Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Структурна схема счетчик импульсов

Структурные схемы и принцип действия электронных вольтметров

Обобщенная структурная схема вольтметра постоянного тока приведена на рис. 6.26, а. Она включает входное устройство, усилитель постоянного тока А1 и электромеханический измерительный прибор PV1. Входное устройство предназначено для создания высокого входного сопротивления, чтобы уменьшить влияние вольтметра на измеряемую цепь. Оно состоит из делителей напряжения – аттенюаторов, с их помощью изменяют пределы измеряемых величин. В некоторых вольтметрах входное устройство содержит эмиттерный повторитель (или истоковый – при использовании полевых транзисторов).

К УПТ предъявляются высокие требования: малый дрейф нуля, высокая стабильность усиления, малый уровень шумов. В вольтметрах постоянного тока высокой чувствительности входной сигнал преобразуется в переменный, усиливается и затем вновь преобразуется в напряжение постоянного тока.

Рис. 6.26. Структурная схема вольтметра переменного тока

Обобщенная структурная схема вольтметра переменного тока показана на рис. 6.26, б. Принцип действия такого вольтметра состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным электромеханическим прибором. В качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное используются пиковые (амплитудные) детекторы, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значения напряжения. Применение того или иного преобразователя переменного тока в постоянный определяет способность вольтметра измерять то или иное значение напряжения.

На обобщенной схеме показаны усилитель переменного напряжения А1 и УПТ А2, включенные после преобразователя VI. Однако в практических приборах применение обоих усилителей встречается очень редко. Используется либо додетекторное усиление, либо последетекторное.
В высокочувствительные измерители напряжения вводят усилители переменного напряжения, часто широкополосные с полосой пропускания от единиц герц до десятков мегагерц.

Для обеспечения широкой области рабочих частот вплотьдо 1 ГГц усилители переменного напряжения не применяют, а применяют усилители постоянного тока.

Цифровые вольтметры

В цифровых вольтметрах переменного напряжения используется аналоговое преобразование измеряемого переменного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольтметрах находят применение специальные АЦП – амплитудно-временные преобразователи. В вольтметрах с уравновешивающим преобразованием используются соответствующие АЦП.

Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. Их различают по используемому способу аналого-цифрового преобразования: с временным, временным с интегрированием и частотным преобразованием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Структурная схема вольтметра (рис. 6.27) включает в себя входное устройство, устройство для определения полярности измеряемого напряжения, устройство для автоматического выбора измерения, АЦП, счетчик импульсов, преобразователь кодов (дешифратор) и цифровое отсчетное устройство. Входное устройство содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство определения полярности измеряемого напряжения основано на определении последовательности срабатывания двух устройств сравнения. На первое подается пилообразное напряжение, принимающее значения от –U до +U, и измеряемое напряжение. Устройство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напряжений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент равенства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности подается в цифровое отсчетное устройство. Устройство автоматического выбора пределов измерения сравнивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управляет делителем.

Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием строятся в основном по двум типам структурных схем: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряжение уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 6.28, а, б показаны эти структурные схемы.

Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с цифровым счетчиком (рис. 6.28, б). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элементов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Измеряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, сравнивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от знака этой разности на выходе устройства сравнения управляющее-устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Новый цикл измерений начинается с момента сбрасывания на нуль показаний счетчика. В этот же момент в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение и на счетчик начинают поступать счетные импульсы.

Счетчики

Счетчиком называется последовательное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде.
Любые счетчики строятся на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит и TG и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггером.
Счетчик может выполнять следующие микрооперации над кодовым словом:

  1. установка в исходное состояние (запись нулевого кода)- установка в нулевое состояние;
  2. запись входной информации в параллельной форме;
  3. хранение информации;
  4. выдача хранимой информации в параллельной форме;
  5. инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу;
  6. декремент — уменьшение хранящегося кодового слова на единицу.
  1. Модуль счета М – основной статический параметр, который характеризует максимальное число импульсов, после прихода которого счетчик устанавливается в исходное состояние.
  2. Время установления выходного кода tk – основной динамический параметр, который характеризует временной интервал между моментом подачи входного сигнала и моментом установления нового кода на выходе.

