Міністерство освіти РФ
Уральський Державний технічний університет
Кафедра Автоматика і управління в технічних системах
Допустити до захисту ______________
Зав. кафедрою В.Г. Лісіенко

Регульований смуговий фільтр

курсовий проект
пояснювальна записка
2101 420 000 005 ПЗ

Керівник

доц. к.т.н. ___________________ В. І. Паутов
Нормоконтролер
доц. к.т.н. __________________ Н. С. Калінін
Студент
Гр. Р-301 __________________ А. C. Мохов

Єкатеринбург

2006

Реферат

Розглянуто регульований смуговий фільтр зі смугою пропускання порядку 20 Гц зі зміною f _р в діапазоні частот від 1 до 10 кГц, керований 8-розрядним кодом. При цьому не змінюється ширина смуги пропускання і коефіцієнт підсилення. Смуговий фільтр складається з магістрального приймача послідовного сигналу, 8-розрядного регістра зсуву з послідовним входом, 10-розрядного цифро-аналогового перетворювача, смугового фільтра 3-го порядку на трьох операційних підсилювачах, схеми управління, яка складається з: RS-тригера, логічного елемента 2І-НЕ з тригером Шмідта, двох затримують схем, лічильника на 2 і на 8 в одному корпусі і логічних елементів 3И і 2І-НЕ.
Розроблено структурну і принципова схеми пристрою.
Перетворювач може застосовуватися для виділення аналогового сигналу необхідної частоти з виділенням із зазначеного вище діапазону частот, причому управлятися він може від ЕОМ через стандартний інтерфейс RS- 232C com-порту. Причому змінити діапазон частот, а також ширину смуги пропускання можна невеликий підстроюванням смугового фільтра підбором необхідних опорів і конденсаторів.
Проект містить 16 стор, 8 мал., 1 стор додатків, 6 назв. бібл.

Зміст
ЗАВДАННЯ НА ПРОЕКТУВАННЯ
РЕФЕРАТ
ЗМІСТ
ВСТУП
1. СТРУКТУРНА СХЕМА
2. Принципова СХЕМА
2.1 Вибір основної елементної бази
2.2 Визначення параметрів RC ланцюжка на вході генератора
2.3 Опис принципу роботи
2.3.1 Робота МП
2.3.2 Робота регістра зсуву
2.3.3 Передача даних з регістра на ЦАП
2.3.4 Робота ЦАП
2.3.5 Робота фільтра на операційних підсилювачах
2.3.6 Робота схеми управління
3. КОНСТРУКТИВНЕ ОФОРМЛЕННЯ
ВИСНОВОК
БІБЛІОГРАФІЧІСКІЙ СПИСОК
ДОДАТОК Перелік елементів

Введення
У даній роботі необхідно розробити смуговий фільтр, з шириною смуги порядку 20 Гц і діапазоном зміни f _р від 1 кГц до 10 кГц, керований 8-розрядним кодом.
Потреба в такому фільтрі з'являється через прагнення зменшити розміри приладів, які використовують такі перетворювачі, і через прагнення зменшення часу та ресурсів, що витрачаються на роботу, а так само через універсальність даного приладу і можливості працювати із стандартним інтерфейсом com-порту ЕОМ .
Поставлена ​​задача має неоднозначне рішення. Вага цей фільтр міг бути побудований на контролері, що значно спростило б схему і дало можливість працювати з цифровим сигналом.
Даний курсовий проект присвячений розробці структурної і принципової схеми такого перетворювача.
В якості основного елемента перетворювача береться 10-ти розрядний ЦАП з смуговим фільтром, які управляється системою управління. Додатково до ЦАП додаються регістр і магістральний приймач послідовного сигналу з двухпроводной асинхронної лінії, які дозволяють приймати інформацію, а також зберігати її на необхідний для нормальної роботи схеми час. Передбачається, що фільтр працює з діапазоном частот від 1 до 10 кГц.

1. Структурна схема
У ході роботи розроблена структурна схема представлена ​​на рис.1.

МП

RG

ЦАП

G

CУ

Керуючий послідовний код

8 \

8 \

Фільтр

Перетворений аналоговий сигнал

Перетворений аналоговий сигнал

Рис.1. Структурна схема перетворювача
МП - магістральний приймач послідовного коду.
RG - регістр.
ЦАП - перетворювач аналогового напруги в двійковий код. ЦАП з фільтром є основними елементами перетворювача.
CУ - схема управління.
G - генератор тактових імпульсів.
Опис принципу роботи.
Інтерфейс RS- 232C використовує несиметричні приймачі та передавачі, сигнал передається відносно загального проводу (схемної землі). Інтерфейс RS- 232C не забезпечує гальванічної розв'язки пристроїв. Логічною одиниці на вході приймача відповідає рівень напруги -3 ... -12 В. Логічному "0" відповідає напруга +3 ... +12. Між рівнями +3 ... -3 У існує зона нечутливості, обумовить гістерезис приймача. Стан на виході приймача змінюється тільки при перетині напругою порога +3 або -3 В. Рівні сигналів на виходах передавача повинні лежати в діапазоні +5 ... +12 В або -5 ... -12 В.
При включенні схеми СУ кнопкою з поверненням скидаємо всі елементи в початкове положення.
SHAPE \ * MERGEFORMAT

Рис. 2. Представлення коду інтерфейсу RS- 232C

На МП надходить вхідна інформація у вигляді двійкового 8-розрядного послідовного коду по інтерфейсу RS- 232C . МП перетворює код інтерфейсу RS- 232C в стандартний послідовний код ТТЛ рівня. При відсутності сигналу з com-порту на лінію подається " 1 " , При передачі «пачки» інформації з порту, що складається зі стартового біта, рівень якого " 0 " , І наступних за ним 8 інформаційних бітів з бітом парності і стоп-бітом, СУ спрацьовує на передній фронт стартового біта і запускає генератор тактових імпульсів, але з деякою затримкою, щоб пропустити стартовий біт. Затримка здійснюється затримує ланцюгом перед генератором (рис. 2).
Для синхронізації прийому регістром сигналу з послідовного порту ЕОМ необхідно, щоб частота тактового генератора F _З збігалася зі швидкістю передачі по лінії (рис. 2), для цього треба при складанні програмного забезпечення для управління даними фільтром примусово задати швидкість передачі коду з com-порту, для роботи з якою розрахований генератор тактових імпульсів (див. нижче).
Далі на тактовий вхід регістра зсуву з послідовним входом подається вісім імпульсів з частотою F _С для запису з подальшим зрушенням кожного з восьми бітів інформації. Після цього подається дев'ятий тактовий імпульс на ЦАП для зчитування їм з регістра паралельного 8-розрядного коду і перетворення його в напругу, що управляє самим смуговим фільтром.
Для наочного подання роботи всієї схеми нижче дані тимчасові діаграми управління кожної мікросхемою фільтра [2,3,5].

ТИМЧАСОВА ДІАГРАМА

вихід СУ вхід RG (C2)

вихід МП вхід СУ

вихід СУ вхід ЦАП

START 0 1 2 3 4 5 6 7 Парність

Немає інформації

2. Принципова схема
На основі структурної схеми регульованого смугового фільтра розроблена принципова схема.
2.1 Вибір основної елементної бази
В якостi магiстрального приймача взята мікросхема К1102ЛП1. Як 8-розрядного регістра з послідовної завантаженням і з паралельним зчитуванням мікросхема К555ІР8, а в якості ЦАП - мікросхема К1118ПА2 в режимі роботи ТТЛ. Як генератор узятий логічний елемент 2І-НЕ з тригером Шмідта - мікросхема К155ТЛ3. Системою управління є набір логічних елементів, включаючи асинхронний лічильник К155ІЕ5, RS-тригер К555ТР2, логічний елемент 3И - К555ЛІ3 і 2І-НЕ - К155ЛА3, функції яких описані нижче [1,4,6].
2.2 Визначення параметрів RC ланцюжка на вході генератора (DA 1.1)

&

Від RS-тригера

До лічильнику й до регістру зсуву

R1

R2

C1 C2

TR

V

1 3 2

Рис.3. Генератор тактових імпульсів на мікросхемі К155ТЛ3
Враховуючи, що швидкість передачі необхідно встановлювати примусово при управлінні фільтром з com-порту, будемо вважати достатньою частоту тактового генератора близько 20 кГц, тоді R2 = 250 Ом і С1 = С2 = 0,1 мкФ, а R1 = 500 Ом (рис. 3 ). Ланцюг затримки перед генератором служить для того, щоб пропустити стартовий біт і записувати в регістр інформацію з першого інформаційного біта.
2.3 Опис принципу роботи
2.3.1 Робота МП (DD 1.1)
Магістральний приймач (рис. 4) перетворює рівні напруги сигналу з послідовної лінії com-порту до рівня ТТЛ. У сигналі, що приходить з порту, рівень одиниці -3 .. -12 В, що відповідає 2,4 .. 5 У в ТТЛ, а рівень нуля +3 .. +12 В, що відповідає 0 .. 0,8 В в ТТЛ. Харчування: висновок 1 - +5 В, 4 - загальна шина.

До регістру зсуву і до схеми управління

Лінія зв'язку

Рис. 4. Магістральний приймач (DD 1.1)
2.3.2 Робота регістра зсуву (DD 2.1)

>> З k C 2 & A A

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

Від схеми управління

Від магістрального приймача

До ЦАП

8 9 1 2

3 4 5 6 10 11 12 13

+5 В

RG

Рис. 5. Регістр зсуву з послідовною завантаженням і паралельної вивантаженням.
На вхід 2 подається послідовний сигнал (рис. 5), перетворений в рівень ТТЛ магістральним приймачем DD1.1. На входи 1, 9 подається напруга +5 В, а виходи 3 - 6, 10 - 13 через 8-розрядну шину під'єднані до ЦАП (DD2.2), по них передається паралельний код управління. До входу 9 також приєднана кнопка скидання з поверненням. Харчування: вивід 10 - загальна шина, 5 - +5 В.
На схему управління проходить фронт імпульсу стартового біта, який проходячи через RS-тригер DD3.1 запускає генератор DD3.5 з запізненням, необхідним, щоб пропустити стартовий біт. Тактові імпульси подаються прямо на вхід 8 мікросхеми DD2.1, які зрушують код на виходах 3 - 6, 10 - 13 на один розряд і записують в звільнився регістр. Тактові імпульси також подаються на лічильник DD3.2, виходи якого приєднані логічного елементу DD3.3 3И, який при досягненні восьми тактів подає скидальний імпульс на DD3.1, причому з затримкою, необхідної, щоб пропустити біт парності з com-порту, а також з DD3.3 йде керуючий імпульс на DD2.2, по якому відбувається перетворення двійкового паралельного коду в напругу.
2.3.3 Передача даних з регістра на ЦАП
Після восьмого такту імпульс з DD3.3 подається на вхід DD2.2 по якому відбувається зчитування коду по шині з DD2.1 і перетворення його в напругу.
2.3.4 Робота ЦАП (DD 2.2)
Безпосереднє управління смуговим фільтром відбувається за допомогою ЦАП (рис. 6), з виходу якого подається керуюча напруга на затвори польових транзисторів з pn-переходом.

ЦАП

L D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10A D10B

21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 19 16

До регістру зсуву

H D2 2C D1 G C

20 19 17 16 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2

C

R

До схеми управління

Рис. 6. Схема підключення ЦАП (DD 2.2)
На входи 16,19,23,25,27,29,31,33,35,37,39 подається паралельний код управління. Входи 11,20,21 і всі ін незадіяні входи приєднуються через резистор R = 3 кОм до загальної шини. На вхід 9 подається харчування-5В, а на вхід 2 - + 5 В. На вхід чотири подається опорна напруга ± 5 В. Через вихід 7 подається утворене напругу в межах 0 .. -1,024 В.
2.3.5 Робота фільтра на операційних підсилювачах
На малюнку 7 всі елементи DA1 - операційні підсилювачі К140УД11, досить швидкодіючі. Харчування: вивід 4 - -20 В, висновок 7 - +20 В. С1 = С2 = 0,1 мкФ, R1 = R2 = 160 Ом, R3 = R5 = 10 кОм, R6 = 8 кОм, R4 = 80 кОм. Даний фільтр дозволяє змінювати f _p незалежно від ширини смуги пропускання і коефіцієнта посилення.

Рис. 7. Схема смугового фільтра

Для цієї мети служать елементи V1 і V2 - польові транзистори типу КП312A. При зменшенні напруги на виході DD2.2 від 0 до -1 В (і, відповідно, на затворах польових транзисторів) опір n-канальних полярних транзисторів збільшиться і відбудеться зсув смуги пропускання в бік менших частот.
2.3.6 Робота схеми управління

Перетворений в Управління на регістр зсуву Управління на ЦАП ТТЛ сигнал з МП                                                   R 1             DD3.1 R2 DD3.5 DD3.2 D1 DD3.3 C1 C2                                        R 3                 DD 3.4                                  D 2                         C 3 +5 У Рис. 8. Схема управління.

В якості логічного елемента 2І-НЕ взята мікросхема К155ЛА3 на вхід 14 подається живлення +5 В, висновок 7 - загальна шина (рис. 8), і D1 і D2 діоди типу AA113A. При натисканні кнопки К з поверненням скидається лічильник. Схема затримки перед елементом DD3.4 з тими ж параметрами, що й перед генератором, тобто R3 = R2, C3 = C1.

3. Конструктивне оформлення
Наш пристрій розмітити на стандартній платі. Мікросхеми розмітити на координатній сітці. Крок координатної сітки відповідає висновкам мікросхем.
Для того, що б вибрати матеріал для друкованої плати необхідно, що б цей матеріал відповідав наступним вимогам:
- Стійкість до механічних впливів
- Хороші теплові характеристики
- Високий питомий опір
- Діелектрична проникність ≈ 1
- Висока надійність
Матеріал для виготовлення ДП вибирається за ГОСТ 10316 - 78.
Порівняльні характеристики матеріалів друкованих плат зведені в таблицю
Як матеріал для друкованої плати використовуємо склотекстоліт фольгований марки СФ-2Н-50Г тому експлуатаційні характеристики стеклотекстолита краще, ніж у гетинаксу. ТКР міді відрізняється від ТКЛР гетинакса в 6-12 разів, а від стеклогекстоліта в 3 рази, що значно зменшує ризик появи розривів при пайку.
Після виготовлення прочистити спиртом і покрити матовим лаком.

Висновок
У результаті проведеної роботи було розроблено смуговий фільтр зі смугою пропускання 20 Гц, а також з можливістю зміни частоти пропускання в діапазоні від 1 до 10 кГц в залежності від коду управління, що подається з послідовного порту ЕОМ типу IBM.
Були розроблені структурна і принципова схеми смугового фільтру, і конструктивне виконання.
Даний фільтр легко може знайти застосування в різних сферах науки і техніки. У різних системах, де потрібно виділення аналогового сигналу певної чистоти з управлінням від ЕОМ (наприклад, верстати з програмним управлінням, системи обробки звуку, на виробництві в різних технологічних процесах, де потрібно відстежувати зашумлені сигнали та ін.)

Бібліографічний список
1. Шило В.Л. Популярні цифрові мікросхеми: Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 1987. - 416 с., Іл.
2. Федорков Б.Г., Телець В.А. Мікросхеми ЦАП і АЦП: функціонування, параметри, застосування. - М.: Вища школа, 1990. - 320 с., Іл.
3. Воробйов М.І. Проектування електронних пристроїв: Учеб. посібник для вузів за спец. «Автоматика і упр. у техн. системах ». - М.: Вищ. шк., 1989. - 223 с., Іл.
4. Цифрові та аналогові інтегральні мікросхеми: Довідник / За редакцією Якубовського С.В. - М.: Радіо і зв'язок, 1990. - 496 с., Іл.
5. Паутов В.І. Лекції з електроніки. III-курс спец. «Автоматика і упр. у техн. системах ». 2001.
6. Довідник з інтегральних мікросхем Тарабін Б.В., Якубовський С.В. та ін М.: Е., 1980, 816с., іл.

ДОДАТОК

 

ПЕРЕЛІК ЕЛЕМЕНТІВ

 

Поз. позн.	Найменування	Кол.	Примітка
DD1.1	Мікросхема К1102ЛП1 БКО. 348.685 ТУ	1
DD2.1	Мікросхема К555ІР8 БКО. 348.685 ТУ	1
DD2.2	Мікросхема К1118ПА2 БКО. 348.685 ТУ	1
DD3.1	Мікросхема К555ТР2 БКО. 348.685 ТУ	1
DD3.2	Мікросхема К155ІЕ5 БКО. 348.685 ТУ	1
DD3.3	Мікросхема К555ЛІ3 БКО. 348.685 ТУ	1
DD3.4	Мікросхема К155ЛА3 БКО. 348.685 ТУ	1
DD3.5	Мікросхема К155ТЛ3 БКО. 348.685 ТУ	1
DА1.1 - DA1.3	Мікросхема К140УД11 БКО. 348.685 ТУ	3
D1, D2	Діод АА113А	2
V1, V2	Транзистор КП312А	2