Разработка принципиальной схемы устройства

Содержание

 

Введение

1 Обзор аналогичных устройств

2 Обоснование выбранного варианта технического решения

3 Разработка принципиальной схемы устройства

4 Разработка алгоритма и программы функционирования устройства

5 Результаты эмуляции программы в пакете VMLAB

6 Анализ временных соотношений и оценка погрешностей

Выводы

 

 

Введение

 

В наше время в сфере радиоэлектроники находят широкое применение такие устройства, как микроконтроллеры, представляющие собой микропроцессорную систему, реализованную в виде интегральной микросхемы. В микроконтроллер возможно записать любую программу-прошивку, определяющую алгоритм функционирования устройства на базе микроконтроллера, что позволяет использовать микроконтроллеры практически во всех устройствах, где используется обработка цифровых сигналов. В качестве иллюстрации возможностей применения микроконтроллеров при проектировании радиотехнических устройств, в данном курсовом проекте приводится пример проектирования линейно нарастающего генератора с изменяемой частотой от 5 до 20 Гц с шагом 5 Гц, а также с дискретно меняющейся амплитудой от 0.5 до 5 Вольт, подстройка которой осуществляется двумя кнопками. Индикация амплитуды генерируемых сигналов осуществляется с помощью ЖКИ.

 

 

Обзор аналогичных устройств

 

Прежде, чем приступить к рассмотрению проектирования генератора на основе МК, приведем краткий обзор аналогичных вариантов реализации генератора линейно нарастающего напряжения. Кроме МК, генератор импульсов можно реализовать на базе обычного двухтранзисторного симметричного мультивибратора. Достоинства такого варианта заключаются в отсутствии необходимости писать программу для МК, недостатки же заключаются в том, что в аналоговых генераторах труднее добиться идеальной формы фронтов импульса, а также обеспечить наиболее точную подстройку частоты вследствие разброса номиналов элементов схемы генератора. Индикация амплитуды с помощью ЖКИ несет усложнение такой схемы и неизбежность применения микроконтроллера с АЦП. Еще один вариант заключается в использовании логических элементов, соединенных последовательно в неинвертирующий усилитель и применении RC-цепочки для создания положительной обратной связи. Недостаток такой схемы заключается в ее усложнении по сравнению с мультивибратором, а вопрос с индикацией решается путем еще большего усложнения устройства. Наконец, схема генератора на базе МК обладает неоспоримыми преимуществами: простотой (генерирование и управление индикацией осуществляется с помощью одной микросхемы), хорошей формой генерируемого сигнала, а также широкими возможностями по точной подстройке частоты и амплитуды сигнала.

 

2. Обоснование выбранного варианта технического решения

 

В данной работе для реализации генератора на базе МК будут использованы такие элементы, как микроконтроллер, ЦАП, ЖКИ и управляющие кнопки. Необходимость использования ЦАП вызвана тем, что амплитуду сигналов проектируемого генератора можно будет изменять. ЦАП же позволяет формировать сигналы произвольной формы путем подачи цифрового кода мгновенного значения напряжения сигнала на его вход. В качестве ЖКИ используется индикатор на базе контроллера HD44780, который является фактически промышленным стандартом и на базе которого производятся большинство ЖКИ. В качестве МК выбрана модель AT90S8515 (AVR-микроконтроллер семейства Classic фирмы Atmel). Будучи выпущенным несколько лет назад, такой МК имеет небольшую стоимость, но в его составе есть все необходимые для разработки генератора компоненты (4 8-разрядных ПВВ, 8-разрядный таймер-счетчик, ядро с рабочими частотами до 16 МГц).

 

Выводы

 

В итоге выполнения курсового проекта была разработана схема генератора линейно нарастающего напряжения, а также был составлен алгоритм и текст программы функционирования МК. Полученное устройство обладает следующими характеристиками:

– частота сигнала устанавливается в 4 фиксированных значения

(5, 10, 15 и 20 Гц) 4-мя кнопками. Погрешность значения частоты не превышает 0.5%;

– амплитуда сигнала изменяется в пределах от 0.5 до 5 Вольт 2-мя кнопками увеличения и уменьшения амплитуды через 0.1 Вольт;

– индикация амплитуды осуществляется с помощью ЖКИ на базе контроллера HD44780.

Проверка работоспособности устройства эмулировалась в программе VMLAB, позволяющей описать схему электрическую принципиальную устройства, ввести текст программы функционирования устройства, а также осуществить визуальный контроль над генерируемым сигналом и проверку работы устройства в различных режимах.

Содержание

 

Введение

1 Обзор аналогичных устройств

2 Обоснование выбранного варианта технического решения

3 Разработка принципиальной схемы устройства

4 Разработка алгоритма и программы функционирования устройства

5 Результаты эмуляции программы в пакете VMLAB

6 Анализ временных соотношений и оценка погрешностей

Выводы

 

 

Введение

 

В наше время в сфере радиоэлектроники находят широкое применение такие устройства, как микроконтроллеры, представляющие собой микропроцессорную систему, реализованную в виде интегральной микросхемы. В микроконтроллер возможно записать любую программу-прошивку, определяющую алгоритм функционирования устройства на базе микроконтроллера, что позволяет использовать микроконтроллеры практически во всех устройствах, где используется обработка цифровых сигналов. В качестве иллюстрации возможностей применения микроконтроллеров при проектировании радиотехнических устройств, в данном курсовом проекте приводится пример проектирования линейно нарастающего генератора с изменяемой частотой от 5 до 20 Гц с шагом 5 Гц, а также с дискретно меняющейся амплитудой от 0.5 до 5 Вольт, подстройка которой осуществляется двумя кнопками. Индикация амплитуды генерируемых сигналов осуществляется с помощью ЖКИ.

 

 

Обзор аналогичных устройств

 

Прежде, чем приступить к рассмотрению проектирования генератора на основе МК, приведем краткий обзор аналогичных вариантов реализации генератора линейно нарастающего напряжения. Кроме МК, генератор импульсов можно реализовать на базе обычного двухтранзисторного симметричного мультивибратора. Достоинства такого варианта заключаются в отсутствии необходимости писать программу для МК, недостатки же заключаются в том, что в аналоговых генераторах труднее добиться идеальной формы фронтов импульса, а также обеспечить наиболее точную подстройку частоты вследствие разброса номиналов элементов схемы генератора. Индикация амплитуды с помощью ЖКИ несет усложнение такой схемы и неизбежность применения микроконтроллера с АЦП. Еще один вариант заключается в использовании логических элементов, соединенных последовательно в неинвертирующий усилитель и применении RC-цепочки для создания положительной обратной связи. Недостаток такой схемы заключается в ее усложнении по сравнению с мультивибратором, а вопрос с индикацией решается путем еще большего усложнения устройства. Наконец, схема генератора на базе МК обладает неоспоримыми преимуществами: простотой (генерирование и управление индикацией осуществляется с помощью одной микросхемы), хорошей формой генерируемого сигнала, а также широкими возможностями по точной подстройке частоты и амплитуды сигнала.

 

2. Обоснование выбранного варианта технического решения

 

В данной работе для реализации генератора на базе МК будут использованы такие элементы, как микроконтроллер, ЦАП, ЖКИ и управляющие кнопки. Необходимость использования ЦАП вызвана тем, что амплитуду сигналов проектируемого генератора можно будет изменять. ЦАП же позволяет формировать сигналы произвольной формы путем подачи цифрового кода мгновенного значения напряжения сигнала на его вход. В качестве ЖКИ используется индикатор на базе контроллера HD44780, который является фактически промышленным стандартом и на базе которого производятся большинство ЖКИ. В качестве МК выбрана модель AT90S8515 (AVR-микроконтроллер семейства Classic фирмы Atmel). Будучи выпущенным несколько лет назад, такой МК имеет небольшую стоимость, но в его составе есть все необходимые для разработки генератора компоненты (4 8-разрядных ПВВ, 8-разрядный таймер-счетчик, ядро с рабочими частотами до 16 МГц).

 

Разработка принципиальной схемы устройства

 

Как уже было сказано выше, основными компонентами схемы генератора являются микроконтроллер, ЦАП, ЖКИ и управляющие кнопки. ЦАП имеет 8 входов, на которые подается цифровой код сигнала, и выход, с которого снимается аналоговый сигнал. В данном случае было решено подключить входы ЦАП к 8-разрядному порту С микроконтроллера. Управляющие кнопки делятся на 2 кнопки регулировки амплитуды и 4 кнопки установки частоты. Кнопки регулировки амплитуды были подключены к выходам 2 и 3 порта D, которые являются входами внешних прерываний INT0 и INT1. Кнопки установки частоты подключены к выводам 4, 5, 6 и 7 порта D.

ЖКИ подключается к микроконтроллеру 11-ю выводами. 8 из них являются шиной данных и подключаются к порту А. Оставшиеся 3 вывода являются управляющими: вывод RS определяет, что передается по 8-разрядной шине: команды или данные (коды отображаемых символов) и подключен он к нулевому выходу порта В, вывод R/W определяет режим чтения / записи шины данных, и подключается к первому выходу порта В, по выводу Е подаются стробирующие импульсы, сопровождающие процессы чтения или записи, подключен выход Е к выводу 2 порта В. Также у МК есть выводы XTAL1 и XTAL2, к которым подключается кварцевый резонатор. Схема генератора электрическая принципиальная приведена на чертеже, прилагающемся к пояснительной записке. Проектный файл программы VMLAB, описывающий схему устройства электрическую принципиальную, приведен в приложении А.