1.По значению модуля счета:
— двоичные, Мкот = целой степени числа 2 (М=2 n );
— двоично-кодированные, в которых М может принимать любое неравное целой степени числа 3, значение.

2.По направлению счета:
— суммирующие, выполняющие микрооперацию инкремента над хранящимся входным словом;
— вычитающие выполняющие микрооперацию декремента над хранящимся входным словом;
— реверсивные, выполняющие либо микрооперацию инкремента, либо декремента в зависимости от управляющего сигнала.

3.По способу организации межразрядных связей:
— счетчик с последовательным переносом, в котором переключение триггеров разрядных схем происходит последовательно один за другим;
— счетчик с параллельным переносом, в котором переключение всех триггеров разрядных схем происходит одновременно по сигналу синхронизации С;
— счетчик с комбинированным последовательно-параллельным переносом, когда используются различные комбинации способов переноса.

Рассмотрим на примере счетчик с модулем счета М=8 , необходимо как минимум три триггера.
Обратимся к таблице трехразрядных двоичных чисел:

Младший разряд Q0 изменяет свое состояние с приходом каждого импульса синхронизации С.
-Q1 – изменяет свое состояние с приходом каждого 2-го С.
— Q2 — изменяет свое состояние с приходом каждого 4-го С.
Данный алгоритм можно реализовать на асинхронных Т-триггерах:

Синхронизация каждого следующего триггера производится выходным сигналом предыдущего триггера, а переключение первого триггера (формирующего Q0) – непосредственно последовательностью синхроимпульсов.

Переключение триггера должно происходить по спаду импульса.
Инкремент (сложение) реализуется на асинхронном Т-триггере с инверсным динамическим входом.
Декремент (вычитание) реализуется на асинхронным Т –триггере с прямым динамическим входом.
Если для синхронизации каждого последующего асинхронного триггера использовать инверсный выход триггера,
Суммирующий счетчик инкремент: ( используется прямой динамический вход)

вычитающий счетчик (используется инверсный динамический вход)

Направление счета счетчика может изменятся путем изменения межразрядных связей: включается в состав каждой разрядной схемы MS (как в последовательно- параллельном или реверсивном RG)

Сигнал V определяет направление счета :
V=1 суммирующий счетчик
V=0 вычитающий счетчик
Все рассмотренные выше счетчики являются счетчиками с последовательным переносом, т.к. переключение каждого последующего триггера происходит только после переключения предыдущего триггера.
Достоинство- счетчика с последовательным переносом – простота внутренней структуры.
Недостаток — счетчика с последовательным переносом – большое время установления выходного кода tk
tk≠const, зависит от конкретного значения его выходного кода.
tк max будет в случае изменения выходного кода со значения 111….в 000….. или наоборот
tк max=Ntkтр., где
N – число разрядов в счетчике
tkтр – время переключения одного разряда счетчика
Понизить tmax можно при условии, что все триггеры его разрядных схем будут переключаться одновременно. Для этого:
1.используют синхронные триггеры
2.организуют сигналы, определяют порядок переключения триггеров до прихода сигнала С.
Вернемся к таблице последовательности двоичных чисел: для суммирующего счетчика (для вычитающего таблица пойдет вверх)

Из таблицы видно, что переключение каждого последующего триггера происходит только, когда все предыдущие триггеры установлены в 1, т.е.
, где
Qi,n+1 — значение i-го разряда счетчика в (n+1) момент времени
Qi,n — значение i-го разряда счетчика n-ный момент времени
pi = Q0,n ,Qi,n Qi-1,n — сигнал переноса
Необходимо сформировать сигнал переноса.

Время установленных сигнала счетчика
tmax=1tmp время переключения одного триггера

Сложность практической реализации данных счетчиков состоит в том, что с увеличением числа разрядов счетчика увеличивается и число входов в логический элемент «И», используемых в цепях формирования переноса.
В счетчиках с параллельным переносом направление счета не зависит от вида динамического входа Т (прямой или инверсный) .
Зависит только от вида выхода Т, который используется для формирования сигнала переноса. Комбинированные схемы, идея которых состоит в разбиении разрядных схем счетчика на группы, внутри которых осуществлен параллельный; либо последовательный перенос.
Формирование сигнала переноса между группами выполняется логическим элементом «И» только когда триггеры всех входящих в данную группу разрядных схем установлены в «1»

Время установки выхода кода tmax=1tтр.группы

Читайте так же:
Схема подключения водонагревателя счетчиками

Как в схемах с параллельным, так и комбинированным переносом для подготовки счетчика к следующему переключению должно пройти время tкод=tзадержки логического элемента «И».

