Гольмаков А.А.

Разработка цифрового устройства

Гольмаков

Алексей

Александрович,

студент

направления

«Электронные

промышленные

устройства»,

филиал

ФГБОУ

ВО

«Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г.Смоленск

Работа посвящена синтезу асинхронного цифрового автомата на RS-

триггерах. Разработана структурная, функциональная и принципиальная

схемы устройства, рассчитаны её элементы. Произведено моделирование

работы устройства. Построены временные диаграммы и описан принцип его

работы.

Разработка устройства будет осуществлять на датчике

GL-5516.

В

данном датчике меняется электрическое сопротивление при попадании света

на

светочувствительную

поверхность.

При увеличении освещенности,

сопротивление на датчике падает, при отсутствии увеличивается. Также

датчик фиксирует наличие или отсутствие освещения . Разрабатываемым

устройством будет контролироваться освещенность в помещении.

Измеряемый датчиком диапазон –– от

0 до 10 лк .

Согласно заданию необходимо синтезировать асинхронный автомат на

RS-триггерах согласно графу переходов (рис. 1 .1).

Рисунок 1.1 — Граф переходов

Переходы в графе осуществляются по сигналам a, b, c и d (табл. 1 .1),

где входные сигналы a, b, c ― кнопки; d ― сигнал с датчика; F

1

и F

2

―

выходные сигналы.

Тaблица 1.1 ― Условия переходов

S1

→ S2

S2

→ S3

S3

→ S1

S3

→ S4

S4

→ S3

S1

→ S5

S5 →

S2

b

∗

d

b

c

∗

b

a

b

d

∗

a

d

Также необходимо предусмотреть вывод сигнала с датчика на внешнее

устройство в двоичном коде. Для преобразования аналогового сигнала с

датчика в цифровой нужно использовать 14 битный АЦП конвейрный.

Разработка

принципиальной

схемы

начинается

с

построения

структурной и функциональной схем.

Для

проверки

работоспособности

разрабатываемого

устройства

необходимо провести моделирование в программе Micro-Cap 9 и получить

временные диаграммы работы основных узлов.

1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Рисунок 2.2 — Схема электрическая структурная

Блок «Датчик» формирует напряжение на входе АЦП в диапазоне в

зависимости

от

освещенности

в

помещении.

Согласно

datasheet

на

используемый датчик GL-5516 в зависимости от освещенности изменяется

сопротивление датчика, вследствие чего изменяется напряжение на выходе

датчика.

В соответствии с

datasheet

на заданный датчик при значении

освещенности в 10 лк величина выходного напряжения с датчика равна 0.8 В.

При освещенности в 5 лк–– 4.8 В.

Блок

«АЦП»

преобразует

аналоговое

напряжение

на

входе

в

четырнадцатиразрядный двоичный код. С выхода АЦП предусмотрен вывод

сигнала на внешнее устройство.

Блок

«Компаратор

кодов»

производит

сравнение

четырнадцатиразрядных двоичных кодов с выходов АЦП и формирует на

выходе высокий логический уровень при освещенности менее 5 лк.

Сигналами с блока «Компаратор кодов» и «Кнопки» происходит управление

блоком «Автомат».

2 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Для вычитания постоянной составляющей необходимо предусмотреть

в схеме резистивный делитель и последующее усиление полученного

сигнала.

Вычисляется коэффициент усиления для усилителя DA1:

K

=

U

OUT

¿ ¿

где

U

OUT

−

выходное напряжение усилителя ;

U

¿

+¿ ¿

– напряжение на входе усилителя при 6 атмосферах;

U

¿

−¿ ¿

– напряжение на входе усилителя при 0 атмосфер.

Т.к сигнал усиливать нет необходимости то на усилитель подключать

резистор не нужно (рис. 3.1).

На усилителе DA1 максимальное напряжение с датчика

𝑈𝑜𝑢𝑡

, равное

4.8 В. Минимальное напряжение 0.8 В. Это напряжение необходимо подать

на инверсный выход усилителя, настроив резистивный делитель так, чтобы

напряжение на выходе было равно 0.8 В, в этом случае резистивный делитель

играет роль вычитателя, чтобы минимальное напряжение, поступающее на

вход АЦП, было равно 0 В.

Для того, чтобы задать напряжение 0,8 В, используется резистивный

делитель.

Принимается R5 = 3 кОм, тогда

R

6

=

5

∗

R

5

−

V

∗

R

5

V

= 571

Ом

≈ 550Ом ,

где

V

¿

=¿

5 В –– напряжение на входе делителя;

Рисунок 3.1 — Схема включения усилителей

На основе разработки подключения усилителей была разработана

функциональная схема устройства (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 — Схема электрическая функциональная

Так как опорное напряжение должно обладать высокой стабильностью,

необходимо

воспользоваться

схемой

стабилизации

напряжения.

Формирование опорного напряжения в схеме осуществляется с помощью

источника, преобразователя и опорного сопротивления R. Опорный резистор

выбирается таким образом, чтобы формировалось опорное напряжение

нужной величины. Из достоинств выбранной схемы — это полностью

линейная зависимость напряжения от сопротивления датчика. Опорное

напряжение поступает на вход усилителя DA1 и на АЦП. В АЦП входное

напряжение сравнивается с опорным и на основании этой разницы

формируется соответствующий цифровой сигнал на выходе.

Усилитель DA1 и вычитатель DA2 формируют входное напряжение

АЦП в диапазоне от 0 В

до значения опорного напряжения. На АЦП

происходит

преобразование

аналогового

напряжения

в

четырнадцатиразрядное двоичное. Далее на компараторе кодов происходит

сравнение четырнадцатиразрядных двоичных кодов с выходов АЦП и

формирует на выходе высокий логический уровень при освещенности менее

5 лк, тем самым определяя сигнал d.

Сигналами с кнопок SB1 – SB3 и сигналом, формирующимся на выходе

компараторов кодов, происходит управление автоматом.

При

нажатии

на

кнопку

форма

сигнала

должна

быть

строго

прямоугольной, но в реальных условиях происходит множество мгновенных

переключений. Поэтому для кнопок была предусмотрена защита от дребезга.

Основной метод исключения ложного срабатывания, возникшего в связи с

дребезгом

контактов,

это

фильтрация.

Для

этого

нужно

соединить

переключатель

через

фильтр

нижних

частот

(RC-фильтр),

который

сглаживает

изменения

напряжения

и

благодаря

этому

не

возникает

кратковременных переключений. Таким образом, цифровой логический

уровень по умолчанию равен 0 до тех пор, пока не будет нажата кнопка, и

вывод логического уровня не станет высоким.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

В программе схемотехнического моделирования Micro-Cap 9 строится

схема моделирования подключения датчика к шестнадцатиразрядному АЦП

(рис. 4.1). Так как в задании на курсовую работу необходимо использовать

четырнадцатиразрядный АЦП, а в составе библиотеки Micro-Cap 19 его

модели нет, то в 16-ти разрядном не будем использовать два младших

разряда, так как младшие разряды отвечают за очень малые изменения

напряжения на уровне помех и наводок сети. Два младших разряда

отбрасываем для увеличения помехоустойчивости устройства.

Преобразование обеспечивает соответствие дискретного отсчета х(t)

значению кода N. Разрядность АЦП n характеризует количество дискретных

значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Количество

уровней квантования определяется как N

max

= 2

n

.

Рисунок 4.3 ― Схема моделирования работы АЦП

В пункте 2 были приведены граничные значения напряжения на выходе

усилителя для заданных величин освещенности. Для каждого из этих

напряжений

рассчитывается

N

и

переводится

полученное

число

в

четырнадцатиразрядное двоичное:

N

1

=

N

max

∙ U

0

U

ref

=

2

14

∙ 28 ∙10

−

3

2,5

≈166

10

=

00000010100110

2

;

N

2

=

N

max

∙ U

2

U

ref

=

2

14

∙ 4

2,5

≈16383

10

=

01001111111011 ;

Проводится моделирование для каждого рассчитанного напряжения на

входе АЦП и сравниваются полученные двоичные числа с работой схемы

(рис. 4 .4).

а

б

Рисунок 4.4 ― Результаты моделирования работы АЦП, где а – при 0 лк.; б – при

5лк.;

Рассчитанные значения на выходах АЦП соответствуют результатам

моделирования.

На вход d цифрового автомата подаётся сигнал с АЦП. Так как сигнал

на выходе АЦП четырнадцатиразрядный, то необходимо его преобразовать к

такому виду, чтобы высокий уровень на входе d

присутствовал при

освещенности менее 5 лк (при напряжении на входе АЦП до 0,8 В).

Для этого создаётся система сравнения четырнадцатиразрядных кодов

на цифровых компараторах, которая будет сравнивать текущее значение на

выходах АЦП с рассчитанными граничными значениями (рис. 4 .5).

Рисунок 4.5 ― Схема включения компараторов кода

Компараторы DD1, DD2, DD3 и DD4 выделяют числа большие или

равное, чем граничное значение при 0,8 B. Сигнал с выходов AEQBO

компараторов DD1 и DD4 поступает на элемент логического 2ИЛИ. На

выходе 2ИЛИ присутствует сигнал высокого уровня, если напряжение на

входе АЦП меньше либо равно 0,8 B (рис. 4 .6).

Рисунок 4.6 ― Работа компараторов кодов

Синтезированный компаратор кодов

работает

в

соответствии

с

заданием на курсовую работу. Высокий уровень на его выходе формируется

при освещенности менее 5 лк , иначе на выходе формируется низкий

уровень.

Согласно

графической

схеме

переходов

(рис.1.1)

производится

синтезирование асинхронного автомата на RS-триггерах. Автомат имеет

четыре входа a, b, c –– кнопки и d –– сигнал с датчика, которые могут

принимать значения логического 0 и 1, и два выхода F

1

и F

2

.

Выбирается состояние S

1

как начальное и кодируются состояния графа

по коду Грея, при необходимости вводя дополнительное состояние. Для

данного графа введём состояние S

0

, как дополнительное (рис. 4 .5).

Рисунок 4.5 ― Граф переходов

В соответствии с графом переходов (8 = 2

3

устойчивых состояний) для

синтеза устройства понадобится три RS-триггера.

Объединяем состояния в области (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 ― Граф переходов с объединенными состояниями

В каждой области выписываем входящие (S) и выходящие (R) из нее

переходы. Таким образом, получаем входные и выходные переходы для

каждой области.

В

соответствии

с

вышеприведенными

правилами

составляются

переходы RS-триггеров:

S

1

=

1 Q

3

Q

2

+

Q

3

Q

2

b ;

R

1

=

Q

3

Q

2

da

+

Q

3

Q

2

a ;

S

2

=

Q

3

Q

1

c b ;

R

2

=

Q

3

Q

1

b d

+

Q

3

Q

1

d ;

S

3

=

Q

2

Q

1

b ;

R

3

=

Q

2

Q

1

1;

Для отображения всех переходов графа зададим генератор входных

сигналов так, чтобы автомат задерживался в каждом из состояний. На основе

переходов RS-триггера и графа переходов кодируем входные сигналы

следующим образом (табл. 4.1).

Таблица 4.1 ― Таблица задания генератора сигналов

Время расчёта

abcd

S

n

+0 us

0001

011

+1000 us

0100

001

+2000 us

1000

101

+3000 us

0111

011

+4000 us

0100

001

+5000 us

1000

101

+6000us

0000

100

+7000us

1100

101

+8000us

0111

011

+9000us

1001

010

+10000us

0100

001

+11000us

1000

101

+12000us

0111

011

+13000us

1001

010

+14000us

0100

001

+15000us

1000

101

+16000us

0000

100

+17000us

1100

101

+18000us

0111

011

Выходной сигнал F

1

формируется, когда автомат находится в состоянии

S

2

, поэтому он может быть образован из кода этого состояния 001 (рис. 4.6).

Таким образом, выражение для выходной функции F

1

записывается в

следующем виде:

F

1

=

Q

3

Q

2

Q

1

.

Выходной сигнал F

2

формируется, когда автомат находится в состоянии

S

3

, поэтому он может быть образован из кода этого состояния 110 (рис. 4.6).

Выражение для выходной функции F

2

записывается в следующем виде:

F

2

=

Q

3

Q

2

Q

1

.

По табл. 4.1 и по полученным выше выражениям для выходных

функций F

1

и F

2

составляется схема моделирования синтезированного

автомата в среде схемотехнического моделирования программы Micro-Cap 9

(рис. 4.7).

Рисунок 4.7 ― Схема моделирования асинхронного автомата

При определённых значениях на входах a,

b,

c

и d

получаются

соответствующие им значения состояний по табл. 4.1. Из чего следует

вывод, что все переходы графа были реализованы верно. Выходы автомата

работают корректно, выделяя заданные ранее сигналы.

Рисунок 4.8 ― Временные диаграммы работы асинхронного автомата

По полученным временным диаграммам (рис. 4.8) видим, что автомат

проходит все заданные в исходном графе состояния и на выходах F

1

и F

2

выделяет заданные состояния. Работа синтезированного асинхронного

автомата на RS-триггерах соответствуют заданию на курсовую работу.

На вход АЦП подаётся аналоговый сигнал таким образом, чтобы на

выходе компараторов кодов сформировался цифровой сигнал. Для этого в

источнике V

3

задаётся следующий сигнал (рис. 4.9).

Рисунок 4.9 ― Входной сигнал с датчика

Далее проводится синхронизация сигнала d, сформированного на

выходе компараторов и сигнала dd, сформированного ранее на входе

асинхронного автомата. При этом получается следующий сигнал d (рис.

4.10).

Рисунок 4.10 ― Синхронизация сигнала d

Сформированный

компараторами

сигнал

подаётся

на

вход

d

синтезированного асинхронного автомата и проводится проверка работы

устройства (рис. 4.11).

Рисунок 4.11 ― Временные диаграммы работы асинхронного автомата

В случае, когда сигнал d формируется на выходе компаратора кодов,

также реализуются все переходы автомата. Следовательно, устройство было

синтезировано верно.

4 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

В соответствии с заданием на курсовую работу используется датчик

GL5516.

Данный

датчик

давления

обладает

следующими

основными

параметрами:



диапазон измеряемых величин: +150...-100 кПа;



погрешность: ±0.2%;



потребляемый ток 1 мА;



рабочая температура: -40...+125 c.

По заданию на курсовую работу и в соответствии с номером по

журналу

успеваемости

нужно

использовать

АЦП

с

конвейерным

интерфейсом, имеющее не менее 14 разрядов. Был выбран АЦП ADC14C080,

согласно datasheet

на найденный элемент, он имеет все указанные

характеристики, а так же обладает дополнительными параметрами:



величина опорного напряжения – 2,5 В;



диапазон внешнего напряжения от 2 В до 5 В.

В ходе расчетов

были найдены минимальное

и максимальное

выходные напряжения, которые соответственно равны 73 мВ и 2,5 В. Был

выбран усилитель INA326 для усиления напряжения с датчика с основными

параметрами, которые удовлетворяют нашим требованиям:



выходное напряжение : от 10 мВ от 5,5 В;



однополярное входное напряжение : от 2,7 В до 5,5 В.

Для

выделения

заданного

диапазона

напряжений

должны

использоваться компараторы, с напряжением питания ― 5 В. Были выбраны

компараторы MC74HC85N с основными параметрами:



прямой выходной интерфейс с CMOS, NMOS и TTL;



диапазон рабочего напряжения: от 2 до 6 В;



низкий входной ток: 1 мкА;



высокая помехозащищенность CMOS-устройств;



4-ёх разрядный.

При разработке принципиальной схемы были использованы элементы

поверхностного монтажа. SMD резисторы и SMD конденсаторы выбраны в

соответствии с рядом номиналов Е96.

Для устройства была разработана принципиальная схема, приведенная

в приложении Г и оформлен пакет конструкторской документации.