Модул за точно време за нуждите на учебния процес във ввову "Васил Левски"

ДИПЛОМНА РАБОТА

Велико Търново

1999г.

1.УВОД
Почти никой вече не се учудва от големите възможности, които осигуряват в бита. Счита се напълно естествено битовата електроника да ни дава възможност да знаем текущото време с точност до секунда, както и без замисляне на справка с календара – деня, месеца, седмицата, годината. С едно натискане на бутон електронният часовник показва времето в Москва, Париж, Лондон или Ню Йорк. Още едно докосване до определен бутон и ние можем да извършим математически пресмятания с калкулатора, вграден в ръчния електронен часовник. На спортните състезния или на плувния басейн ще засечем с точност до стотна от секундата постиженията на няколко състезатели.

Да се изброят всички функционални възвожнисти на съвременните електронни часовникови устройства е много трудно, а още по-трудно е да се предвиди какви ще бъдат те през следващите 5-10 години.

Във всяко едно учреждение, било то военно или цивилно съществуват някакви установени норми, които трябва да се спазват.

Има разпределение на времето, което също трябва да се спазва и за да не възникват спорни и конфликтни ситуации, най-добре би било да има устройство, което да сигнализира за началото и края на процесите в това учреждение. В основата на тези устроиства стоят електронните часовници.

Целта на тази дипломна работа е да се проектира модул за точно време за нуждите на учебния процес във ВВОВУ “В.Левски”. Той ще отчита началото и края на учебните часове и междучасията и ще подава необходимите сигнали за звукова сигнализация към системата за озвучаване на плаца на училището.
2.ГЛАВА I
2.1.Съставни блокове на електронните часовникови устройства
Съввременните електронни чосовникови устроиства са изгврадени на базата на различни електронни елементи. Независимо от това обаче дали устройството е изпълнено с транзистори и диоди или с интегрални схеми с голяма, средна или малка интеграция, във всяко схемно решение можем да различим блоковата структура показана на фиг.1.1.

Блоковете “Генератор”, “Управляващо логическо устройство”, “Индикация” и “Захранване” в повечето случаи са задължителни. Блокът “Памет” може да има различни модификации, като най-често неговата роля се изпълнява от делителите на еталонната честота.

В зависимост от предназначението си електронното часовниково уствройство може да има специфично управляващо логическо устройство, включващо в себе си и електронна или механична памет.

Блокът “Индикация” може да бъде изпълнен също в най-различни варианти в зависимост от избрания тип индикаторни елементи. Така например при часовникови устройства с аналогова индикация, най-често се използват стъпковите постояннотокови двигатели. В този случай стъпковият двигател изпълнава ролята на блоковете “Делители” и “Памет”. Генераторният блок може да се изпълни също в различни модификации в зависимост от изискванията за точност и стабилност на еталонната честота, с която работи електронното часовниково устройство.

Захранващият блок може да бъде или сложно електронно устройство или пък миниатюрна батерия или акумулатор в зависимост от конкретните изисквания към него.
2.1.1.ГЕНЕРАТОРИ
П
рието е стабилността на електрическите трептения на един генератор да се оценява с величината “относителна честотна нестабилност” - 

където:

f-максималното отклонение от честотата на настройката в резултат на измененията внесени от дестабилизиращите фактори.

При едновременно влияние на няколко дестабилизиращи фактора общата относителна нестабилност  се определя от алгебричната сума на относителните нестабилности, отчитащи влиянието на всеки фактор поотделно. Най-съществено значение обаче имат температурата и захранващото напрежение.

В зависвимост от това, с каква точност трябва да бъде проектираното устройство се избира и конкретната схема на задаващия генератор – 3Г.

Стабилността на показанията на електронните часовникови устройства, използвани в бита се счита за достатъчна, ако в течение на един месец не се налага сверяване с еталон като еталони могат да бъдат използвани сигналите за точно време на Астрономическата обсерватория, предавани по радиото.

Едно денонощие има 86400s., или закръглено 10⁵s.

Това означава, че за да греши най-много с 1s на денонощие устройството тврябва да има 3Г с относителна нестабилност по-добра от 10⁵.
2.1.2.ДЕЛИТЕЛИ
За да може периодът на трептенията на 3Г да стане съизмерим с интервала от време, който ще индикира часовниковото устройство, необходимо е най-напред еталонната честота да бъде разделена до 100Нz за хронометрите и до 1Нz за часовниците и релетата. По нататък деленето се съпътствува с броене на импулсите.

Деленето на честотата и броенето на импулсите се извършва от еднотипни устройства, в основата на които стои тригерната клетка.

