Краткий Обзор аналогичных устройств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Харьковский национальный университет

Радиоэлектроники

 

 

Кафедра радиоэлектронных устройств

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Программно-управляемый генератор прямоугольных импульсов инфранизких частот

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Выполнил 

студент гр. РТу-99-3

Крючков А.Н.

Руководитель Васецкий В.Л.

 

Харьков 2002

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка: 29 листов, 5 рисунков.

Цель работы – построение программно-управляемого генератора пачек прямоугольных импульсов инфранизких частот на микропроцессоре PIC16C84.

В работе рассмотрены другие варианты построения таких генераторов, приведены рисунки схем, представлены схема электрическая принципиальная разрабатываемого устройства, блок-схема алгоритма работы генератора, рабочая программа для прошивки микроконтроллера.

Результаты работы могут использоваться при разработке подобных устройств на микропроцессорах.

ГЕНЕРАТОР, ПАЧКИ ИМПУЛЬСОВ, ИМПУЛЬСЫ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР…

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

1 Обзор аналогичных устройств

2 Обоснование выбранного варианта технического решения

3 Разработка алгоритма работы устройства и составление программы

4 Разработка схемы электрической принципиальной устройства

5 Анализ временных соотношений и расчёт погрешностей

Список использованной литературы

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В течение последних 20 лет методам проектирования цифровых устройств уделялось возрастающее внимание, и в настоящее время они входят в учебные программы большинства университетов и политехнических институтов. Сначала при проектировании использовались дискретные компоненты, но в последние 20 лет стали широко применяться схемы с малым и средним уровнями интеграции. Это позволило упростить процесс проектирования и свести его к задаче сборки устройств из интегральных схем. С появлением больших интегральных схем появилась возможность разрабатывать микропроцессоры. Можно выделить два альтернативных метода проектирования цифровых устройств, основанных на использовании схем «жесткой» логики и на применении микропроцессоров. Первый подход требует знания методов проектирования, изложенных в учебной литературе, в то время как второй подход является программным способом решения той же проблемы. На завершающей стадии анализа проектного задания необходимо выбрать один из этих двух подходов, используя экономический критерий.

Однако на практике при решении многих задач обычно сочетают оба подхода. Поэтому следует добиваться, что бы проектировщики обладали хорошими знаниями по булевой алгебре и умели применять её методы для решения задач проектирования цифровых устройств. Кроме того, проектировщик должен обладать глубокими знаниями методов программирования.

Развитие микроэлектроники и освоение производства интегральных микросхем в последнее двадцатилетие обусловило появление новых методов построения и конструирования электронной аппаратуры различного назначения, отличающейся малыми массой и габаритными размерами, а так же высокой надёжностью.

Одновременно происходит интенсивное внедрение цифровой техники, так как цифровая обработка сигналов обладает большими преимуществами по сравнению с аналоговой. Противоречие, существующее между повышенной сложностью цифровых устройств и требованиями к их надёжности, объёмно-весовым и другим эксплуатационным характеристикам, может удовлетворительно разрешить лишь интегральная технология.

Одними из широко применяемых элементов не только аналоговой, но и цифровой техники являются генераторы импульсов и пачек импульсов различной формы. Они используются в АВР, в блоках управления, ввода и вывода ЦВМ, в приборах телеметрических систем и централизованного контроля, в аппаратуре связи, радионавигационной и радиолокационной аппаратуре, для устройств автоматики, дискретного управления или проверки работы отдельных узлов схемы, в цифровых и цифроаналоговых измерительных приборах и т.д.

В подавляющем большинстве случаев от такого генератора не требуются рекордные параметры. Современная элементная база позволяет создать очень простой и недорогой генератор, обладающий в то же время достаточно неплохими параметрами.

 

КРАТКИЙ ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ

 

Существует большое число вариантов построения генераторов, которые удовлетворяют различным требованиям и имеют те или иные достоинства и недостатки, что и определяет область их применения (простота схемы, удобство управления, экономическая эффективность и т.д.).

Схема генератора, изображённая на рисунке 1.1, обеспечивает при нажатии кнопки однократное формирование пачки до 15 импульсов (на схеме показаны только 10 кнопок). Для повторной генерации необходимо повторно нажать соответствующую кнопку. При этом происходит запись соответствующего двоичного числа в регистр предварительной установки счётчика DD2, и он начинает считать на вычитание до момента времени, пока на всех выводах не установится логический “0”. Логический “0” установится и на выходе DD1.4. Собственно генерация осуществляется элементами DD1.1 и DD1.2, синхронизацию осуществляет счетчик DD2 сигналом с вывода 15.

