Цифровой измеритель расхода воздуха (стр. 4 из 5)
3 Разработка структурной схемы устройства
Наиболее близкий к проектируемому устройству по выполняемым функциям является прибор, который предназначен для непрерывного контроля расхода воздуха в вентиляционной трубе Смоленской АЭС. Принцип работы системы основан на подсчёте количества импульсов датчика за определённое время. Время устанавливается при тарировке прибора таковым, чтобы количество поступивших импульсов было пропорциональным расходу воздуха. Состояние счётчика отображается на цифровых индикаторах.
Проектируемое устройство должен состоять из следующих блоков:
1. Первичный преобразователь;
2. Входной формирователь;
3. Генератор импульсов;
4. Управляемый делитель частоты;
5. Коммутатор;
6. Устройство коррекции;
7. Счётчик импульсов;
8. Устройство индикации.
Структурная схема расходомера приведена на рис. 3.1
Входной формирователь выделяет полезный сигнал из сигнала первичного преобразователя и формирует прямоугольные импульсы.
Входной формирователь состоит из входного повторителя, фильтра нижних частот, порогового элемента. На рис. 3.2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы входного формирователя.
Сигнал с первичного преобразователя поступает на входной повторитель, далее на фильтр нижних частот с частотой среза 35 Гц. Пороговый элемент преобразует синусоидально изменяющееся напряжение в прямоугольные импульсы и ограничивает их сверху и снизу на логических уровнях.
Рис. 3.1 Структурная схема расходомера.
Рис. 3.2 Временные диаграммы:
1– сигнал после первичного преобразователя; 2 - входного повторителя; 3 – фильтра нижних частот; 4, 5 – порогового элемента.
Генератор импульсов состоит из задающего генератора и счётчика. Задающим генератором задаётся исходная частота прямоугольных импульсов, равная 32768 Гц. С выхода счётчика снимаются импульсные сигналы частотой 1024; 512; 64 Гц, используемые в различных устройствах прибора.
Управляемый делитель частоты используется, как делитель частоты с переключаемым коэффициентом деления. Подключая входы, элементы сравнения к выходам соответствующих разрядов делителя, можно получить любой коэффициент деления от 1 до 9999 и соответственно время цикла измерения от 1/64 сек. до 156 сек.
За время такта (1/64 сек.) в коммутатор поступает 8 импульсов 512 Гц. На выходах коммутатора последовательно появляются импульсы длительностью 1/512 сек. (рис. 3.3).
Рис. 3.3 Временные диаграммы.
1 – импульсы после устройства коррекции; 2, 3, 4 – коммутатора; 5 - управляемого делителя частоты.
Устройство коррекции посылает пачку импульсов в счётчик.
Счётчик импульсов предназначен для подсчёта числа импульсов, поданный на её вход из устройства коррекции.
Устройство индикации служит для вывода информации о текущем расходе на индикаторы.
4 Разработка принципиальной схемы
Отечественная промышленность выпускает обширную номенклатуру интегральных микросхем. Цифровые микросхемы включают в себя логические и арифметические устройства, триггеры, запоминающие устройства и микропроцессорные комплекты.
В основу классификации цифровых микросхем положены следующие признаки: вид компонентов логической схемы (биполярные, униполярные), способ соединения полупроводниковых приборов в логическую схему и вид связи между логическими схемами.
По этим трём признакам логические микросхемы классифицируются: РТЛ – схемы, входная логика которых осуществляется на резисторных цепях; РЕТЛ – схемы с резисторно-емкостными связями; ДТЛ – схемы, входная логика которых осуществляется на диодах; ТТЛ и ТТЛШ – схемы, входная логика которых выполняется многоэмиттерным транзистором; НСТЛМ – схемы с непосредственными связями на МОП-структурах; И2Л – схемы с совмещёнными транзисторами (интегрально-инжекционные логические).
РТЛ, РЕТЛ, и ДТЛ – схемы первого поколения микросхем низкочастотные с малой степенью интеграции снимаются с производства, появившиеся И2Л (серия К583 и др.), наоборот завоёвывают прочные позиции как наиболее перспективные биполярные схемы для БИС.
В основном цифровые микросхемы относятся к потенциальным схемам: сигнал на их входе и выходе представляется высоким и низким уровнями напряжений. Этим состояниям сигнала ставится в соответствие логические значения «1» и «0». К числу электрических параметров, которые достаточно полно характеризуют эти микросхемы различных серий и позволяют сравнивать их между собой, относятся: напряжение питания и логические уровни, потребляемая мощность и помехоустойчивость, нагрузочная способность и быстродействие.