Тригерът има две устойчиви състояния и представлява най-простият брояч, с който могат да се преброят два импулса. Броячите на по-голям брой импулси представляват различни съчетания от тригери и свързващи ги логически елементи.

Най-често един брояч съдържа n последователно свързани тригери, като общия брой на състоянията му е К=2ⁿ.

Числото n оппределя броя на разредите на двоичното число, което може де се запише в брояча, числото К се нарича коефициент на броене. Ако на входа на един брояч постъпят повече от К на брой импулси, той се запълва и при К+1 импулс започва да брои отначало. След всеки К-ти импулс на изхода на брояча се получава един импулс за пренос. Неговата честота е К пъти по-ниска от честотата на входните импулси. Това определя и второто основно приложение на тригерите броячи – използването им и като делители на честотата. В този случай числото К се нарича коефициент на делене. Всеки брояч може да изпълнява ролята на делител, докато обратното не винаги е възможно.

Основните характеристики на делителите/броячите/ са следните:

-сигурност в работата;

-неизменност на коефициента на делене;

-честотен обхват;

-време на установяване;

-входни и изходни амплитудни характеристики;

-температурна зависимост;

Тригерните делители и броячи притежават най-добри характеристики от всички останали делители и затова се прилагат широко в цифровите импулсни устройства.
2.1.3.УПРАВЛЯВАЩИ ЛОГИЧЕСКИ УСТРОЙСТВА
За да работи правилно часовниковото уствройство са необходими и някои допълнителни логически схеми и устройства, които най-общо могат да бъдат разделени по следния начин:

-схеми и логически устройства за динамична индикация;

-схеми за автоматично нулиране;

-схеми за сверяване;

-някои видоизменения на стандартните блокове.

Схемите и логическите устройства за динамична индикация работят на принципа на динамичното възпроизвеждане на информацията, при който се използва инертността на човешкото око. В часовниковите устройства трябва да се извършат няколко вида нулирания, в зависимост от това за какво ще бъде използван часовниковия механизъм. Ако просто индикира астрономическото време е необходимо да се извършват следните нулирания:

-нулиране на броячите до 10;

-нулиране на броячите до 6;

-нулиране на най-старшия брояч до 3;

-нулиране на часовника след 23часа 59минути 59секунди.

В случай, че електронния часовник се използва да засича определен интервал от време “Начало и край на учебния час, както е заданието на дипломната работа” тогава трябва да се извършат следните нулирания:

-нулиране на броячите до 10;

-нулиране на броячите до 6;

-нулиране на часовника след 44 мин. 59сек.(когато часовете са по 45мин.);

-нулиране на часовника след 39мин. 59сек.(когато часовете са по 40мин.);

-нулиране на часовника след 9мин. 59сек.(когато броячите на часовника отчитат междучасията);

Полупроводниковите запомнящи интегрални схеми предлагат редица предимства пред феритните памети както по отношение на сигурност, бързодействие и енергонезависимост, така и по отношение на цената.

Полупроводниковите запомнящи интегрални схеми се разделят на четири основни класа:

-в зависимост от вида на технологията - на МОП и биполярни ЗИС;

-в зависимост от начина на съхраняване на информацията – на статични и динамични ЗИС;

-в зависимост от начина за достъп до съхраняваната информация – на ЗИС с произволен и с последователен достъп;

-в зависимост от възможността за запис на нова информация – на постоянни и оперативни ЗИС.
2.3.5.ЦИФРОВА ИНДИКАЦИЯ
В съвременните часовникови устройства като под индикаторни елементи(ИЕ) се използват т.н. цифрови индикатори. Те се наричат така, тъй като на всеки елемент е изобразена цифра от десетичната бройна система. Освен цифрови се използват индикатори, които изобразяват букви, символи и графични знаци – допълнение към цифровата информация.

Системата за цифрова индикация на дадено съоръжение в по-широк смисъл представлява не само съвкупност от индикаторни елементи, а всички онези устройства, които преработват двоичната информация в двоично-десетична, дешифрират я и създават условия цифровите ИЕ да я индикират безпогрешно.

Съществуват три вида цифрови ИЕ:

-електромеханични ИЕ;

При тях се използва електромагнит, който премества табелка с надпис или знак или шаблон според устройството, зад който има източник на светлина. Тези ИЕ са инертни – реагират на входния сигнал със закъснение от 0,05 до 0,5s.

-Електрооптични ИЕ;

Те са най-разпространените индикаторни елементи. Характеризират се със сравнително висока яркост и голямо бързодействие. Най-същественото им предимство е, че лесно се управляват от електронни схеми.

