Разработка модернизированного лабораторного стенда

Узел оперативно - запоминающего устройства (ОЗУ) реализован на микросхеме DD13. Входы адресной шины подключены к выходной шине счетчика DD3. Входы данных подключены к переключателям S5 - S8. Вход разрешения записи - вход WE задается через переключатель S13, вход выбора кристалла - вход CS - задается переключателем S9. Входные и выходные логические уровни индицируются светодиодами HL63, HL75 - HL83.

Узел аналого-цифрового и цифро-аналогового устройств ( соответственно АЦП и ЦАП) выполнен на микросхеме DA1 типа К551УД2А, в которую входят два операционных усилителя (ОУ) - DA1.1 и DA1.2. ЦАП реализован на ОУ DA1.1, подключенный инверсным входом к сопротивлениям R89-R92, соединенные в свою очередь с выходной шиной счетчика DD3. Выходной сигнал снимается с гнезда Х50. АЦП реализован на той же схеме ЦАП с подключением ко входу счетчика DD3 "прямой счет" элемента И-НЕ, к которому подключены формирователь и ОУ DA1.2 выходом через инвертор. ОУ DA1.2 работает в качестве аналогого компаратора, на один из входов которого подается изменяющееся, с помощью сопротивления R1, входное напряжение. Аналоговый компаратор реализован, как уже было сказано выше, на ОУ DA1.2. В этих работах на стенде используются гнезда Х46 - Х51.

Коммутация всех лабораторных работ осуществляется галетным переключателем S14. Он подключает напряжение питания (+5 В) секцией S14.1 или общий провод секцией S14.2 для подачи напряжения на светодиоды соответствующей лабораторной работы. При включении логики ("Л"), что соответствует проведению лабораторной работы "логические элементы" плюс 5 В (через S14.1:1) подается на светодиоды HL30, HL32, HL33, HL35. Во всех остальных положениях переключателя S14.1 питание подается на светодиод HL34, так как он используется во всех лабораторных работах, кроме работы "логические элементы". На индикаторную матрицу питание подается только в положении S14.1:6 при изучении работы дешифратора. На светодиоды HL31, HL36 - HL47 и HL4 - HL13 питание подается только в соответствующих положениях переключателя S14.2. ("Ф", "Т", "Р"), поскольку при других работах эти узлы не используются. На светодиоды HL24, HL25 питание подается в положениях S14.2 "С", "Д", "П", "ALU", "RAM" и "ЦАП и АЦП", для чего используются развязывающие диоды VD3 - VD5. На остальные светодиоды счетчика DD3 и светодиоды мультиплексора, ALU питание подается только в соответствующих положениях переключателя   S14.2.    Светодиоды    HL75 - HL78             питание плюс 5 В подается в положении переключателя S14.1:10, это сделано из-за того что выходы микросхемы инверсные, остальные светодиоды HL63, HL79 - HL83 подключаются к питанию через переключатель в положении S14.2:10.

Около каждой микросхемы установлены конденсаторы С2 - С14. Они служат для уменьшения высокочастотных пульсаций по цепям питания и предотвращают возможное появление высокочастотной генерации микросхем. Для уменьшения низкочастотных пульсаций служит электролитический конденсатор С1, емкостью 500 мкФ.

В схеме предусмотрены также формирователь логической "1", собранный на транзисторе VT (КТ815А) и стабилитроне VD2 (КС147А). Он собран по схеме простейшего стабилизатора напряжения, и особенностей не имеет. Этот узел необходим, поскольку напряжение плюс 5 В нельзя непосредственно подавать на входы микросхем (допускается подача на вход U<=4,5 В по ТУ). В условиях изменяющейся нагрузки (кнопки и переключатели могут быть в разных положениях, подключая различное количество цепей со светодиодами) одинаковую яркость свечения светодиодов в любой ситуации может обеспечить только стабилизатор напряжения.

В схеме предусмотрена параллельная защита от неправильного включения источника питания. Она содержит стабилизатор VD1 (КС156А) и предохранитель F1 на 0,5 А.