Схемы со сквозным переносом

Курсовая работа: Цифровые счетчики импульсов

Министерство науки и образования Республики Казахстан

Высшая техническая школа

Курсовая работа

По предмету: Цифровые устройства и микропроцессорные системы

На тему: «Цифровые счетчики импульсов»

Выполнил: студент гр. В-512

Проверила: Отарбаева Ж. О.

С развитием электроники появился такой класс электронной техники, как цифровая. Эта техника предназначена для формирования, обработки и передачи электрических импульсных сигналов и перепадов напряжения и тока, а также для управления информацией и её хранения. Цифровые устройства занимают доминирующее место во многих областях науки и техники, что обусловлено существенно меньшим потреблением энергии от источника питания, более высокой точностью, меньшей критичностью к изменениям внешних условий, большей помехоустойчивостью. Цифровая техника включает в себя такие устройства как триггеры, регистры, счётчики, комбинационные устройства, программируемые логические интегральные схемы и др.

Цифровой счетчик импульсов — это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2 n — 1, где n — число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие — счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q1 — Q3 ), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q3 . Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый — в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2 3 — 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров происходит с некоторой задержкой tз . На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

Классификация счётчиков

Счетчиками называют устройства для подсчёта числа поступивших на их вход импульсов (команд), запоминания и хранения результата счёта и выдачи этого результата. Основным параметром счётчика является модуль счёта(емкость) Kс. Эта величина равна числу устойчивых состояний счётчика. После поступления импульсов Kс счётчик возвращается в исходное состояние. Для двоичных счётчиков Kс = 2 m, где m – число разрядов счётчика.

Кроме Kс важными характеристиками счётчика являются максимальная частота счёта fmax и время установления tуст, которые характеризуют быстродействие счётчика.

Tуст – длительность переходного процесса переключения счётчика в новое состояние: tуст = mtтр, где m – число разрядов, а tтр – время переключения триггера.

Читайте так же:
Счетчик который измеряет радиацию

Fmax – максимальная частота входных импульсов, при которой не происходит потери импульсов.

По типу функционирования:

В суммирующем счётчике приход каждого входного импульса увеличивает результат счёта на единицу, в вычитающем – уменьшает на единицу; в реверсивных счётчиках может происходить как суммирование, так и вычитание.

По структурной организации:

В последовательном счётчике входной импульс подаётся только на вход первого разряда, на входы каждого последующего разряда подаётся выходной импульс предшествующего ему разряда.

В параллельном счётчике с приходом очередного счётного импульса переключение триггеров при переходе в новое состояние происходит одновременно.

Последовательно-параллельная схема включает в себя оба предыдущих варианта.

По порядку изменения состояний:

— с естественным порядком счёта;

— с произвольным порядком счёта.

По модулю счёта:

Модуль счёта двоичного счётчика Kc=2, а модуль счёта недвоичного счётчика Kc= 2m, где m – число разрядов счётчика.

Суммирующий последовательный счётчик

Рис.1. Суммирующий последовательный 3х разрядный счётчик.

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту счетного импульса. Вход старшего разряда счетчика связан с прямым выходом (Q) младшего соседнего разряда. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рис.2. В начальный момент времени состояния всех триггеров равны лог.0, соответственно на их прямых выходах лог.0. Это достигается посредством кратковременного лог.0, поданного на входы асинхронной установки триггеров в лог.0. Общее состояние счетчика можно охарактеризовать двоичным числом (000). Во время счёта на входах асинхронной установки триггеров в лог.1 поддерживается лог.1. После прихода заднего фронта первого импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.1. На входе 1-разряда появляется передний фронт счетного импульса. Состояние счетчика (001). После прихода на вход счетчика заднего фронта второго импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.0, на входе 1-разряда появляется задний фронт счетного импульса, который переключает 1-разряд в лог.1. Общее состояние счетчика – (010). Следующий задний фронт на входе 0-разряда установит его в лог.1 (011) и т.д. Таким образом, счетчик накапливает число входных импульсов, поступающих на его вход. При поступлении 8-ми импульсов на его вход счетчик возвращается в исходное состояние (000), значит коэффициент счета (КСЧ) данного счетчика равен 8.

