Синтез цифрового управляющего устройства

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Промышленная электроника»

Синтез цифрового управляющего устройства.

пояснительная записка по курсовому проекту

по дисциплине «Электронные промышленные устройства»

Студент: Макоткин М.С.

Группа: Э405

Вариант: 13

Преподаватель: Шевцов А.А.

Тольятти 2005

Содержание

1.Техническое задание

2.Описание функциональной схемы

3.Разработка принципиальной схемы цифрового управляющего устройства

4.Разработка конструкции цифрового управляющего устройства

Вывод

Литература

1.ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Спроектировать устройство, управляющее полупроводниковыми ключами и содержащий в своём составе цифровой автомат. Необходимо разработать цифровой автомат, выбрать тип электронного ключа и рассчитать его в зависимости от параметров коммутируемого сигнала, а также рассчитать его в зависимости от параметров коммутируемого сигнала и обеспечить гальваническую развязку между ключом и управляющими цепями.

Данные для расчёта цифрового управляющего устройства приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Входные и выходные сигналы управляющего устройства.

Длительность квазистационарных состояний цифрового управляющего устройства 30 мс. Элементы, определяющие внутренние состояния цифрового автомата - D-триггеры.

Коммутируемая цепь является цепью переменного тока напряжением U=600В и силой тока I=15А.

2.ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

На основании технического задания разработали функциональную схему цифрового управляющего устройства (рис.2.1).

Она состоит из входных цепей, цифрового автомата Мили, задающего генератора, определяющего длительность квазиустойчивых состояний автомата, выходных цепей.

В свою очередь цифровой автомат состоит из последовательностной и комбинационных частей.

Граф цифрового автомата приведён на рис.2.2.

3.РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

3.1 Разработка цифрового автомата.

3.1.1 Выбор типа логических элементов

С целью уменьшения стоимости цифрового управляющего устройства и увеличении его скорости переключения из одного состояния в другое, а так же повышения его надёжности в качестве логических элементов выбрали транзисторно-транзисторную логику на элементах с переходом Шоттки серии КР1533 и КМ555 (ТТЛШ-логика). Параметры выбранной серии микросхем приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Основные электрические параметры микросхем серии КР1533 и КМ555(1)

3.1.2 Расчёт гальванической развязки на входах и выходах цифрового автомата

С целью защиты входа цифрового автомата от статического потенциала произвели гальваническую развязку входов и выходов его от внешних цепей.

В качестве неё выбрали схему, построенную на транзисторной оптопаре (рис.3.1).

Выходной транзистор оптоэлектронного прибора работает в качестве параллельного ключа, поэтому при высоком уровне напряжения на входе фототранзистор находит в насыщении, напряжение на выходе оптопары имеет низкий уровень, то есть происходит инверсия сигнала.

Структурная схема цифрового управляющего устройства

Рис.2.1.

Граф цифрового автомата.

Рис.2.2.

Схема гальванической развязки

Падение напряжения насыщенного фототранзистора мало, следовательно, при логической единице на входе источник питания, подсоединённый к выходу, будет закорочен. Для ограничения тока, протекающего через насыщенный фототранзистор, поставили резистор R2. Резистор R1 выполняет роль ограничителя тока на входе оптоэлектронного прибора.

3.1.2.1 Выбрали оптопару гальванической развязки

В качестве оптопары выбрали из (2) прибор АОТ-101БС. Параметры выбранного прибора приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2.

Параметры выбранного оптоэлектронного прибора.

Входная и передаточная характеристики оптопары приведена на рис.3.1 и 3.2 соответственно.

3.1.2.2 Рассчитали сопротивление резисторов R1 и R2

1) задались падением напряжения на светодиоде в открытом состоянии:

U_вх=1.25 В

2) по вольтамперным характеристикам (рис.3.2) для температуры 25⁰С определили величину входного тока оптопары:

I_вх=5 мА

3) рассчитали сопротивление резистора R₁:

 (3.1)

где U_1H=5 – напряжение высокого уровня ТТЛШ-логики, В;

U_вх=1.25 – выбранное напряжение на входе оптопары, В;

I_вх =5∙10^-3 – ток на входе оптопары, мА.

4) из условия насыщения биполярного транзистора (ток коллектора должен быть в 3-5 раз больше, чем отношение тока на входе оптопары к коэффициенту передачи тока) рассчитали ток коллектора:

 (3.2)

где К_I=0.5 – коэффициент передачи тока оптопары при входном токе I_вх=5мА.

5) сопротивление резистора R2:

 (3.3)

где U_сс=5 – напряжение питания, В;

I_к=7.5∙10^-3 – выбранный ток на выходе оптопары (ток проходящий через резистор), мА;

U_нас=0.4 – напряжение насыщения фототранзистора (2), В.

3.1.2.3.Из (3) выбрали номинальные сопротивления резисторов R1 и R2:

R₁=750 Ом, R₂=620 Ом.

3.1.2.4.Рассчитали мощности, рассеиваемые на резисторах R1 и R2

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1:

Входные вольтамперные характеристики АОТ-101БС

1 - Т=70⁰С

2 - Т=25⁰С

3 - Т=-10⁰С

Рис.3.2.

Зависимость коэффициента передачи тока от входного тока

транзисторной оптопары АОТ-101БС

Рис.3.3.

 (3.4)

где R₁=750 – номинальное сопротивление резистора R1, Ом.

Аналогично по (3.4) рассчитали мощность, рассеиваемую на резисторе, в результате получили P_R2=39мВт.

3.1.2.5 Из (3) по номинальным сопротивлениям

руководствуясь правилом, что расчетная мощность, рассеиваемая на сопротивлении должна быть равна либо меньше номинальной мощности выбираемого резистора, выбрали резисторы R1 и R2. Параметры выбранных приборов приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Параметры выбранных резисторов.

3.1.3 Синтез последовательностной части цифрового автомата.

3.1.3.1 Расчёт количества элементарных триггеров, определяющих внутренние состояния автомата:

n=log₂K=log₂14≈4 (3.4)

где K=14 – количество внутренних состояний цифрового автомата.

3.1.3.2 Кодирование внутренних состояний автомата

Кодирование внутренних состояний автомата осуществляли с помощью кода Грея с целью исключения логических гонок. Для этого составили расширенную таблицу состояний автоматов, где номер каждого состояния закодирован с помощью кода Грея (таблица 3.4). В качестве разрядов кода приняли состояния триггеров Q^t. В таблице 3.4 помимо входов и выходов автомата указываются предыдущие и последующие состояния триггеров Q^t.

Таблица 3.4.

Расширенная таблица состояний автомата.