Широкое применение для построения устройств автоматики и вычислительной техники находят цифровые микросхемы ТТЛ - серий К155, К555, К531. Эти микросхемы обеспечивают построение различных цифровых устройств, работающих на частотах до 50 МГц, однако, их существенным недостатком является большая потребляемая мощность. В ряде случаев, где не нужно такое высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, находят применение интегральные микросхемы серий К176 и К561.
Микросхемы серий К176 и К561 изготовляются по технологии комплементальных транзисторов структуры металл – окисел – полупроводник (КМОП). Основной особенностью микросхем является ничтожное потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА.
Номинальное напряжение питания микросхем серии К176 9 В + 5%, однако, они сохраняют работоспособность в диапазоне питающих напряжений 5…12 В. Для микросхем серии К561 гарантируется работоспособность при напряжение от 3 до 15 В.
Микросхемы серий К561 являются современными, они превосходят микросхемы серии К176 по всем параметрам, однако номенклатура микросхемы серии К561 лишь частично совпадает с номенклатурой микросхем серии К176. Полностью микросхемы серии К561 заменить микросхемы серии К176 не могут.
Расходомер реализован на четырнадцати микросхемах серии К561 и одной микросхем серии К176.
На основании выбранной структурной схемы разработана принципиальная схема расходомера. Основные узлы, входящие в состав расходомера, представлены на принципиальной схеме.
Входной формирователь выполнен на операционном усилителе К153УД2 (рис. 4.1). Сигнал с первичного преобразователя поступает на входной повторитель DA1, далее на фильтр нижних частот DA2 с частотой среза 35 Гц. Пороговый элемент DA3 чувствительность устанавливается с помощью R9, преобразует синусоидально изменяющее напряжение в прямоугольные импульсы. Элемент R14, VD1 ограничивает их сверху и снизу на логических уровнях.
Рис. 4.1 Входной формирователь.
Генератор импульсов состоит из задающего генератора и делителя частоты (рис. 4.2). На базе логических элементов цифровых устройств можно сконструировать задающий генератор. Задающий генератор собран на кварцевом резонаторе с частотой 32768 Гц, микросхемах DD1.1. и DD1.2., резисторах R1, R2 и конденсаторах C1, C2. Конденсаторы С1 и С2 служат для подстройки точного значения частоты. Микросхема DD1.2 необходима для получения стандартных импульсов. Резистор R1 определяет глубину обратной связи, а R2 – нагрузку элемента DD1.1. Для построения делителя частоты можно взять классическую схему – на D-триггерах. Для упрощения схемы используем не отдельные логические элементы, а специализированный счётчик делитель. Счётчик DD3 представлен микросхемой К561ИЕ16 – четырнадцатиразрядный двоичный счётчик с последовательным переносом. У микросхемы два входа – вход установки начального состояния R и вход для подачи тактовых импульсов С. Установка триггеров счётчика в 0 производится при подаче на вход R лог. 1, счёт – по спадам импульсов положительной полярности, подаваемых на вход С. Коэффициент деления микросхемы составляет 214 = 16384. С задающего генератора поступает исходная частота 32768 Гц на вход С в счётчик DD3. С выхода счётчика снимаются импульсные сигналы частотой 1024; 512 и 64 Гц.
Рис. 4.2 Генератор импульсов.
Управляющий делитель частоты DD1.3, DD1.4, DD2, DD4, DD6, DD7, DD9 собран на микросхеме К561ЛН2 и К561ИЕ8. Существует два способа объединения в много разрядные счётчики: с параллельным и последовательным переносом. Достоинство параллельного переноса в его высоком быстродействие, а недостаток в усложнение схемы, т.е. с использованием дополнительных элементов И-НЕ. Преимущество последовательного переноса в простоте схемы. Отсутствие повышенных требований к быстродействию позволяет выбрать счётчик с последовательным переносом, что экономически целесообразно.
Все выводы всех разрядов счётчика - делителя DD2, DD4, DD7, DD9 выведены на наборное поле. Фрагмент схемы показан на рисунке 4.3.
Микросхемы К561ИЕ8 удобно использовать в делителях частоты с переключаемым коэффициентом деления. В момент пуска на вход CP микросхемы DD2 начинают поступать счётные импульсы частотой 64 Гц. Переключателем S1 устанавливают единицы необходимого коэффициента пересчёта, переключателем S2 – десятки, переключателем S3 – сотни, переключателем S4 – тысячи. При достижении счётчиками DD2, DD4, DD7, DD9 состояния, соответствующего положениям переключателей, на всех