Рис. 2. Временная диаграмма последовательного суммирующего счетчика.

Вычитающий последовательный счётчик

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту. Для реализации операции вычитания счетный вход старшего разряда подключается к инверсному выходу соседнего младшего разряда. Предварительно триггеры устанавливают в состояние лог.1 (111). Работу данного счетчика показывает временная диаграмма на рис. 4.

Рис. 1 Последовательный вычитающий счетчик

Рис. 2 Временная диаграмма последовательного вычитающего счетчика

Реверсивный последовательный счётчик

Для реализации реверсивного счетчика необходимо объединить функции суммирующего счетчика и функции вычитающего счетчика. Схема данного счетчика приведена на рис. 5. Для управления режимом счета служат сигналы «сумма» и «разность». Для режима суммирования «сумма»=лог.1, «0»-кратковременный лог.0; «разность»=лог.0, «1»-кратковременный лог.0. При этом элементы DD4.1 и DD4.3 разрешают подачу на тактовые входы триггеров DD1.2, DD2.1 через элементы DD5.1 и DD5.2 сигналов с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 соответственно. При этом элементы DD4.2 и DD4.4 закрыты, на их выходах присутствует лог.0, поэтому действие инверсных выходов никак не отражается на счетных входах триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция суммирования. Для реализации операции вычитания на вход «сумма» подается лог.0, на вход «разность» лог.1. При этом элементы DD4.2, DD4.4 разрешают подачу на входы элементов DD5.1, DD5.2, а соответственно и на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1 сигналов с инверсных выходов триггеров DD1.1, DD1.2. При этом элементы DD4.1, DD4.3 закрыты и сигналы с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 никак не воздействуют на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция вычитания.

Рис. 3 Последовательный реверсивный 3-х разрядный счетчик

Для реализации данных счетчиков также можно использовать триггеры, срабатывающие по переднему фронту счетных импульсов. Тогда при суммировании на счетный вход старшего разряда надо подавать сигнал с инверсного выхода соседнего младшего разряда, а при вычитании наоборот – соединять счетный вход с прямым выходом.

Недостаток последовательного счетчика – при увеличении разрядности пропорционально увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.

Рис. 3 — Реверсивный счетчик

Для счетных импульсов предусмотрены два входа: «+1» — на увеличение, «-1» — на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы — к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.

Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый — четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины «+1» (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе — с шины «-1». Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе n — 1, где n — число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие — счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

1. И.И. Бобров «Импульсные и цифровые устройства», Пермь 2005г.

2. Справочник «Интегральные микросхемы» Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др., Радио и связь, Москва 1984г.

3. В Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы», Радио и связь, Москва 1987г.

Читайте так же:
Счетчики горячего водоснабжения с термодатчиком

4. А.С. Партин, В.Г. Борисов «Введение в цифровую технику», Радио и связь, Москва 1987г.

5. Б.И. Горошков «Элементы радиоэлектронных устройств», Радио и связь, Москва 1988г.

6. Методические рекомендации «Синтез счётчиков сигналов» Ю. В. Панов, Т. С. Леготкина, Пермь 1990г.

Цифровые счетчики импульсов

Все приложения, графические материалы, формулы, таблицы и рисунки работы на тему: Цифровые счетчики импульсов (предмет: Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника) находятся в архиве, который можно скачать с нашего сайта. Приступая к прочтению данного произведения (перемещая полосу прокрутки браузера вниз), Вы соглашаетесь с условиями открытой лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0) .

Министерство науки и образования Республики Казахстан

Высшая техническая школа

Курсовая работа

По предмету: Цифровые устройства и микропроцессорные системы

На тему: «Цифровые счетчики импульсов»

Выполнил: студент гр. В-512

Проверила: Отарбаева Ж. О.

