Проектирование измерителя временного интервала

Характеристика цифровых методов измерения интервалов времени. Разработка структурной и функциональной схем измерительного устройства. Применение детекторов фронтов для формирования импульсов начала и окончания счета. Проектирование устройства отображения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1

СумГУ

Курсовая работа

по теме: «Проектирование измерителя временного интервала»

Выполнил: Пашко А.Н

группа ЭС-52

Проверил: Протасова Т.А.

Содержание

Введение

1. Методы измерения временных интервалов

2. Разработка структурной и функциональной схем устройства

3. Разработка принципиальной схемы устройства

3.1 Выбор элементной базы

3.2 Проектирование схем выделения фронтов временного интервала

3.3 Проектирование генератора

3.4 Проектирование делителей частоты

3.5 Синтез вычитающего двоично-десятичного счётчика с порядком счёта 8421+6 на D-триггерах

3.6 Проектирование устройства отображения

3.6.1 Синтез преобразователя кода

3.6.2 Синтез параллельного регистра с однофазным приёмом данных

3.7 Проектирование параллельно-последовательного преобразователя

3.8 Проектирование устройства управления

3.8.1 Синтез счётчика с коэффициентом пересчёта 16

3.8.2 Разработка схемы сброса

3.8.3 Разработка линии задержки

Заключение

Список литературы

Введение

Цифровая схемотехника - отрасль науки, техники и производства, которая связана с разработкой, исследованием, проектированием и изготовлением электронных систем, где преобразование и обработка информации происходит по закону дискретной функции. Промышленное развитие цифровой схемотехники имеет два направления: энергетическое (силовое), связанное с преобразованием постоянного и переменного токов для нужд металлургии, электротяги, электроэнергетики, и информационное, к которому принадлежат аудио- и видеоаппаратура, средства телекоммуникации, измерения, контроля и регулирования технологических процессов производств научных исследований в технических и гуманитарных сферах.

Обмен информацией в электронных системах осуществляется с помощью сигналов. Носителями сигналов могут быть разные физические величины - токи, напряжения, магнитные состояния, световые волны. Выделяют аналоговые (непрерывные) и дискретные сигналы.

Дискретные сигналы проще сохранять и обрабатывать, они меньше подвержены искажениям. Такие искажения проще выявить и исправить. Поэтому дискретные сигналы чаще используют на практике, чем непрерывные. Существуют два типа дискретных сигналов. Первый получен за время дискретизации по уровням или за время непрерывных сигналов; второй - в виде набора кодовых комбинаций знаков, чисел или слов.

Преобразование непрерывного информационного множества аналоговых сигналов на дискретное множество называется дискретизацией. Вторая подача в виде кодовых комбинаций слов является более универсальной и распространенной. Ее используют для кодирования человеческой речи на бумаге, в математике, в цифровой электронике.

Вероятно, что в недалеком будущем цифровая электроника займет монопольное положение на рынке электронных систем и устройств. Сегодня цифровые персональные компьютеры и контроллеры практически вытеснили аналоговые электронные вычислительные машины. То же самое происходит и с аппаратурой радиосвязи, радиовещания и телевидения (телевизорами, радиоприемниками, видеомагнитофонами, звукозаписями, фотоаппаратурой).

Полностью вытеснить аналоговую технику цифровая в принципе не сможет, потому что физические процессы, от которых электронная система получает информацию, имеют аналоговую природу; в этом случае на входе и выходе нужны цифроаналоговые и аналого-цифровые устройства.

Цифровая схемотехника - отрасль науки, техники и производства, которая связана с разработкой, исследованием, проектированием и изготовлением электронных систем, где преобразования и обработка информации осуществляется по закону дискретной функции. Промышленное развитие цифровой схемотехники имеет два направления: энергетический (силовой), связанный с преобразованием постоянного и переменного токов для нужд металлургии, электротяги, электроэнергетики, и информационный, которому принадлежат аудио- и видеоаппаратура, средства телекоммуникации, измерения, контроля и регулирования технологических процессов производств научных исследований в технических и гуманитарных сферах.

Цифровое измерительное устройство - это средство измерений, в котором значение измеряемой физической величины автоматически представляется в виде числа, индуцируемого на цифровом отсчетном устройстве, или в виде совокупности дискретных сигналов - кода.

1. Методы измерения временных интервалов

Существуют следующие методы электронного измерения интервалов времени по способу отображения информации:

- осциллографические;

- цифровые.

К цифровым методам измерения интервалов времени относятся:

-метод последовательного счёта;

-метод задержанных совпадений;

-нониусный метод;

-методы с промежуточным преобразованием.

Рассмотрим особенности каждого из перечисленных методов измерения.

Сущность метода последовательного счёта заключается в представлении измеряемого интервала ф_изм в виде последовательности некоторого количества импульсов, следующих друг за другом с определённым интервалом времени ф_о. По количеству импульсов этой последовательности, называемой квантующей, судят о длительности интервала. Количество импульсов квантующей последовательности является цифровым кодом интервала времени ф_изм. На рисунке 1.1 приведена временная диаграмма при методе последовательного счёта.

Рисунок 1.1 - Временная диаграмма при методе последовательного счёта

а) импульсы квантующей последовательности;

б) импульсы определяющие начало и конец измеряемого интервала времени;

в) управляющий импульс;

г) импульсы на входе селектора

Устройство, реализующее этот метод, называют преобразователем последовательного счёта. Функциональная схема устройства приведена на рисунке 1.2. Алгоритм его работы следующий. На временной селектор поступают импульсы с генератора квантующей последовательности. Временной селектор управляется прямоугольным импульсом, длительность которого равна измеряемому интервалу ф_изм. Управляющий импульс формируется блоком формирования.

Рисунок 1.2 - Функциональная схема преобразователя последовательного счёта

При наличии управляющего импульса через селектор проходят импульсы квантующей последовательности, которые затем регистрируются счетчиком.

Недостатком метода является недостаточная во многих случаях точность. Для повышения точности необходимо уменьшать промежуток ф_о или каким-либо образом учитывать интервалы Дф₁ и Дф₂. Уменьшение промежутка ф_о требует повышения быстродействия пересчётных схем, что трудноосуществимо. Интервал Дф₁ можно свести к нулю, если выполнить синхронизацию импульсов квантующей последовательности стартовым импульсом. Для учёта интервала Дф₂ существуют различные методы.

Нониусный метод. Нониусный метод нашел широкое применение в технике измерения интервалов времени как в качестве средства уменьшения погрешности преобразователей последовательного счета, так и в качестве самостоятельного метода построения некоторых измерительных устройств.

На рисунке 1.3 приведена функциональная схема измерителя интервалов времени с нониусным методом уменьшения погрешности Дф₂ и с синхронизацией стартового импульса (Дф₁ =0).

Рисунок 1.3 - Функциональная схема измерителя временных интервалов по нониусному методу

Схема работает следующим образом. Импульсы с генератора квантующей последовательности поступают на входы схем совпадения и на вход делителя частоты. Делитель частоты формирует импульсы, синхронные с квантующей последовательностью и служащие для запуска исследуемых устройств. Одновременно импульсы делителя открывают схему совпадения, выходные импульсы которого регистрируются счетчиком грубого отсчета.

Генератор нониусных импульсов запускается стоповым импульсом. Генерируемые им импульсы с периодом

ф_и = (n-1)/n,

где n - целое число, поступают на другой вход схемы совпадений и одновременно регистрируются счетчиком точного отсчета.

Через некоторый промежуток времени, зависящий от длительности участка ф₀-Дф₂, произойдет совпадение импульсов квантующей и нониусной последовательностей. Импульс схемы совпадения блокирует генератор нониусных импульсов. Очевидно, что количество импульсов, зарегистрированных счетчиком, пропорционально длительности участка ф₀-Дф₂.

Измеренный интервал ф_изм можно выразить в виде

Ф_изм=(N-N_н) ф₀+ N_н Дф_н, (1.1)

где N - показания счетчика грубого отсчета;

N