичного счета в счетчике ИЕ2.

 

 

Входы сброса и установки				Выходы
R1	R2	S1	S2	Q1	Q2	Q3	Q4
1	1	0	×	0	0	0	0
1	1	×	0	0	0	0	0
×	×	1	1	1	0	0	1
0	×	0	×	Счет
×	0	×	0	Счет
0	×	×	0	Счет
×	0	1	×	Счет

 

Таблица 3.1 – Состояния счетчика ИЕ2

Счет	Выходы
	Q1	Q2	Q3	Q4
0	0	0	0	0
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	1	1	0	0
4	0	0	1	0
5	1	0	1	0
6	0	1	1	0
7	1	1	1	0
8	0	0	0	1
9	1	0	0	1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.2 – Последовательность двоично-десятичного счета в ИЕ2

 

Внутренняя структура, цоколевка  и условное обозначение микросхемы К155ИЕ4 приведены на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Структура, условное обозначение  и цоколевка микросхемы ИЕ4

 

Счетчик К155ИЕ4 состоит из четырех JK-триггеров, образующих два независимых делителя на 2 и на 6. Счетчик имеет два входа R для синхронного сброса (обнуления), выводы 6 и 7. Входы R имеют на входе логику И-НЕ. Тактовые входы инверсные динамические, поэтому переключение триггеров происходит спадом тактового импульса.

Когда счетчик используют как делитель на 6 входную последовательность импульсов подают на тактовые входы двух последующих триггеров (вывод 1), а выходная последовательность снимается с выхода третьего триггера (вывод 9) [3].

Состояние счетчика и последовательность счета даны в таблице 3.3 и 3.4.

Входы сброса		Выходы
R1	R2		Q0	Q	Q	Q
1	1		0	0	0	0
0	1		Счет
1	0		Счет
0	0		Счет

 

Таблица 3.3 – Состояния счетчика ИЕ4

 

Счет	Выходы
	Q0	Q1	Q2	Q3
0	0	0	0	0
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	1	1	0	0
4	0	0	1	0
5	1	0	1	0

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.4 – Последовательность двоично-десятичного  счета в ИЕ4

 

3.3 Описание работы узла индикации

 

Узел индикации включает в себя дешифраторы, резисторы и цифро-буквенные  индикаторы. Все эти элементы были выбраны в предыдущих разделах.

Как уже говорилось, микросхема КР514ИД2 – дешифратор четырехразрядного  двоичного кода в сигналы 7-сегментного  кода. Он предназначен для управления полупроводниковыми 7-сегментыми цифро-буквенными индикаторами на основе светоизлучающих  диодных структур с разъединенными катодами. Графическое изображение микросхемы приведено ниже на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Микросхема КР514ИД2:

а – функциональная схема; б –  принципиальная электрическая схема  выходных каскадов; в – схема  выходов; г – условное графическое обозначение

Назначение выводов:

D₀ – D₃ – информационные входы;

Г – вход гашения;

A, B, C, D, E, F, G – выходы, подключаемые к сегментным индикаторам;

16 – U_пит;

8 – общий.

Дешифрирование входных сигналов происходит при установлении высокого логического уровня на входе Г. Для этого обозначим вывод 4 инверсным и заземлим его. При этом входной информации (на выводах D₃, D₂, D₁, D₀) 0000 будет соответствовать выходная (на выводах A, B, C, D, E, F, G) 0000001, что обусловливает возбуждение на индикаторе символа . Дальнейшие логические соответствия входной и выходной информации и отображаемого символа следующие:

0001-1001111 (1)

0010-0010010 (2)

0011-0000110 (3)

0100-1001100 (4)

0101-0100100 (5)

0110-0100000 (6)

0111-0001111 (7)

1000-0000000 (8)

1001-0000100 (9)

Цифро-буквенные индикаторы на основе светодиодов представляют собой  интегральную микросхему из диодных  структур и необходимых электрических  соединений. Одноразрядные индикаторы позволяют воспроизвести любую цифру от 0 до 9 [2].

Схематическое изображение индикатора алс335б подано  на рисунке 3.4.

 

Рисунок 3.4 – Изображение индикатора алс335б

 

3.4 Описание работы блока в целом

 

После включения питания блока  необходимо нажать на кнопку Кн2 для  установки всех триггеров УСЧ в нулевое состояние. После первого нажатия на кнопку Кн1 генератор УГСИ начинает вырабатывать серию импульсов с частотой F1=10 Гц и периодом Т1=0,1 с. Указанная серия импульсов поступает на СДЧ. Счетчик СДЧ делит входную частоту F1 на 10 с периодом на выходе Т2=1с. Секундные импульсы поступают на последовательно соединенные счетчики СЕС и СДС. В определенный момент времени в узле счетчиков УСЧ будет находится код пропорциональный длительности времени поступления импульсов. Узел индикации обеспечивает индикацию на ЦБИ текущего кода узла УСЧ. После второго нажатия на кнопку Кн1 генерация импульсов в УГСИ прекратится и в узле счетчика будет зафиксирован конечный код длительности процесса, а узел индикации УИНД обеспечит его индикацию на ЦБИ на СИД.

 

выводы

 

В ходе выполнения курсовой работы были изучены теоретические положения, раскрывающие проектирование схем цифровых блоков, выбор основных элементов  блока.

Был разработан блок электронного секундомера  с индикацией на цифробуквенных индикаторах  с ручным запуском и остановкой секундомера, диапазоном измерения временя – 0-59 секунд. Для этого были выбраны микросхемы для каждого узла блока,  а именно для узла генератора, узла счетчика и узла индикации. Выбор каждого элемента был объяснен и, если было необходимо, проводилось сравнение микросхем разных серий. Также было приведено описание работы каждого узла по отдельности и блока в целом. Был произведен расчет схемы индикации, приведена временная диаграмма работы узла счетчика, разработаны структурная электрическая и принципиальная электрическая схемы блока. Во время выполнения задания была произведена активная работа с учебной литературой, список которой приведен в перечне литературы.