Содержание

  • ВВЕДЕНИЕ 3
  • Принцип действия 4
  • Классификация счётчиков 5
  • Суммирующий последовательный счётчик 6
  • Вычитающий последовательный счётчик 7
  • Реверсивный последовательный счётчик 8
  • Параллельный суммирующий счётчик 12
  • Счетчики с параллельным переносом 12
  • Разработка принципиальной схемы 14
  • Формирователь импульсов 14
  • Составление структурной схемы счётчика 15
  • Составление функциональной схемы счётчика 16
  • Простейшие одноразрядные счетчики импульсов 16
  • Вывод 22
  • Список используемой литературы: 23
  • ВВЕДЕНИЕ
  • С развитием электроники появился такой класс электронной техники, как цифровая. Эта техника предназначена для формирования, обработки и передачи электрических импульсных сигналов и перепадов напряжения и тока, а также для управления информацией и её хранения. Цифровые устройства занимают доминирующее место во многих областях науки и техники, что обусловлено существенно меньшим потреблением энергии от источника питания, более высокой точностью, меньшей критичностью к изменениям внешних условий, большей помехоустойчивостью. Цифровая техника включает в себя такие устройства как триггеры, регистры, счётчики, комбинационные устройства, программируемые логические интегральные схемы и др.
  • Принцип действия
  • Цифровой счетчик импульсов — это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при всём этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2 n — 1, где n — число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие — счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.
  • В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q1 — Q3), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q3. Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый — в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2 3 — 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров происходит с некоторой задержкой tз. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

    Классификация счётчиков

    Счетчиками называют устройства для подсчёта числа поступивших на их вход импульсов (команд), запоминания и хранения результата счёта и выдачи этого результата. Основным параметром счётчика является модуль счёта(емкость) Kс. Эта величина равна числу устойчивых состояний счётчика. После поступления импульсов Kс счётчик возвращается в исходное состояние. Для двоичных счётчиков Kс = 2 m, где m — число разрядов счётчика.

    Кроме Kс важными характеристиками счётчика являются максимальная частота счёта fmax и время установления tуст, которые характеризуют быстродействие счётчика.

    Tуст — длительность переходного процесса переключения счётчика в новое состояние: tуст = mtтр, где m — число разрядов, а tтр — время переключения триггера.

    Fmax — максимальная частота входных импульсов, при которой не происходит потери импульсов.

    По типу функционирования:

    В суммирующем счётчике приход каждого входного импульса увеличивает результат счёта на единицу, в вычитающем — уменьшает на единицу; в реверсивных счётчиках может происходить как суммирование, так и вычитание.

    По структурной организации:

    В последовательном счётчике входной импульс подаётся только на вход первого разряда, на входы каждого последующего разряда подаётся выходной импульс предшествующего ему разряда.

    В параллельном счётчике с приходом очередного счётного импульса переключение триггеров при переходе в новое состояние происходит одновременно.

    Последовательно-параллельная схема включает в себя оба предыдущих варианта.

    По порядку изменения состояний:

    — с естественным порядком счёта;

    — с произвольным порядком счёта.

    По модулю счёта:

    Модуль счёта двоичного счётчика Kc=2, а модуль счёта недвоичного счётчика Kc= 2m, где m — число разрядов счётчика.

    Суммирующий последовательный счётчик

    Рис.1. Суммирующий последовательный 3х разрядный счётчик.

    Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту счетного импульса. Вход старшего разряда счетчика связан с прямым выходом (Q) младшего соседнего разряда. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рис.2. В начальный момент времени состояния всех триггеров равны лог.0, соответственно на их прямых выходах лог.0. Это достигается посредством кратковременного лог.0, поданного на входы асинхронной установки триггеров в лог.0. Общее состояние счетчика можно охарактеризовать двоичным числом (000). Во время счёта на входах асинхронной установки триггеров в лог.1 поддерживается лог.1. После прихода заднего фронта первого импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние — лог.1. На входе 1-разряда появляется передний фронт счетного импульса. Состояние счетчика (001). После прихода на вход счетчика заднего фронта второго импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние — лог.0, на входе 1-разряда появляется задний фронт счетного импульса, который переключает 1-разряд в лог.1. Общее состояние счетчика — (010). Следующий задний фронт на входе 0-разряда установит его в лог.1 (011) и т.д. Таким образом, счетчик накапливает число входных импульсов, поступающих на его вход. При поступлении 8-ми импульсов на его вход счетчик возвращается в исходное состояние (000), значит коэффициент счета (КСЧ) данного счетчика равен 8.

