2. Цифровое отсчетное устройство
ЦОУ – цифровое отчетное устройство, применяемое в цифровых измерительных приборах, автоматически выдающее результат измерения в принятых единицах (герцах, вольтах, амперах, и т.п).
Обобщенная структурная схема ЦОУ представлена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема ЦОУ
Электронный счетчик импульсов СТ состоит из нескольких последовательно соединенных счетных декад, каждая из которых соответствует определенному порядку частоты fx(единицам, десяткам, сотням Гц и т.д.) Обычно, для удобства дальнейшей обработки и индикации, используются двоично-десятичные счетчики, работающие в двоично-десятичном коде 8–4–2–1.
На входе ЦОУ обычно присутствуют дешифраторы, преобразующие двоично-десятичный код 8–4–2–1 в десятичный, и управляющие работой соответствующих им десятичных индикаторов. Кроме того, для хранения результата измерения, перед дешифраторами обычно стоят регистры данных, в простейшем случае представляющие собой триггеры-защелки, переводимые в режим хранения данных по команде "Запись".
В качестве примера на рис. 5. приведена принципиальная схема ЦОУ на четыре десятичных разряда отображаемых данных, работающая в режиме подсчета приходящих на ее вход импульсов. Такая схема ЦОУ может быть применена в частотомерах, периодомерах и других цифровых измерительных устройств, основанных на подсчете числа импульсов за заданный интервал времени.
В этой схеме в качестве счетчиков используются модели 4-х разрядных двоично-десятичных счетчиков 74LS90N(отечественный аналог К555ИЕ2), микросхемы 74LS75D(четыре триггера с инверсным и прямым выходом – К555ТМ7). В качестве индикаторов применены модели семисегметных светодиодных индикаторов со встроенными дешифраторами DCD_HEX_DIG_GREEN.
Рис. 5. Принципиальная схема ЦОУ на четыре десятичных разряда
С функционального генератора подается периодический сигнал прямоугольной формы амплитудой 5 В и частотой следования импульсов от 1 Гц до 100 Гц.
Ключи, управляемые клавишами "A" и "Z" предназначены для управления работой ЦОУ, операциями "Сброс" и "Запись" соответственно.
Резисторы R1 иR2, подключенные к источнику постоянного напряжения +5В, служат для установки уровня "логическая 1" на соответствующих входах двоично-десятичных счетчиковD1,D3,D5,D7 и триггеровD2,D4,D6,D8.
Для того чтобы максимально приблизить время моделирования схемы к реальному времени необходимо произвести соответствующие установки в настройке программы моделирования MultiSim9. Пример таких установок показан на рис. 6.
Рис. 6. Пример задания Time Step
Для этого необходимо через команду Simulate активизировать окно задания интерактивной установки параметров моделирования Interactive Simulation Setting, нажать в открывшемся окне клавишу More и установить в дополнительном нижнем окне значение параметра Initial time step (TSTEP) значение 0,01 Sec.
3. Блок управления частотомера
В самом простом случае блок управления частотомера должен вырабатывать сигналы обнуления (сброса счетчиков импульсов в "0"), записи (сигнала, по которому происходит перезапись в регистры информации о состоянии счетчиков после цикла измерения частоты) и непосредственно формирования импульса длительностью Т0, в течении которого происходит измерение частоты входного сигнала.
Последовательность выработки таких сигналов во времени должна быть следующей: вначале вырабатывается импульс длительностью Т0, подаваемый на селектор импульсов, в течении которого сформированная входным формирователем последовательность импульсов с частотой следования fx проходит на счетчик С; затем после окончания импульса формируется сигнал "запись", переписывающий состояние счетчика С в регистр; после окончания действия импульса "запись" вырабатывается импульс обнуления, с помощью которого счетчик С сбрасывается в нулевое состояние, подготавливаясь с следующему циклу измерения.
Далее весь процесс повторяется, образуя тем самым автоматическое измерения входной неизвестной частот fx. Пример временных диаграмм сигналов, вырабатываемых блоком управления, приведен на рис. 7.
Рис. 7. Временные диаграммы сигналов блока управления
На рис. 7 приняты следующие обозначения:
Ufх - исследуемый сигнал с частотой следованияfx;
UTo - разрешающий сигнал (импульс), длительность которого определяет время измерения Т0;
U-Sel - выходной сигнал селектора, определяющий значение измеряемой частоты входного сигнала fx;
U-Zap – сигнал "запись", переписывающий состояние счетчика С в регистр;
U-"0" – сигнал "обнуление", сбрасывающий счетчик С в нулевое состояние.
Пример модели блока управления приведен на рис.8.
Рис. 8. Принципиальная схема блока управления
В качестве D1 применена микросхема 74ALS74AN (отечественный аналог - КР1533ТМ2), содержащая два независимых D-триггера, имеющих общую цепь питания. Элементы микросхемы D2 типа 74ALS00M (отечественный аналог - КР1533ЛА3) – логические элементы 2И-НЕ.
Интегрирующие и дифференцирующие цепи, образованные резисторами и конденсаторами, служат для задания задержек между импульсами To, записи и обнуления.
На вход блока управления с функционального генератора ЧАП1 подается прямоугольный сигнал амплитудой 5В с частотой следования 1 Гц.