В нормальном режиме работы, то есть когда напряжение на входе включено в правильной полярности и не превышает   5,6 В, стабилитрон VD1 закрыт, и не оказывает никакого влияния на работу остальной части схемы. Если же напряжение на входе превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD1 (5,6 В), последний входит в режим лавинного пробоя и ограничивает подаваемое на остальную часть схемы напряжение на уровне, не превышающем 6 В. Поскольку ограничивающее сопротивление отсутствует, то ток через предохранитель и стабилитрон течет большой, и поэтому предохранитель быстро расплавляется, разрывает питание схемы.

Похожие процессы происходят и при неправильном подключении полюсов источника питания. Предохранитель F1 и в этом случае также быстро расплавляется, разорвав питание схемы.

Для питания стенда необходим внешний источник питания с Uпит=5 В + 0,5 В и током не менее 0,5 А.

2.3. Электрический расчет принципиальной схемы

2.3.1. Расчет дешифратора.

Дешифратор - это электронный узел, осуществляющий микрооперацию      преобразования       сигналов          входного

n  -  разрядного кода числа в выходной сигнал на одной из m=2  

выходных шин. Сигналы, соответствующие переменным входного кода - Х1, Х2, ... Хn, выходные сигналы дешифратора - Y1, Y2, ... Ym   ,Ym.

          Дешифраторы являются узлами комбинационного типа, в которых каждой комбинации входных аргументов соответствует одна и только одна единичная выходная функция. Выходные функции дешифратора описываются следующей системой логических выражений:

          Y1=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn  *Xn                                        (2.3.1)

          Y2=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn  *Xn                                        (2.3.2)

          Yi=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn  *Xn                                          (2.3.3)

          Ym  =X1*X2* ... *Xi* ... *Xn  *Xn                                      (2.3.4)

          Ym=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn  *Xn                                        (2.3.5)

          Из системы уравнений следует, что для построения дешифратора, преобразующего n - разрядный двоичный код, необходимо иметь m электронных логических элементов И с n входами каждый. Функциональная схема линейного дешифратора построена для случая n=3 на рис.2.3.1.

2.3.2. Расчет мультиплексных схем.

Мультиплексные схемы собираются из мультиплексора или демультиплексора.

Мультиплексор - коммутатор, передающий информацию с  N - входов на один из выходов в зависимости от двоичного адреса.

Демультиплексор - узел, последовательно распределя-ющий по выходам сигналы, поступающие на его вход. Т.е. передает информацию с единственного входа на один из  N - выходов в зависимости от двоичного адреса. С помощью демультиплексора можно осуществить поочередное включение  и выключение устройств. Используя это свойство можно экономить на количестве шин.

Схема уплотнения каналов :

Мультиплексор устанавливается со стороны передатчика информации, поступающей на входы D1 - D4 при этом количество информационных шин , где А - число адресных входов.

Демультиплексор устанавливается со стороны приемника информации, причем на его выходах Q1 - Q4  информация воспроизводится поочередно. Таким образом число шин канала связи K = A + 1 (адресные шины плюс одна информационная). Такая схема позволяет экономить шины канала связи в количестве δ = J - K.

Например, при А = 4 мультиплексная схема способна передать  двоичное  слово,  содержащее  16   разрядов  ( ); δ = 16 - (4+1) = 11, т.е. экономится 11шин.

2.4. Расчет надежности устройства

          2.4.1. Исходные данные.

          Электрическая схема устройства и перечень ее элементов. Режимы работы всех элементов. Интенсивность отказов всех элементов в нормальных условиях эксплуатации при нормальной нагрузке.     Условия эксплуатации:

- лабораторные;

- температура окружающей среды: 20 ± 5 градусов ;

- диапазон относительных давлений: 630 - 800 мм рт.ст.;

- влажность: 60 ± 15 процентов. Средняя наработка до первого отказа не менее: 60000 часов.

          2.4.2. Расчет электрической нагрузки элементов.

                                                                                      Таблица 2.1

Карта рабочих режимов резисторов

                                                                                      Таблица 2.2

Карта рабочих режимов конденсаторов

                                                                                      Таблица 2.3

Карта рабочих режимов светодиодов

1	2	3	4