 

Рисунок 1.1 – Формирователь пачки импульсов

 

Номиналы элементов частотозадающей цепочки R2,C1 на схеме указаны для частоты генератора 10Гц (частота набора номера в телефонной линии). На схеме показан также пример дешифратора десятичных чисел в двоичный код на диодах типа Д9 (Д2), однако для уменьшения габаритов устройства вместо них целесообразно использовать две диодные матрицы типа КДС627А.

Для увеличения количества импульсов в пачке можно последовательно со счётчиком DD2 включить ещё такие же счётчики, а вместо диодов VD1…VD13 применить тумблеры для начальной установки необходимого числа импульсов (в двоичном коде). Для запуска работы формирователя необходимо подать положительный кратковременный импульс на входы DD2/1…DDn/1 – при этом происходит запись установленного кода.

 

Рисунок 1.2.а) Формирователь кодовой последовательности; б) форма импульсов

 

Иногда требуется иметь пачки импульсов, состоящие из произвольной комбинации положения импульсов относительно начального, - кодовую последовательность. Такой режим обеспечивает схема, рисунок 1.2.а. Если ни одна из кнопок не нажата, то на выходе (DD1\11) будут появляться одинарные импульсы, с периодом, определяемым частотой задающего генератора на элементах DD1.1, DD1.2.

В зависимости от того, какая кнопка нажата, на выходе появится пачка из комбинации импульсов. Причём каждой нажатой кнопке будет соответствовать определённое положение импульса относительно начального. Эпюры выходного напряжения, изображённые на рис.1.2.б, поясняют работу схемы.

Развитие микросхематехники дало возможность построения программно-управляемых генераторов пачек импульсов прямоугольной формы.

Примером такого устройства является генератор пачек прямоугольных импульсов, построенный на микроконтроллере, и управляемый через последовательный порт с компьютера. Максимальная частота импульсов в пачке, выдаваемая генератором немного больше 13 кГц, минимальная меньше 0,01 Гц (для частоты кварцевого генератора 4 МГц). Схема электрическая принципиальная данного устройства приведена на рисунке 1.3.

Схема достаточно простая. Она собрана на основе микроконтроллера PIC16C63A, сигнал снимается с двух его выводов, их состояние всегда разное. Без нагрузки уровень единицы отличается от напряжения питания меньше чем на 0,1 вольт, уровень нуля тоже очень низкий. Выводы рассчитаны на ток до 30 мА. Через разъём DB9 осуществляется подключение генератора к последовательному порту персонального компьютера. Микросхема МАХ232 используется для преобразования уровней интерфейса RS232 в уровни TTL, то есть управляющие сигналы, поступающие с порта компьютера, преобразует в понятные для микроконтроллера сигналы. Для установки параметров сигнала выдаваемого микроконтроллером необходимо использовать специальную программу, написанную для ОС Windows (в примере не приводится).

Рисунок 1.3 – Программно-управляемый генератора пачек прямоугольных импульсов

 

Другая схема программно-управляемого генератора пачек импульсов, приведённая на рисунке 1.4, собрана на основе микроконтроллера АТ90S2313, выпускаемого фирмой “ATMEL” (рисунок 1.4).

Генератор является многофункциональным устройством и имеет несколько режимов работы: генерация пачек импульсов, генерация меандра, положительного импульса, отрицательного импульса, режим удержания на выходе логического нуля или единицы. Управление генератором осуществляется с помощью 4-х кнопок. Его основой является микроконтроллер U1, для питания которого применён интегральный стабилизатор U2 со встроенным монитором питания. Через разъём XP2 к микроконтроллеру подключается ЖКИ - модуль для индикации режимов работы и значений временных интервалов, в состав которого входят 4 кнопки управления.

 

Рисунок 1.4 - Принципиальная схема основной части генератора

 

Посредством кнопок осуществляется перестройка количества импульсов, их длительность и т.д. Нажатие кнопок сопровождается звуковым сигналом, для этого используется динамический излучатель. Частота сигнала различна для разных кнопок. Звуковой сигнал также используется в некоторых специальных случаях: при включении питания и при возникновении ошибки. Микросхема U4, питающаяся от стабилизатора U5, служит для уменьшения высокочастотных помех в выходном сигнале.

Для получения необходимых электрических параметров выходного сигнала используется специальный выходной каскад (на схеме не показан).

 

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО ВАРИАНТА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

 

Рассмотренный на рисунке 1.1 генератор имеет ряд недостатков. Интервал между пачками импульсов не фиксированный, т.е. определяется интервалом времени между нажатиями кнопок оператором, когда в ряде случаев необходимо иметь на выходе генератора сигнал с заданной частотой следования пачек импульсов. Для увеличения количества импульсов в пачке необходимо включать дополнительные счетчики, что влечёт усложнение схемы и увеличение габаритов устройства. Также данный генератор не обеспечивает изменения длительности импульса в пачке. Все эти недостатки ограничивают область применения такого генератора.

Генератор, показанный на рисунке 1.2, предназначен для формирования последовательности пачек прямоугольных импульсов (кодовых последова - тельностей). Частота следования пачек постоянна, однако такая схема не обеспечивает изменения длительности импульсов в пачке, а также перестройку частоты следования пачек, изменяется лишь количество импульсов в пачке, что не всегда удовлетворяет предъявляемым к устройству требованиям.

Недостатком генератора, показанного на рисунке 1.3, является то, что он управляется посредством компьютера и для установки параметров сигнала, выдаваемого микроконтроллером необходимо использовать специальную программу для операционной системы компьютера. Это сужает область применения генератора из-за необходимости ПК.

Изображённый на рисунке 1.4 генератор обладает хорошими показателями и имеет большое число функций. Это дает большое преимущество такому генератору перед подобными устройствами, однако вызывает усложнение схемы и соответственно увеличение стоимости устройства. Микроконтроллеры фирмы «ATMEL» имеют довольно не маленькую стоимость по сравнению с теми же микроконтроллерами фирмы «Microchip technology».

Можно построить генератор, который удовлетворяет заданным требованиям, управляется посредством клавиатуры без применения компьютера, имеет простую схему и невысокую стоимость, и при этом обладает достаточно хорошими параметрами. Такой генератор можно выполнить на основе микроконтроллера PIC16С84. Он имеет невысокую стоимость по сравнению с АТ90S2313, и при этом не уступает ему по быстродействию.

PIC16CXX - это 8-pазpядные микроконтроллеры с RISC архитектурой, производимые фиpмой Microchip Technology. Это семейство микроконтроллеров отличается низкой ценой, низким энергопотреблением и высокой скоростью. Микроконтроллеры имеют встроенное ЭППЗУ программы, ОЗУ данных и выпускаются в 18 и 28 выводных корпусах.

PIC16C84 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (400 нс при 10 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (800 нс). PIC16C84 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА - максимальный втекающий ток, 20 мА - максимальный вытекающий ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16C84 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором (только фирмы Microchip) и программатором.

Серия PIC16C84 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16C84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Cледует добавить, что встроенный автомат программирования EEPROM кристалла PIC16C84 позволяет легко подстраивать программу и данные под конкретные требования даже после завершения ассемблирования и тестирования. Эта возможность может быть использована как для тиражирования, так и для занесения калибровочных данных уже после окончательного тестирования.

Обзор характеристик:

- только 35 простых команд;

- все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд перехода -2 цикла;

- рабочая частота 0 Гц... 10 МГц (min 400 нс цикл команды)

- 14 - битовые команды;

- 8 - битовые данные;

- 1024 х 14 электрически перепрограммируемой программной памяти на кристалле (EEPROM);

- 36 х 8 регистров общего использования;

- 15 специальных аппаратных регистров SFR;

- 64 x 8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;

- восьмиуровневый аппаратный стек;

- прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

- четыре источника прерывания:

· внешний вход INT

· переполнение таймера RTCC

· прерывание при изменении сигналов на линиях порта B

· по завершению записи данных в память EEPROM

Структурная схема PIC16C84 приведена на рисунке 2.1

Высокая скорость выполнения команд в микроконтроллерах PIC достигается за счет использования двухшинной Гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной Фон-Неймановской. В Гарвардской архитектуре разделена память программ и память данных. Обращение к памяти по отдельным шинам адреса и данных, значительно повышает производительность процессора по сравнению с традиционной архитектурой. Набор регистров означает, что все программные объекты, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры.

 

Рисунок 2.1 – Структурная схема микроконтроллера PIC16C84

 

Микроконтроллеры семейства PIC имеют очень эффективную систему команд, состоящую всего из 35 инструкций. Все инструкции выполняются за один цикл, за исключением условных переходов и команд, изменяющих программный счетчик, которые выполняются за 2 цикла. Один цикл выполнения инструкции состоит из 4 периодов тактовой частоты. Таким образом, при частоте 4 МГц, время выполнения инструкции составляет 1 мксек. Каждая инструкция состоит из 14 бит, делящихся на код операции и операнд (возможна манипуляция с регистрами, ячейками памяти и непосредственными данными).

Генератор пачек прямоугольных импульсов на микроконтроллере позволяет получать пачки импульсов любой длительности с большой точностью, при этом частота следования пачек может иметь любые значения. Такой генератор позволяет получать частоты инфранизкого диапазона, что трудно обеспечить в любом другом генераторе. Программное управление даёт возможность перестройки частоты пачек и длительности импульсов в больших пределах, что не всегда возможно в обычных генераторах на RC –элементах или КМОП - микросхемах. Устройства, построенные на базе микроконтроллеров PIC16C84, характеризуются простотой схемы и дешевизной в изготовлении.

 

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: