Дипломная (вкр): Создание генератора тока, управляемого от микропроцессора с возможностью расширения его области применения

Создание генератора тока, управляемого от микропроцессора с возможностью расширения его области применения

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

.Теоретический раздел

.1 Назначение устройства

.2 Описание выбранной схемы

.3 Описание структурной схемы устройства

.4 Описание принципиальной схемы устройства

.5 Расчёт зависимости величины входного тока от величины двоично - десятичного кода

. Технологический раздел

.1 Технология изготовления печатной платы

. Конструкторский раздел

.1 Конструкция выходного каскада

. Экспериментальный раздел

.1 Наладка устройства

.2 График зависимости выходного тока от двоично - десятичного кода

. Организация производства

.1 Расчёт трудоёмкости изготовления генератора

.Мероприятия по технике безопасности

.1 Требования по охране труда на предприятии

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Радиоэлектронная промышленность является одним из ключевых направлений современной промышленности, основой высокотехнологичных изделий многих отраслей промышленности.

В любой конечной продукции присутствуют:

электронные компоненты;

радиоэлектронные узлы;

блоки;

модули;

приборы;

системы.

Радиоэлектронная продукция определяет интеллектуальные возможности всей конечной продукции, она позволяет расширить функциональные возможности и среду обитания человека на земле и в космическом пространстве.

Существенное влияние радиоэлектроники оказывает на развитие современных средств вооружения и военной техники. Надёжность, точность, дальность, далеко не полная номенклатура характеристик современного вооружения и военной техники, максимальные значения которых достигаются во многом благодаря достижениям радиоэлектроники.

Радиоэлектронная промышленность включает:

производство радиоэлектронных устройств и систем;

электронной компонентной базы;

специальных материалов и оборудования для производства изделий радиоэлектронной промышленности.

Производство радиоэлектронных устройств и систем - финальной продукции - в свою очередь, делится на 3 крупные группы:

. Потребительская электроника - массовый сегмент изделий радиоэлектроники. Состоит из:

аудиотехники;

видеотехники;

бытовой техники,

абонентского телекоммуникационного оборудования,

компьютеров и периферии.

. Профессиональная электроника. В категорию включаются сегменты:

операторское телекоммуникационное оборудование;

промышленная электроника;

автомобильная электроника;

электроника для энергетического оборудования;

электроника для медицинского оборудования;

для систем безопасности;

высокопроизводительные системы обработки информации.

. Электроника специального назначения. Категория может быть разделена на крупные блоки по типам:

авиационные и космические системы;

системы сухопутного и морского базирования.

В сегменте конечной продукции доля специальной радиоэлектроники составляет малую часть мирового промышленного производства около 7 процентов, а сегменты профессиональной и потребительской радиоэлектроники примерно равны по объёму и составляют 42% и 51% соответственно. В сегменте электронной компонентной базы доля компонентов для потребительской радиоэлектроники составляет 65%, доля компонентов для профессиональной электроники - 24%, доля компонентов для специальной электроники - 11%.

Радиоэлектроника - самая быстрорастущая отрасль промышленности в мире, в которой реализуется большое число инновационных проектов, темп роста промышленности за последние 30 лет составил в среднем около 8% в год.

Рост рынка радиоэлектроники в основном ожидается за счёт устойчивых мировых тенденций, связанных с постоянным ростом миниатюризации и производительности радиоэлектронной техники и её компонентов (правило Мура):

. Увеличивается комплексность (расширение функций, взаимосвязей) решений в радиоэлектронной промышленности, что затрагивает все сегменты рынка - формируются новые продуктовые ниши, существенно меняются требования к продукции, смещаясь в сторону интегрированности. В результате:

в профессиональных сегментах происходит развитие сетевых систем и формирование новых быстрорастущих ниш:

комплексные системы безопасности;

smart grid;

управление инфраструктурой;

телемедицина ;

в массовых сегментах продолжается конвергенция устройств и их объединение в сети.

. Глобальные тренды, такие как повышенное внимание к экологии, старение населения и рост внимания к здравоохранению, растущие террористические угрозы и повышенное внимание к безопасности - ведут к активному росту соответствующих ниш профессионального сегмента радиоэлектроники, а совершенствование технологий радиоэлектроники существенно усиливает её проникновение в производство и на транспорт .

. В потребительской электронике растёт уровень стандартизации и унификации компонентов, снижается себестоимость производства.

Таким образом, несмотря на то, что рынки потребительской и профессиональной радиоэлектроники близки по объёму, наиболее быстро растущим сегментами рынка с лучшими возможностями для появления новых компаний будут сегменты профессиональной радиоэлектроникой:

системы энергоэффективности и электротехнического оборудования;

автомобильной электроники;

медицинской техники;

Первый электрический генератор по заказу Андре Мари Ампера появился на свет в 1832 году благодаря французским техникам-изобретателям братьям Пикси. Хотя он был абсолютно непрактичным, приходилось вручную вращать достаточно тяжелый магнит, но все же был способен вырабатывать электрический ток. Вблизи полюсов постоянного магнита были укреплены неподвижно две проволочные катушки индуктивности. Дополнительно электрогенератор Пикси был оснащен выпрямителем для преобразования переменного тока в постоянный.

В последующие годы ученые стремились повысить электрическую мощность своих генераторов, применяя различные электротехнические устройства.

На современном этапе для решения задач в измерительной технике необходимы управляемые источники тока с высоким быстродействием и способностью отдавать в нагрузку достаточно большую мощность.

В некоторых схемах требуется чтобы один вывод нагрузки был заземлением, а ток нагрузки должен регулироваться входным напряжением. Ток нагрузки должен зависеть не от сопротивления нагрузки, а только от входного напряжения..

В настоящее время для решения задачи измерительной вычислительной техники все более широко применяются микропроцессорные системы.

Существует большое количество различных схем управляемых от генератора тока, которые имеют различные выходные параметры и таким образом предназначены для решения различных задач. Так например в некоторых случаях определяющим показателем является максимальный выходной ток и требования к быстродействию и линейности преобразования генератора тока.

В других случаях наиболее важное значение имеет быстродействие устройства и его чувствительность и менее приближена выходная мощность.

В данной теме была предпринята попытка создания генератора тока управляемого от микропроцессора с возможностью расширения его области применения.

Микропроцессор (МП) - это программно управляемая сверхбольшая интегральная схема (СБИС), предназначенная для обработки цифровой информации. Наибольший эффект от внедрения микропроцессора достигается в устройствах и системах локальной автоматики, системах измерения, контроля и других областях. Сравнительно низкая стоимость, малые габариты и потребляемая мощность, высокая надежность и исключительная гибкость обеспечивают приоритет микропроцессора перед другими средствами обработки данных.

Микропроцессор является удобным средством для построения контроллеров предназначенных для контроля и управления технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства.

Мной был исследован универсальный генератор тока который благодаря своим высоким показателям способен удовлетворить разработчиков различной радиоэлектронной аппаратуры и избавить их от конструирования множества видов генераторов тока, решающих специфические и узкие задачи.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

.1 Назначение устройства

Генератор тока предназначен для подачи в заземленную нагрузку тока отрицательной полярности, форма которого программируется микропроцессорным устройством. В частности планируется его использование для формирования прямоугольного импульса нагревающей мощности с изменяемой длительностью и амплитудой при исследовании теплофизических процессов мощных МДП - транзисторах.

.2 Описание выбранной схемы

Существует целый ряд схем построения управляемых генераторов тока. В простейших однополярных источниках тока обычно используется операционный усилитель охваченный положительной обратной связью и мощный биполярный транзистор на выходе каскада. Использование биполярного транзистора накладывает ограничение на быстродействие генератора в целом. Так как биполярный транзистор является элементом управляемый током, а выходной ток операционного усилителя обычно ограничен несколькими десятками миллиампер, то для получения большого выходного тока необходимы либо промежуточные каскады, либо мощные составные транзисторы с большим коэффициентом передачи тока базы. Известно, что увеличение коэффициента снимает граничную частоту биполярного транзистора и таким образом это в конечном итоге приводит к снижению быстродействия генератора в целом.

В полевых транзисторах отсутствует эффект накопления, но по быстродействию они не уступают биполярным, а в ряде случаев и превосходят их .Однако при использовании полевых транзисторов в выходных каскадах генератора тока максимальный ток ограничен их током насыщения.

Промышленностью освоен выпуск серий n - канальных транзисторов с максимальным входным током до 20А. Для получения в нагрузке тока отрицательной полярности необходимо использовать р - канальные полевые транзисторы, но мной предложено было использовать в выходном каскаде генератора тока n - канальный МДП транзистор типа 2П913 в инверсном включении.

Для достижения максимального быстродействия генератора тока в схеме используются операционные усилители серии 544УД2Б с большой скоростью нарастания выходного сигнала, а так же быстродействующий цифро - аналоговый преобразователь типа 1108НА1А. Так как генератор тока с полевым транзистором на выходе обладает большим выходным сопротивлением, то в нем предусмотрены меры защиты от возникновения паразитной генерации внутренних емкостей полевого транзистора.

.3 Описание структурной схемы устройства

Описание структурной схемы устройства проводится в соответствии с рисунком 1.3 при нумерации в пределах раздела.

Управление генератором тока осуществляется по 8 - разрядной шине данных микропроцессора. Микросхема ЦФ (1) необходима для обращения микропроцессора к различным периферийным устройствам по одной шине данных благодаря возможности перехода её по входу в третье состояние. Так как 8 - разрядный процессор не может обеспечить подачу информации на 12 - разрядный цифро - аналоговый преобразователь - ЦАП (3) то в схеме предусмотрено буферное устройство - БУ(2), которое суммирует выходные каналы ЦФ(1) и исключает появление провалов и выбросов при подключении различных каналов.

«Рисунок 1.3- Структурная схема устройства»

- Интерфейс ЦФ;

- Буферное устройство - БУ;

- ЦАП;

- Преобразователь напряжение - ток;

- Выходной каскад;

- Нагрузка;

ШД -шина данных.

Стробирование БУ (2) может осуществляться как по шине данных через ЦФ (1),так и через входной разъём от внешнего устройства. Возможность обнуления БУ(2) предусматривается также либо программным путем, либо внешними импульсами сброса.

ЦАП (3) представляет собой функционально законченную интегральную схему 12 - разрядного цифро - аналогового преобразователя типа К1108ПА1 предназначенного для блоков аналогового ввода -вывода. Преобразователь типа К1108ПА1 изготавливается по биполярной технологии с диэлектрической изоляцией.

Элементы прецизионной резистивной матрицы нанесены на поверхность кристалла методом тонкопленочной технологии. Подгонка резисторов резистивной матрицы осуществляется лазерным лучом.

Для преобразователя полярного выходного типа ЦАП (3) в напряжение на входе его установлен операционный усилитель. Преобразователь напряжения - ток 4 и выходной каскад 5 необходимы для получения в нагрузке тока пропорционального выходному напряжению.

.4 Описание принципиальной схемы устройства

Описание принципиальной схемы устройства проводится в соответствии с рисунком 1.4 при нумерации в пределах раздела.

По шине данных микропроцессора сигнал поступает на информационные входы интегральной схемы интерфейса КР580ВВ55001. Для расширения функциональных возможностей устройства в схеме использовано искусственное расширение адресной шины путем включения в нее дешифратора К155ЦД40021. Сигнал низкого уровня с одного их входов дешифратора поступает на вход «Выбор устройства» интерфейса. Так как интерфейс выполняет только задачу передачи данных в периферийные устройства , то на входе «чтение» установлен постоянный уровень логической единицы.

«Рисунок 1.4- Схема электрическая принципиальная»

Буферное устройство представляет собой совокупность D - триггеров типа К155ТМ8 (DD3) - 51.

Информация из 8 - каналов «А» и 4 - каналов «В» интерфейса поступает на D - входы триггеров. С приходом положительного фронта стробирующего импульса на входы «С» триггера, происходит перебрасывание информации со входов триггеров на их выходы. При необходимости информацию на выходе можно сбросить, подав на вход «Reset» уровень логического нуля.

Стробированием и обнулением триггеров можно управлять, как по шине данных через интерфейс, так и через внешний разъем. Для этого служат две суммирующие ячейки ИЛИ - НЕ микросхемы К155ЛЕ1 (DD6).

Преобразователь код - напряжение собран на интегральной схеме К1108ПА1(DA1) и интегральной схеме К544УД2 (DA2). Для функционирования ЦАП необходимы два источника питания:

На выходе цифро - аналогового преобразователя вырабатывается ток отрицательной полярности пропорциональный входному коду, а преобразователь ток - напряжение на операционном усилителе формирует из него выходной аналоговый сигнал. Построечный резистор R2 служит для измерения выходного сигнала в небольших пределах. Корректирующая ёмкость С3 необходима для формирования амплитудно - частотной характеристики, а шунтирующая ёмкость С4 предотвращает самовозбуждение операционного усилителя на высоких частотах. Инвертор выполненный на операционном усилителе К544УД2 (DA3) необходим для согласования полярности выходного напряжения цифро - аналогового преобразователя с полярностью входного сигнала генератора тока. Отрицательное входное напряжение поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя, выполненного на микросхеме К544УД2 (DA4). На его неинвертирующий вход подается напряжение источника питания. На выходе микросхемы формируется напряжение равное:

где - напряжение источника питания,

- напряжение входного сигнала.