    Читайте так же:
    Программа для айфон счетчик калорий

    Рис. 2. Временная диаграмма последовательного суммирующего счетчика.

    Вычитающий последовательный счётчик

    Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту. Для реализации операции вычитания счетный вход старшего разряда подключается к инверсному выходу соседнего младшего разряда. Предварительно триггеры устанавливают в состояние лог.1 (111). Работу данного счетчика показывает временная диаграмма на рис. 4.

    Рис. 1 Последовательный вычитающий счетчик

    Рис. 2 Временная диаграмма последовательного вычитающего счетчика

    Реверсивный последовательный счётчик

    Для реализации реверсивного счетчика необходимо объединить функции суммирующего счетчика и функции вычитающего счетчика. Схема данного счетчика приведена на рис. 5. Для управления режимом счета служат сигналы «сумма» и «разность». Для режима суммирования «сумма»=лог.1, «0»-кратковременный лог.0; «разность»=лог.0, «1»-кратковременный лог.0. При этом элементы DD4.1 и DD4.3 разрешают подачу на тактовые входы триггеров DD1.2, DD2.1 через элементы DD5.1 и DD5.2 сигналов с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 соответственно. При этом элементы DD4.2 и DD4.4 закрыты, на их выходах присутствует лог.0, поэтому действие инверсных выходов никак не отражается на счетных входах триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция суммирования. Для реализации операции вычитания на вход «сумма» подается лог.0, на вход «разность» лог.1. При этом элементы DD4.2, DD4.4 разрешают подачу на входы элементов DD5.1, DD5.2, а соответственно и на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1 сигналов с инверсных выходов триггеров DD1.1, DD1.2. При этом элементы DD4.1, DD4.3 закрыты и сигналы с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 никак не воздействуют на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция вычитания.

    Рис. 3 Последовательный реверсивный 3-х разрядный счетчик

    Для реализации данных счетчиков также можно использовать триггеры, срабатывающие по переднему фронту счетных импульсов. Тогда при суммировании на счетный вход старшего разряда надо подавать сигнал с инверсного выхода соседнего младшего разряда, а при вычитании наоборот — соединять счетный вход с прямым выходом.

    Недостаток последовательного счетчика — при увеличении разрядности пропорционально увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.

    Рис. 3 — Реверсивный счетчик

    Для счетных импульсов предусмотрены два входа: «+1» — на увеличение, «-1» — на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы — к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.

    Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый — четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины «+1» (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе — с шины «-1». Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе n — 1, где n — число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие — счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

    Список используемой литературы

    1. И.И. Бобров «Импульсные и цифровые устройства», Пермь 2005г.

    2. Справочник «Интегральные микросхемы» Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др., Радио и связь, Москва 1984г.

    3. В Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы», Радио и связь, Москва 1987г.

    4. А.С. Партин, В.Г. Борисов «ВВЕДЕНИЕ в цифровую технику», Радио и связь, Москва 1987г.

    5. Б.И. Горошков «Элементы радиоэлектронных устройств», Радио и связь, Москва 1988г.

    6. Методические рекомендации «Синтез счётчиков сигналов» Ю. В. Панов, Т. С. Леготкина, Пермь 1990г.

    Решения для счетчиков энергии Microchip

    В этой статье рассматриваются особенности микросхем измерения энергии MCP3905A, MCP3906A, MCP3906L, MCP3909, предлагаемых компанией Microchip для построения промышленных счетчиков энергии, а также особенности готового дизайна 3-фазно-го счетчика на основе МСР3909.

    Повсеместное распространение электронных счетчиков энергии в течение последних нескольких лет связывают, прежде всего, с развитием микроконтроллерных технологий и, как следствие, появлением новых семейств высокопроизводительных контроллеров с расширенной периферией и сверхнизкой ценой.

    Современные микроконтроллеры позволяют строить цифровые решения в области измерения электроэнергии. Они сравнимы с традиционными электромеханическими счетчиками по цене, но отличаются от них повышенной точностью, соответствием международной спецификации 1ЕС 1036 класса 1 и возможностью реализации дополнительных функций. К последним относятся измерение действующих значений напряжения и тока, вывод информации на дисплей, сохранение измерений в энергонезависимой памяти данных и т.д.

    Компания Microchip Technology Inc., ведущий мировой производитель микроконтроллеров и интерфейсных микросхем, предлагает инженерам и специалистам квалифицированную техническую поддержку и законченные решения в области дизайна счетчиков энергии, отвечающие современным требованиям рынка (рис. 1). Это микросхемы измерения электроэнергии (MCP3905A, MCP3905L, MCP3906A, MCP3909), PIC микроконтроллеры и контроллеры DSP dsPIC для построения счетчиков, энергонезависимая память EEPROM, интерфейсные микросхемы для передачи данных в сеть или на сервер, а также готовый дизайн трехфазного счетчика на основе микросхемы MCP3909 и контроллера PIC18F2520.

    Рис. 1. Обобщенная схема счетчиков электроэнергии

    Читайте так же:
    Двоично десятичный счетчик кмоп

    Микросхемы измерения энергии Microchip семейства MCP3905A/ 05L/06A предназначены для применения в бытовых и промышленных счетчиках электроэнергии. Семейство микросхем с литерой «А» является продолжением семейства MCP3905/06 и отличается улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости. MCP3905L имеет уменьшенную длительность импульса выхода телеметрии и драйверов механического отсчетного устройства. Это позволяет значительно снизить собственное потребление счетчика.

    Основные особенности микросхем МСР390х

    • соответствие спецификации IEC 62053;

    • выход для прямого подключения механического отсчетного устройства;

    • высокочастотный выход частоты, пропорциональной мгновенному значению потребляемой мощности;

    • программируемые усилители с фиксированным коэффициентом на каждом канале, предназначенные для использования с низкоом-ными токовыми шунтами;

    • два 16-битных дельта-сигма АЦП (каналы напряжения и тока);

    • типовая ошибка измерения — 0,1%.

    Структурная схема микросхем измерения электроэнергии MCP390x приведена на рис. 2:

    Рис. 2. Структурная схема MCP3905A/L/06A

    Микросхема MCP3909 имеет интерфейс SPI, через который доступны результаты преобразований по каналам напряжения и тока, что позволяет измерять RMS напряжения, активную и полную мощность.

    Микросхемы MCP390x соответствуют международной спецификации IEC 62053, имеют частотный выход, пропорциональный значению средней мощности FOTU0 и FOUT1, высокочастотный выход частоты HFOUT, пропорциональной мгновенному значению потребляемой мощности (рис. 3):

    Рис. 3. Диаграмма низкочастотного и высокочастотного выходов MCP390x

    MCP3905L имеют уменьшенную длительность импульса выхода калибровочной частоты и механического отсчетного устройства для проектирования счетчиков малой мощности.

    MCP390x содержат два 16-битных дельта-сигма АЦП (каналы напряжения и тока) со встроенным источником опорного напряжения на 2,4 В и сверхнизким температурным коэффициентом

    Оба входных канала напряжения и тока (CH0, CH1) имеют на входе усилители с задаваемым коэффициентом усиления PGA и два 16-битных дельта-сигма АЦП, преобразующих входной сигнал в цифровой, пропорциональный значению MCLK/4.

    Рекомендации по выбору коэффициента усиления PGA в зависимости от типа используемого шунта, его номинала и требований к потреблению приводятся в документации на микросхемы и в примерах применения (AN994, AN939).

    Активная мощность представляет собой постоянную составляющую сигнала мгновенной мощности. Таким образом, значение активной мощности получается фильтрацией ФНЧ мгновенного сигнала.

    Преобразователь цифрового сигнала в импульсы преобразует активную мощность в импульсы на своем выходе с частотой, пропорциональной среднему значению действительной мощности. Таким образом, полученный низкочастотный сигнал на выходах FOUT0 и FOUT1 можно использовать для непосредственного подключения механического отсчетного устройства. Каждый импульс соответствует фиксированному количеству потребленной активной мощности. Эта пропорциональность устанавливается логическими уровнями на входах F2, F1, F0.

    Выход HFOUT — высокочастотный выход, пропорциональный мгновенному значению потребляемой мощности.

    Частота на выходе Fout может быть найдена из выражения (1),

    где: V0 — среднеквадратичес-кое значение дифференциального напряжения канал CH0;

    V1 — среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH1;

    G — коэффициент усиления PGA канал CH0 (канал тока);

    Fc — частотная константа;

    Vref — опорное напряжение.

    При этом если на входе мы измеряем постоянное напряжение, постоянное и действующее значение будут одинаковы. Если же входной сигнал синусоидальный, активное значение будет вычисляться как V/sqrt(2). Константа Fc зависит от настроек выходов F и F

    Высокочастотный выход HFout имеет меньший период интегрирования. Сигнал на этом выходе определяется из уравнения (2),

    v ref)

    V0 — среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH0;

    V1 — среднеквадратическое значение дифференциального напряжения канал CH1;

    G — коэффициент усиления PGA канал CH0 (канал тока);

    HFc — частотная константа;

    Vref — опорное напряжение.

    Константа HFc зависит от настроек выходов FOUT1 и FOUT2.

    Аналоговые входы MCP390x могут подключаться непосредственно к преобразователям напряжения и тока (токовым шунтам и трансформаторам). Каждый канал имеет встроенную защиту и допускает подачу напряжения ±6 В.

    Оба входных канала полностью дифференциальные для эффективного подавления шумов. Абсолютное значение напряжение на каждом из входов во время измерения должно быть в пределах ±1 В, чтобы обеспечить необходимую точность измерений. Синфазные сигналы должны быть подтянуты ко входу AGND.

    Каждый из каналов содержит PGA для измерения малых сигналов без дополнительной обработки. Максимальное дифференциальное напряжение канала CH0 ±470 мВ/Кус. Задание коэффициента усиление осуществляется логическими уровнями на входах

    Помимо отдельных микросхем измерения энергии компания Microchip предлагает разработчикам и производителям счетчиков готовый дизайн 3-фазного счетчика на основе микросхемы измерения энергии МСР3909 и контроллера PIC18F2520 (рис. 4).

    Рис. 4. внешний вид трехфазного счетчика на основе микросхемы МСР3909 и контроллера PiC18F2520

    Основные особенности готового дизайна

    • Полностью функциональный 3-фазный счетчик;

    • Импульсный выход, пропорциональной активной энергии, выход активной мощности, действующего значения тока и напряжения;

    • 62 выходных регистров с последовательным доступом, накапливающие значения измеренной мощности во Flash-памяти;

    • 54 калибровочных регистра, обеспечивающие сдвиг, корректировку коэффициента усиления, фазы, МЗР и регистрацию во Flash-память;

    • Высокоточный встроенный в МСР3909 16-битный АЦП, 128 выборок за цикл;

    • Простые для понимания команды записи калибровочных регистров в ЕЕРИОМ;

    • 64-разрядный регистр для накопления активной энергии;

    • Одноточечная калибровка нелинейности для токового трансформатора;

    • Многоточечная калибровка (поддержка в скором будущем);

    • Измеренное значение активной мощности доступно по USB-шине в реальном масштабе времени;

    • Автоматизированная калибровка с помощью программной утилиты;

    • Соответствие стандарту IEC;

    • Работа под ОС Windows®2000, Windows®XP.

    Рис. 5. Функциональная схема 3-фазного счетчика

    В заключение стоит отметить, что компания Microchip, предлагает разработчикам и инженерам, занимающимся проблемами автоматизированного измерения как готовые дешевые схемы измерения энергии МСР390х, отвечающие международным стандартам IEC для дизайна простейших счетчиков, так и контроллеры PIC для построения более сложных счетчиков энергии, с индикацией, многотарифных счетчиков, счетчиков с записью данных в EEPROM и т.д.

    Подробная информация о имеющихся решениях в области построения счетчиков, примеры кода программ, готовый дизайн 3-фаз-ного счетчика, рекомендуемые контроллеры PIC и DSP-контроллеры dsPIC доступны на сайте Microchip по прямой ссылке: www.microchip.com/meter.

    Центр Технической поддержки Microchip в России проводит семинары по новинкам, осуществляет поддержку и консультацию разработчиков, в том числе, и в области энергометрии.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector