Разработка блока электронного секундомера

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление

 

Схемотехника узлов  и устройств АСПТГИ является инженерной дисциплиной, которая изучает основы построения и современные технические  решения в области схемотехники узлов и цифровых устройств, которые используются в  компьютеризованных издательских системах и комплексах.

В данной работе разрабатывается блок электронного секундомера.

Секундомер – прибор для измерения  промежутков времени (в секундах и долях секунды, минутах, часах); механические или электронные часы с кнопочно-рычажной системой для  пуска и остановки механизма и возврата указателя (стрелки, цифрового индикатора) в исходное положение [1].

Заданием работы является разработка электронного секундомера с индикацией на цифробуквенных индикаторах (на светоизлучающих диодах),  с ручными запуском и остановкой, и диапазоном измерения времени 0-59 секунд. Механические секундомеры не всегда удобны в использовании, например не всегда можно отчетливо распознать секунды и доли секунд, которые он показывает. С электронными секундомерами такой проблемы не возникает, так как цифробуквенные индикаторы обеспечивают яркие и крупные, по сравнению с механическими секундомерами, изображения единиц времени.

Основными преимуществами электронных  секундомеров являются небольшие (удобные, компактные) габариты, наличие автономного источника питания и стабильность показателей.

Актуальность электронных  секундомеров заключается в том, что это неотъемлемая вещь в быту, технике, спорте и т.д. В полиграфии секундомеры также нашли применение, например в измерении вязкости краски, клея, гладкости бумаги, в измерении времени закрепления (пленкообразования) краски, загона клея, экспонирования (иногда), а также в разных испытаниях полиграфических материалов.

 

1 Выбор основных элементов блока

 

1.1 Выбор упрощенной структурной схемы блока

 

Вариант данной курсовой работы предусматривает  разработку электронного секундомера  с ручным запуском и остановкой, диапазоном измерения времени 0-59 секунд и индикацией на ЦБИ на светоизлучающих  диодах.

Структурная схема электронного секундомера  в данном случае будет состоять из трех основных узлов: управляемого генератора серии импульсов, узла счетчика и узла индикации.

Управление генератором происходит за счет подключения к нему кнопки, при нажатии на которую на вход генератора будет подаваться сигнал логической единицы. Узел счетчика, в свою очередь, состоит из трех счетчиков: двух двоично-десятичных и одного двоично-шестиричного. Они в свою очередь представляют собой счетчик-делитель частоты, счетчик единиц секунд и счетчик десятков секунд; они последовательно соединены друг с другом. Также к каждому счетчику подключается кнопка для установки в нулевое состояние. Для индикации единиц и десятков секунд необходимо два индикатора. Поэтому узел индикации состоит из двух цифро-буквенных индикаторов и двух дешифраторов, которые соединены с индикаторами. Кроме того в схему входят резисторы и конденсаторы, но на структурной схеме они не изображаются. Изображение структурной схемы представлено на рисунке 1.1 и в приложениях.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 – Электронный секундомер.

Структурная электрическая схема

 

 

Условные обозначения на схеме: 

УГСИ – управляемый генератор  серии импульсов;

УСЧ – узел счетчика; 
УИНД – узел индикации;

Кн1 – кнопка №1 – кнопка с фиксацией;

Кн2 – кнопка №2 – кнопка для установки узла счетчика в нулевое состояние;

СДЧ – двоично-десятичный счетчик  – счетчик делитель частоты;

СЕС – двоично-десятичный счетчик  – счетчик единиц секунд;

СДС – двоично-десятичный счетчик  – счетчик десятков секунд

 

1.2 Выбор элементов генератора импульсов

 

Управляемый генератор серии импульсов  с частотой их следования 10 Гц выполняется по схеме мультивибратора на логических элементах ИЛИ-НЕ согласно литературному источнику [2, с.148].

Данный генератор серии импульсов можно спроектировать, используя логические элементы 2ИЛИ-НЕ и 2И-НЕ. В качестве элемента 2ИЛИ-НЕ можно использовать микросхему ЛЕ1 серии К155(ТТЛ) и К555(ТТЛШ) согласно источнику литературы [3]. Для рационального выбора между двумя микросхемами воспользуемся общим критерием сравнения качества – средней работой переключения А.

Микросхемы серии К155ЛЕ1 и К555ЛЕ1 имеют следующие параметры:

 

К155ЛЕ1	К555ЛЕ1
Напряжение питания  Uп = +5В	Напряжение питания  Uп = +5В
Выходное напряжение низкого уровня U°вых ≤ 0,4 В	Выходное напряжение низкого уровня U°вых ≤ 0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня U1вых ≥ 2,4 В	Выходное напряжение высокого уровня U1вых ≥ 2,7 В
Входной ток низкого уровня І0вх ≤ – 1,6 мА	Входной ток низкого уровня І0вх ≤ – 0,36 мА
Входной ток высокого уровня І1вх ≤ 0,04 мА	Входной ток высокого уровня І1вх ≤ 0,02 мА
Ток потребления низкого уровня І0ПОТ ≤ 27 мА	Ток потребления низкого уровня І0ПОТ ≤ 5,4 мА
Ток потребления высокого уровня І1ПОТ ≤ 16 мА	Ток потребления высокого уровня І1ПОТ ≤ 3,2 мА
Время задержки распространения  при включении         t10здр≤ 15 нс	Время задержки распространения  при включении          t10здр ≤ 20 нс
Время задержки распространения  при выключении       t01здр ≤ 22 нс	Время задержки распространения  при выключении       t01здр ≤ 20 нс

 

Сравнение интегральных микросхем  по средней работе переключения  - А.

К155ЛЕ1:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (16 · 10^-3 А + 27 · 10^-3 А)/2 = 21,5 · 10^-3 А = 21,5 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 21,5 · 10^-3 А = 107,5 · 10^-3 Вт = 107,5 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (15 · 10^-9 с + 22 · 10^-9 с)/2 = 18,5 · 10^-9 с = 18,5 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 107,5 · 10^-3 Вт · 18,5 · 10^-9 с = 1988,75 · 10^-12 Дж.

 

К555ЛЕ1:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (3,2 · 10^-3 А + 5,4 · 10^-3 А)/2 = 4,3 · 10^-3 = 4,3 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 4,3 · 10^-3 А = 21,5 · 10^-3 Вт = 21,5 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (20 · 10^-9 с + 20 · 10^-9 с)/2 = 20 · 10^-9 с = 20 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 21,5 · 10^-3 Вт · 20 · 10^-9 с = 430 · 10^-12 Дж.

 

По обобщенному критерию сравнения  средней работы переключения А интегральная схема К555ЛЕ2 является лучшей, поэтому именно она будет использоваться в качестве элемента управляемого генератора.

В качестве элемента 2И-НЕ можно использовать микросхему ЛА3 серии К155(ТТЛ) и К555(ТТЛШ) согласно источнику литературы [3]. Для выбора между двумя микросхемами необходимо использовать также как и для выбора между элементами 2ИЛИ-НЕ, общий критерий сравнения качества – среднюю работу переключения А.

Микросхемы серии К155ЛАЗ и  К555ЛАЗ имеют следующие параметры:

 

К155ЛАЗ	К555ЛАЗ
Напряжение питания  Uп = +5В	Напряжение питания  Uп = +5В
Выходное напряжение низкого уровня U°вых ≤ 0,4 В	Выходное напряжение низкого уровня U°вых ≤ 0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня U1вых ≥ 2,4 В	Выходное напряжение высокого уровня U1вых ≥ 2,7 В
Входной ток низкого уровня І0вх ≤ – 1,6 мА	Входной ток низкого уровня І0вх ≤ – 0,36 мА
Входной ток высокого уровня І1вх ≤ 0,04 мА	Входной ток высокого уровня І1вх ≤ 0,02 мА
Выходной ток низкого уровня І0вых ≤ 16 мА	Выходной ток низкого уровня І0вых ≤ 8 мА
Время задержки распространения  при включении         t10здр≤ 15 нс	Время задержки распространения  при включении          t10здр ≤ 20 нс
Время задержки распространения при выключении       t01здр ≤ 22 нс	Время задержки распространения  при выключении       t01здр ≤ 20 нс
Ток потребления высокого уровня І1пот ≤ 8 мА	Ток потребления высокого уровня І1пот ≤ 1,6 мА
Ток потребления низкого уровня І0пот ≤ 12 мА	Ток потребления низкого уровня І0пот ≤ 4,4 мА

 

Сравнение интегральных микросхем  по средней работе переключения  - А.

К155ЛАЗ:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (8 · 10^-3 А + 12 · 10^-3 А)/2 = 10 · 10^-3 А = 10 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 10 · 10^-3 А = 50 · 10^-3 Вт = 50 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (15 · 10^-9 с + 22 · 10^-9 с)/2 = 18,5 · 10^-9 с = 18,5 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 50 · 10^-3 Вт · 18,5 · 10^-9 с = 925 · 10^-12 Дж.

К555ЛАЗ:

І_{пот. ср.} = (І¹_пот + І⁰_пот)/2 = (1,6 · 10^-3 А + 4,4 · 10^-3 А)/2 = 3 · 10^-3 = 3 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 3 · 10^-3 А = 15 · 10^-3 Вт = 15 мВт;

t_здр.ср = (t¹⁰_здр + t⁰¹_здр)/2 = (20 · 10^-9 с + 20 · 10^-9 с)/2 = 20 · 10^-9 с = 20 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 15 · 10^-3 Вт · 20 · 10^-9 с = 300 · 10^-12 Дж.

 

По обобщенному критерию сравнения  средней работы переключения А интегральная схема К555ЛАЗ является лучшей, поэтому именно она будет использоваться в качестве элемента управляемого генератора.

 

1.3 Выбор элементов собственно цифрового блока

 

Цифровой блок состоит из трех, последовательно соединенных  счетчиков. Они выполняют деление частоты на 10, подсчет единиц и десятков секунд. Для реализации данных операций необходимо наличие двоично-десятичных счетчиков и двоично-шестиричного счетчика.

 В качестве двоично-десятичного счетчика можно использовать микросхему ИЕ2 серии К155(ТТЛ) или К555(ТТЛШ) согласно источнику литературы [3]. Для того чтобы выбрать из этих микросхем наиболее подходящую, воспользуемся общим критерием сравнения качества – средней работой переключения А.

Микросхемы серии К155ИЕ2 и К555ИЕ2 имеют следующие параметры:

К155ИЕ2	К555ИЕ2
Напряжение питания  Uп = +5В	Напряжение питания  Uп = +5В
Выходное напряжение низкого уровня U0вых ≤ 0,4 В	Выходное напряжение низкого уровня U0вых ≤ 0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня U1вых ≥ 2,4 В	Выходное напряжение высокого уровня U1вых ≥ 2,7 В
Входной ток низкого уровня І0вх ≤ – (1,6...3,2) мА	Входной ток низкого уровня І0вх ≤ – (0,4...3,2) мА
Входной ток высокого уровня І1вх ≤ 0,04...0,16 мА	Входной ток высокого уровня І1вх ≤ 0,02...0,08 мА
Ток потребления Іпот=53 мА	Ток потребления Іпот=15 мА
Время задержки распространения  при включении         t1.0здр≤ 100 нс	Время задержки распространения  при включении          t1.0здр ≤ 50 нс
Время задержки распространения  при выключении       t0.1здр ≤ 100 нс	Время задержки распространения  при выключении       t0.1здр ≤ 48 нс

 

Сравнение интегральных микросхем  по средней работе переключения – А .

К155ИЕ2:

І_{пот. ср.} = І_пот = 53 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 53 · 10^-3 А = 265 · 10^-3 Вт = 265 мВт;

t_здр.ср = (t^1.0_здр + t^0.1_здр)/2 = (100 · 10^-9 с + 100 · 10^-9 с)/2 = 100 · 10^-9 с = 100 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 265 · 10^-3 Вт · 100 · 10^-9 с = 26500 · 10^-12 Дж.

К555ИЕ2:

І_{пот. ср.} = І_пот = 15 мА;

Р_пот.ср. = U_п · І_{пот. ср.} =  5В · 15 · 10^-3 А = 75 · 10^-3 Вт = 75 мВт;

t_здр.ср = (t^1.0_здр + t^0.1_здр)/2 = (50· 10^-9 с + 48 · 10^-9 с)/2 = 49 · 10^-9 с = 49 нс;

А _пер.ср = Р_{пот. ср}  · t_здр.ср = 75 · 10^-3 Вт · 49 · 10^-9 с = 3675 · 10^-12 Дж.

 

По обобщенному критерию сравнения  средней работы переключения А интегральная схема К555ИЕ2 является лучшей, поэтому  именно она будет использоваться в качестве основного элемента цифрового  блока.

Как двоично-шестиричный счетчик можно использовать микросхему ИЕ4 серии ТТЛ согласно источнику литературы [3]. Микросхема ИЕ4 – четырехразрядный двоичный счетчик-делитель.

Основные параметры счетчика К155ИЕ4:

 

К155ИЕ4

Напряжение питания  Uп = +5В

Выходное напряжение низкого уровня U0вых ≤ 0,4 В

Выходное напряжение высокого уровня U1вых ≥ 2,4 В

Входной ток низкого уровня І0вх ≤ – (1,6...6,4) мА

Входной ток высокого уровня І1вх ≤ 0,04...0,16 мА

Ток потребления Іпот=51 мА

Время задержки распространения  при включении         t1.0здр≤ 100 нс

Время задержки распространения  при выключении       t0.1здр ≤ 100 нс

 

 

1.4 Выбор элементов узла индикации

 

В узел индикации входят дешифраторы  и цифро-буквенные индикаторы. В качестве цифро-буквенного индикатора выберем одноразрядный цифровой индикатор АЛС335Б с высотой цифры 11мм из семи сегментов с децимальной точкой. Цвет свечения индикатора – зеленый. Он изготавливается на основе светодиодных структур из фосфида галлия по эпитаксиально-диффузионной технологии, выпускается в пластмассовом корпусе массой не более 2,5 г. Данный цифровой индикатор является индикатором с разъединенными катодами (см. рисунок 1.2), поэтому подберем подходящий для его управления дешифратор [2]. КР514ИД2 – дешифратор в пластмассовом корпусе четырехразрядного двоичного кода в сигналы 7-сегментного кода; предназначен для управления полупроводниковыми 7-сегментыми цифро-буквенными индикаторами на основе светоизлучающих диодных структур с разъединенными катодами [2].