Голямото разнообразие от електронни индикатори позволява във всеки конкретен случай да се избере най-подходящия от следните типове:

1)Газоразрядни индикаторни лампи; -Произвеждат се в два варианта – с челна и със странична индикация. Катодите са направени от нихромов проводник и са огънати във формата на цифрите от 0 до 9 или на букви, символи и други знаци. Лампите имат общ анод, който представлява една решетка поставена обикновенно пред катодите. Балонът е напълнен с неон с добавка от живак. При подаване на напрежение между анода и един от катодите около последния се получава катодно светене и той става видим. Цветът на светенето е оранжево-червен. За да се филтрира само червения състав на светлината, балонът се оцветява в червено.

Днес газоразрядните индикаторни лампи имат все още приложение в измервателната и друга цифрова апаратура с промишлено предназначение поради редица предимства: висока яркост и контраст, малка консумирана мощност, просто управление, сигурна работа. Техни недостатъци обаче са високото им захранване и относително късия живот.

2)Индикатори със светлинни диоди; -светодиодите преобразуват електрическата енергия в електромагнитно излъчване, основната част на което е във видимата част на спектъра.

Едно от големите предимства на светлинните диоди е, че те се произвеждат по технология, съчетана с технологията на интегралните схеми. Това позволява да се произвеждат индикаторни елементи в общ корпус с управляващата ги електронна схема. Други предимства на светодиодните индикатори са малката консумирана мощност, ниското работно напрежение, малките размери, високата скорост на превключване и дългия им живот. Най-много се произвеждат светодиодни индикатори, които светят с червен цвят, но има светещи със зелен и жълт цвят.

ИЕ построени със светлинни диоди много бързо изместват цифровите газоразрядни лампи главно в изчислителната техника и в измервателната апаратура.

3)Индикатори с течни кристали; -Свойствата на течните кристали се изменят под действието на електрическото поле. Ако течен кристал се постави между две стъклени пластинки(разстоянието между тях трябва да е 10-12m), на чиито вътрешни страни е нанесен тънък слой калаен окис за оформяне на електроди и между тях се подаде напрежение 10-50V, молекулите на течния кристал излизат от стабилното си състояние и започват турболентно движение в отделните микрозони, в резултат на което силно се увеличава разсейването на светлината и прозрачният течен кристал става млечнобял. Ако електродите и течния кристал между тях се оформят във вид на определени числа или други знаци, те стават добре забележими при подаване на напрежение.

От течен кристал могат да се направят различни по големина и обем индикаторни елементи, които за разлика от всички известни до сега индикатори – източници на светлина, само пропускат или разсейват преминаващата през тях светлина и колкото е по-голяма осветеността на околната среда, толкова по-контрастно е изображението.

Индикаторните елементи с течни кристали се използват там, където е необходима малка консумирана мощност – в джобните калкулатори и особено в ръчните часовници с цифрова индикация.

4)Електролуминисцентни индикатори; -Под електролуминисценция се разбира светене, което възниква при възбуждане на твърди, течни или газообразни вещества с променливо електрическо поле, като светещо вещество се използват фосфорни съединения или други вещества на основата на кадмиев или цинков сулфид, наречени луминофори.

Съществуват различни по брой и по форма на сегментите електролуминисцентни ИЕ, но най-разпространени са седесегментните. Имат възможност за построяване на големи по размер панели, например предназначени за реклами или други цели.

5)Вакумни електролуминисцентни индикаторни лампи.

При тези лампи анодът се изпълнява като седем или девет сегмента, които се покриват с луминофор и се подреждат във вид на цифрата 8. Цветът на светене на лампата е зелен.

6)Индикатори с електроннолъчева тръба.

Електроннолъчевите тръби са най-подходящи за поставяне на буквено-цифрови индикатори, тъй като върху техните екрани може да се изпише произволно по сложност изображение и да се събере голяма по обем информация.

7) Индикатори с нажежаема жичка.

Електрическите лампи с нажежаема жичка са топлинен източник на светлина, която се излъчва от нагрята до температура 2500-3000К волфрамова жичка, монтирана в стъклен балон. Последният е напълнен с инертен газ или в него е създаден дълбок вакуум. Жичката се нагрява от протичащия през нея ток. Произвеждат се различни по предназначение лампи.

-захранване на логическите интегрални схеми-ТТЛ или МОС;

-захранване на различните видове индикаторни елементи;

-захранване на електронните превключватели;

-захранване на спомагателните схемни устройства;

Нормалната работа на ИС се гарантира при вариации на захранването 5%, т.е. за ТТЛ ИС това напрежение може да бъде в границите 4,75-5,25V, а за МОС ИС в границите 14,25-15,75V. Трябва да отбележим, че при захранващо напрежение над 5,5V ТТЛ схемите дефектират необратимо. МОС ИС издържат захранване до 18V, но това не бива да се допуска в практиката.

Посочените съображения поставят следните основни изисквания по отнишение на захранващите устройства:

-пулсациите да не превишават 200mV при ТТЛ ИС и 600mV при МОС ИС;

-да имат постоянни параметри във времето;

-да са защитени от претоварване и късо съединение;

-да предпазват захранваните от тях устройства от претоварване;

Много често часовниковите устройства се използват не само за индикация на времето, а като управляващи други блокове и обекти, автоматични съоражения и т.н. Тогава в схемата участват релета, контактори, мощни тиристори и др. Изискванията за захранването на тези съоръжения са различни, според схемното решение и каталожните данни на елементите.

Трябва да се има предвид, че е възможно мощните полупроводникови елементи и искрообразуващите контактни превключватели да смущават работата на МОС ИС за това е абсолютно необходимо захранващия блок за МОС ИС да бъде добре екраниран, както и блоковете, в които участват тези ИС.
2.2. ОСНСВНИ ИЗИСКВАНИЯ КЪМ МОДУЛА ЗА ТОЧНО ВРЕМЕ
Към модула за точно време могат да бъдат предявени следните изисквания:

-да бъде разработен като отделен независим модул;

-да е предвидена възможност за времеотчитане на часовете в два варианта (45`и 40`);

-отчитаното време да бъде достатъчно точно;

-да има възможност за подключване към него на сигнализираща апаратура;

-в устройството да е предвидена и светлинна индикация показваща текущото време от учебния час или междучасието и номера на поредния час;

Правилната разработка на модула изисква познаване на принципите на работа на основните логически елементи.

Необходимо е използването на литература, която разглежда работата на основните цифрови схеми взаимовръзката с тях, както и работата на електронните часовникови устройства.

Поради масовото използване на електронни часовници за различни нужди, тяхната работа е описана в различни литературни източници. Затова някои схемни решения могат да се използват с минимална доразработка.
3.ГЛАВА II
3.1.ОБОСНОВКА НА СТРУКТУРНАТА СХЕМА
Изхождайки от заданието и изводите направени в предходната глава се стига до решението, че модулът трябва да има две основни логически вериги:

-Часовниково устройство - то отчита и индикира подължителността на часовете и междучасията и номера на поредния учебен час;

-Устройство за сигнализация - това устройство изработва звуков сигнал в края и началото на всеки час, който се подава на усилватела на системата за озвучаване на плаца на ВВОВУ ”В. Левски”. Озвучителната система е от линейно-зонален тип и озвучава плац от 24000м². Това означава, че сигналите за начало и край на часовете ще могат да бъдат чути в цялото училище.

Структурната схема на модула е показана на фиг.3.1

Модулът за точно ввреме ще се пуска от дежурния по училище и е се изключва от него. Светлинната индикация ще бъде на лицевия панел на модула, а звуковата сигнализация ще се чува на тонколоните намиращи се на плаца. Предвидена е въжможност за регулиране на тона на звуковия сигнал.


3.2. ОБОСНОВКА НА СТРУКТУРАТА НА ЧАСОВНИКОВОТО УСТРОЙСТВО
Структурата на часовниковото устройство съдържа основните за един електронен часовник блокове, като тя е опростена до минимум. Блоковете, от които се състои часовниковото устройство са следните:
3.2.1.БЛОК ‘’ГЕНЕРАТОР’’
Това е мултивибратор, който генерира импулси с определена честота. Главно изискване към мултивибратора е голямата стабилност на честотата на генерираните импулси, защото от това зависи точното отчитане на времето от броячите.
3.2.2.БЛОК “ДЕЛИТЕЛИ”
За да може периодът на импулсите на задаващия генератор да стане съизмерим с интервала от време, който ще индикира часовниковото устройство, необходимо е най-напред еталонната честота да бъде разделена до 1Нz(т=1/f=1/1=1s).

Деленето на честотата на импулсите се извършва от еднотипни устройства, в основата на които стои тригерната клетка. Тригерът има две устойчиви състояния и предствавлява най-простия делител на честотата на две.

Дешифраторите преобразуват двоичната информация в двоично-десетична и създават условия цифровите индикаторни елементи да я индикират безпогрешно.

Индикаторният блок е изграден на принципа на статичната цифрова индикация. При този вид индикация към всеки брояч е включен по един дешифратор. За определена двоична комбинация, дешифраторите изработват импулси, чрез които се задействат индикаторните елементи.

Динамичната индикация използва само един канал за предаване на данните от броячите към индикаторните елементи, посредством един дешифратор, но за сметка на това са необходими допълнителни схеми за управление.

Използваните индикаторни елементи са със светлинни диоди, които са седем сегментни. Това обуславя използването на двоично-десетични седем сегментни дешифратори.
3.3.ОБОСНОВКА НА СТРУКТУРАТА НА УСТРОЙСТВОТО ЗА СИГНАЛИЗАЦИЯ
Устройството е предназначено да изработи сигнал със звукова честота, който да сигнализира за началото и края на часовете и междучасията. Този сигнал се подава по-натам към усилвателя на системата за озвучаване на плаца намираща се на трибуната. Състои се от следните блокове:
3.3.1.ВРЕМЕЗАДАВАЩА ВЕРИГА
Тя е съставена от диференцираща верига и чакащ мултивибратор.

*Диференциращата верига е предназначена да отдели границите на импулсите постъпващи на входа й. По този начин се изработват импулси с много малка продължителност, които се явяват пускови импулси необходими за работата на чакащия мултивибратор. Тъй като ще се работи само с импулсите на предния фронт е необходимо импулсите на задния фронт да се премахнат. Импулсите на задния фронт имат обратна полярност и тяхното премахване става чрез включване на изправителен диод в права посока.

*Чакащият мултивибратор изработва импулси с продължителност 10s под въздействието на външен пусков импулс. За правилната работа на мултивибратора във входната му верига се включва инвертор, защото пусковите импулси имат стойност лог.0.
3.3.2.ЗВУКОВ ГЕНЕРАТОР
Това е генератор на звукова честота, който работи в режим “старт-стоп’’ и произвежда прекъснат звуков сигнал. Разрешение за работа на генератора се подава от чакащия мултивибратор с продължителност на импулса t=10s.

По обобщената структурна схема се доказва, че всички функционални възможности на модула са в съответствие с изискванията на заданието и изводите направени в предходната глава.

-с резисторно-транзисторна логика(РТЛ);

-с диодно-транзисторна логика(ДТЛ);

-с емитерно-свързана логика(ЕСЛ);

-с транзисторно-транзисторна логика(ТТЛ);

-с интегрално-инжекционна логика(ИИЛ);

Най-старите ЦИС са от вида РТЛ. Те се появиха при преминаване от дискретни към интегрални компоненти. Предимствата им са в простотата на схемата и добро бързодействие. Недостатъците им са малка товароспособност, значително изходно съпротивление и оттам влияние на товара върху бързодействието.

В схемно отношение ЦИС от вида ЕСЛ се характеризира с общ емитерен резистор на транзисторите. По-принцип консумацията им е по-голяма, защото транзисторите никога не се отпушват напълно и нивата на лог.0. и лог.1. са близки едно до друго. Това е една от причините да притежават особено голямо бързодействие, но едновременно с това малка шумоустойчивост.

Схемите от вида ИИЛ са разпространени в големите и свръх големи биполярни ЦИС. Бързодействието им е добро, а консумацията е малка, което е важно за ЦИС. В момента най-разпространени са ЦИС от вида ТТЛ. Те притежават голямо бързодействие, добра шумоустойчивост и голяма степен на интеграция. Според технологията ТТЛ интегралните схеми биват биполярни и МОS, респективно СМОS. СМОS схемите имат редица предимства пред биполярните схеми, а именно:

-захранващото напрежение може да бъде в границите /5-15V/ и не е наложителна стабилизацията му;

-постояннотоковата консумация е много малка;

-входният импеданс е много голям, при което входният ток е от порядъка на рА;

-имат голяма степен на интеграция;

Биполярните схеми превъзхождат СМОS схемите по един основен параметър-бързодействието. А именно този параметър е от голямо значение за работата на модула за точно време.

От направените съпоставки се стига до извода, че основните градивни елементи на модула ще бъдат биполярните ТТЛ интегрални схеми. Такива ЦИС са масово използваните схеми на 74-та ТТЛ серия, която е унифицирана.

4.2.ИЗБОР НА ПРИНЦИПНА СХЕМА НА ЧАСОВНИКОВОТО УСТРОЙСТВО
В тази точка ще бъдат разгледани изчислението и по-елементния разчет на блоковете на часовника.
4.2.1.ИЗБОРИ ИЗЧИСЛЕНИЕ НА МУЛТИВИБРАТОР
Честотата на генерираните импулси ще бъде 100КНz, за да може тази честота да бъде стабилизирана кварцово. За мултивибратор се използва таймер NE 555, който има следните електрически характеристики:

-максимално захранващо напрежение:Uccmax=16V;

-минимално захранващо напрежение:Uccmin=4,5V;

-ток на консумация при Ucc=5V: Icc=5mA;

-топлинна стабилност: 0,005%/⁰С;

-изходно напрежение при Ucc=5V; Uout=4,2V;

Схемата, по която се проектира мултивибвратора е показана на фиг. 4.1.

Изчислението на времеопределящите елементи R₁, R₂, C₁ става с помощта на фиг. 4.2.

Амплитудната характеристика на изходното напрежение е показана на фиг. 4.3.

При изчислението се определя:

-периода на повторение;

Т=0,685(R₁ +2R₂)С₁ /4.1/

-първи полупериод;

t₁=0,685(R₁+R₂).С₁ /4.2/

-втори полупериод;

t₂=0,685.R₂.С₁ /4.3/

След като се знае честотата f=100KHz, периодът на повторение може да се определи по следния начин:

О
т фиг.4.2. за честота f=100KHz се избира R₁+2R₂=1к.

От условие /4.1./ се намира стойността на кондензатора С_1:

И
збира се стандартна стойност С₁=15nF/6V

Двата полупериода са равни: t₁=t₂=5s

От условие/4.3/ може да се намери стойността на резистора R_2:

И
збира се стандартна стойност: R₂=470/0,25W

За стандартната стойност на R₂ се преизчислява продължителността на втория полупериод t₂.

t₂=0,685 R₂.C₁=0,685.470.15.10^-9=4,83s

От горния резултат се намира стойността на първия полупериод t_1;

t₁=T.t₂=10-4,83=5,17s;

О
т условие/4.2/ се намира стойността на резистора R_1;

Избира се стандартна стойност на резистора:R₁=33/0,25W.

От условие/4.1./ се намира реалната стойност на периода на повторение.

T=0,685(R₁+2R₂)C₁=0,685(33+2.470).15.10^-9=9.998s

З
а честотата на импулсите се получава:

За да се стабилизира честотата до номиналната й стойност се използва кварцов резонатор от типа 13ВН със следните характеристики:

-работен температурен обхват: /-20  70/⁰С;

-температура на настройка: /255/⁰С;

-максимално относително отклонение на честотата в работния температурен обхват: 10.10^-6;

-относително отклонение на честотата при температура на настройка: 1.10^-6

С използването на този резонатор се постига стабилност на честотата:1.10^-6, което означава, че индикираното време ще бъде с голяма точност.

За да не се влияят вътрешните опорни напрежения в таймера от различни шумове към извод 5 на ИС се включва С₂=10nF/6V. Схемата на свързване на мултивибратора е показана на фиг.4.4.
4.2.2.ИЗБОР НА ДЕЛИТЕЛИ НА ЧЕСТОТА
За делител на честота се използва интегрална схема 74LS90 със следните характеристики:

-консумирана мощност:45mW;

-бързодействие:42MHz /24nS/;

На фиг.4.5. е показана схемата на свързване на делител с коефициент на делене К=10. За да се получат импулси с честота 1Hz е необходимо импулсите с честота 100КНz да се разделят от делител с коефициент на делене К=10⁵. Затова се използат пет броя делители с К=10, свързани последователно.

Пълната схема на делителите е показанва на фиг.4.6.
4.2.3.ИЗБОР НА БРОЯЧИ
За броячи се използват същите интегрални схеми от типа 74LS90. Използват се 6 броя броячи /по два брояча за секундите и минутите и по един брояч за поредния учебен час и за броене на нулиранията на часовника/.

Схемата на свързване на броячите на часовете и на нулиранията на часовника са аналогични и са показани на фиг. 4.7.

Едно от изискванията към модула за точно време е да има възможност да се отчитат часовете в два варианта 45’ и 40’. Освен това трябва да се регистрира и начало и край на междучасията.

С цел да се избегне претрупването на схемата с броячи, което би увеличило и консумацията се използват едни и същи броячи и за часовете и за междучасията. Това става с внасянето на допълнителни логически елементи свързани във веригите за обратна връзка на броячите.

Избора на това с каква продължителност да бъде учебния час/45’или 40’/ става чрез превключване с ЦК и се извършва от оператора, който пуска модула.

Схемата на свързване на броячите е показана на фиг.4.8.

Като схема И се използва: ИС 74S08: 4 двувходови елемента И с консумирана мощност 130mW.

За схема ИЛИ се използва: ИС 7432: 4 двувходови елемента ИЛИ с консумирана мощност 135mW и бързодействие 4nS.

В
основата на тази схема лежат логическите елементи изпълняващи функцията, чийто аналитичен вид е следният:

Структурната схема е показана на фиг.4.9.

За да се избегне използването на 15 инвертора се използва схемата показана на фиг.4.10., като по този начин се използват свободните логически елементи от ИС използвани в броячите.

За реализирането на тази логическа функция се вземат следните интегрални схеми:

-трите свободни двувходови елемента И от ИС 7408 в схемата на броячите;

-ИС 74S260: 2 петвходови елемента ИЛИ-НЕ. Използват се два броя такива ИС с консумирана мощнист 160mW.
4.2.5. ИЗБОР НА СХЕМА ЗА ОТДЕЛЯНЕ НА НЕЧЕТНИЯ ПО РЕД ИМПУЛС
Тъй като се използват общи броячи и за часовете и за междучасията е необходимо да има схема, която да не допуска брояча на часовете да се задейства след края на учебния час и по този начин да регистрира междучасието.

Изхожда се от факта, че в началото на всеки час схемата за отделяне на първата секунда подава импулс на брояча на нулиранията на часовника. На изходите му се появява двоичния вид на нечетно число/табл.1/. В началото на всяко междучасие на изхода на същия брояч се появява двоичния вид на четно число/0;2;4;6;8/. Следователно за да се отчитат само часовете от брояча на поредния час е необходимо да се отделят само импулсите, които отговарят на нечетно число на изходите на брояча на нулиранията на часовника.

Използват се канонични форми за представяне на логическите функции. Такава форма е дизюнктивно-нормалната форма/ДНФ/. ДНФ се представя като дизюнкция/сбор/ от конюнкции/произведения/ за тези набори на логическата функция, на които тя приема стойност лог.1. В нашия случай това са нечетните числа/1;3;5;7;9/. Конюнкциите се съставят по такъв начин, че да имат стойност лог.1.

О
т таблицата на истинността се съставя аналитичния вид на функцията.

В този вид функцията е сложна и нейното изпълнение ще доведе до използването на излишни логически елементи. Затова функцията може да се минимизира. Минимизацията се извършва с така наречените диаграми на Вейч. Такава диаграма е показана фиг.4.11.

Минимизацията включва съставянето на определен брой клетки. Броят на клетките се определя K=2ⁿ, където n е броя на аргументите. В случая n=4, следователно броят на клетките е К=2⁴=16. За всеки аргумент се запазват половината от клетките, в случая се запазват по 8 клетки за аргумент. От аналитичния израз на функцията за всеки аргумент се намира клетка, на която той отговаря. На мястото в тази клетка се пише 1. След това всички съседни единици се обединяват. Обединенията се извършват само по хоризонтала и вертикала. От направените обединения се съставя новия аналитичен вид на функцията, като новия брой на аргументите съответства на броя на обединенията. Това обаче не изменя първоначалната логическа функция.

М
инимизираният вид на функцията е следния:

От аналитичния израз посредством логически елементи се съставя функционалната схема, която изпълнява зададената логическа функция. Тази схема е показана на фиг.4.12.

За реализирането се използват следните интегрални схеми:

-74S04: 6 инвертора НЕ с консумирана мощност 112mW и бързодействие 3nS;

-74S11: 3 тривходови елемента И с консумирана мощност 94mW и бързодействие 4,7nS

-двата свободни логически елемента ИЛИ от ИС 7432

Използването на свободните елементи от ИС 7432 променя схемата като се запазва изпълнението на логическата функция и тя добива вида на фиг.4.13./т.е. вместо един тривходов логически елемент ИЛИ са използвани два двувходови/.
4.2.6. ИЗБОР НА ДЕШИФРАТОРИ И ИНДИКАТОРНИ ЕЛЕМЕНТИ
Тъй като за изобразяване на минутите, секундите и поредния учебен час се използва статична индикация, за изобразяването на всяка цифра ще е необходим по един дешифратор. Такъв дешифратор е интегрална схема от типа: 74LS48, който има консумирана мощнист 125mW.

За индикаторни елементи се вземат седемсегментни светодиодни индикатори. За индикация на текущия учебен час се използва индикаторен елемент от типа: HD1133g със следните характеристики:

-височина на знака: 13,5mm;

-цвят на светлината: зелен;

-напрежение в права посока: 1,9V;

-ток за сегмент: 5mA;

За индикация на минутите и секундите се използват елементи от типа: HD1107g. Разликата между двата вида индикатори е във височината на знака, която при този тип е 10mm и в разположението на изводите. И двата индикаторни елемента са с общ катод. Понеже напрежението от дешифратора е 5V, а напрежението за сегментите не трябва да е повече от 1,9V е еобходимо да се включи допълнителен товар в катодната верига.

И
зчислява се вътрешното съпротивление на сегментите при напрежение 1,9V.

С
лед това се определя наобходимото съпротивление при напрежение 5V.

Стойността на съпротивлението на допълнителния товар е разликата между двете съпротивления.

И
збира се резистор със стандартна стойност:R=620/0,5W.

Схемата на свързване на дешифраторите и индикаторните елементи за поредния учебен час е показана на фиг.4.14, а за минутите и секундите на фиг.4.15.

*Диференциращата верига трябва да отдели импулс с продължителност 50ms, който ще бъде пусков за чакащия мултивибратор. Определят се времезадаващите елементи.

=R.C; R.C=50ns

За R се взема стандартна стойност 24/1W;

И
зчислява се стойността на С.

Избира се стандартна стойност С=2,2nF/6V.

Преизчислява се времеконстантата на схемата.

=R.C=24.2,2.10^-9=52,8ns

За да се премахне импулса на задния фронт, който е с обратна полярност се включва диод в права посока. Избира се диод КД 4521 със следните характеристики:

-максимално обранто напрежение:U_Rmax=20V;

-постоянен обратен ток:1А;

-постоянно напрежение в права посока:1.2V;

-тип:Si, импулсен;

Диференциращата верига е показана на фиг.3.1.

*Чакащ мултивибратор.

За чакащ мултивибратор се използва таймерната ИС от типа NE 555. Схемата на свързване на външните времезадаващи елементи R8 и С3 и на филтриращия кондензатор С4 в режим на чакащ мултивибратор е показана на фиг.4.16., а входно изходната характеристика на фиг.4.18.

За времеконстантата =10s се избират следните стойности:

R=1м; C=10F

=R.C=1.10⁶ .10.10-⁶=10s

Избират се стандартни стойности:R₈=1м/1W

C₃=10F/6V

Кондензаторът С₄ е със стойност 10nF/6V като предпазва вътрешните опорни напрежения от различни шумове.

За правилната работа на мултивибратора във входната му верига се включва един инвертор, защото пусковите импулси имат стойност лог.0.

За инвертор се използва един от трите логически елемента НЕ от ИС 74S04 използвана в схемата за отделяне на нечетните импулси.

В посочената схема на устройство за звукова сигнализация като особеност може да се отбележи, че изходният сигнал е симетричен с еднакъв коефициент на запълване, независимо от промяната на честотата. При използването на правоъгълен сигнал, на който времетраенето на импулса е равно на времетраенето на паузата се получава особено приятен тон. С логическите елементи D7.1 и D7.2 е реализиран генератор на несиметрични правоъгълни импулси. Тези импулси се подават на входа на един Т-тригер, реализиран с елементите D7.3 и D7.4, като на неговите изходи се получават инверсни сигнали, при които времетрането на импулсите и времетраенето на паузата са еднакви и независят от промяната на f. Чрез тригер потенциометъра RР се променя честотата на генерираните импулси, а съответно и тонът на звуковия сигнал. С помощта на един от входовете на първия логически елемент се заставя да работи схемата в режим “старт-стоп”, като разрешение се получава от импулс изработен от чакащия мултивибратор с t=10s. Така устройството ще може да сигнализира за началото и за края на всеки час и междучасие.

Логическите елементи са на базата на ИС 74S00, която има консумирана мощност 100mW. Стойността на кондензатора участващ във времезадаващата група е 0,6F/6V. Тримерпотенциометърът е стандартен R=470/0,5W.
4.4.ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА ЕЛЕКТРОЗАХРАНВАЩАТА СИСТЕМА
Захранването на ТТЛ интегралните схеми е стандартизирано. То трябва да бъде 5V5%. Това означава, че може да бъде в границите/4,755,25/V. Превишаването на тази норма ще доведе до дефектиране на елементите. Следователно напрежението трябва да бъде с голяма стабилност. Коефициентът на пулсации също трябва да бъде малък поради импулсния характер на работа на ТТЛ схемите.

П
ървоначално трабва да се определи консумираната мощност на модула. Това става като се съберат консумираните мощности на всички интегрални схеми. Получава се, че Рсс=2,4W. При захранващо напрежение Uсс=5V, токът на консумация ще бъде:

Изчислението на захранващ блок осигуряващ ток Iсс=1А при захранващо напрежение Uсс=5V/Рсс=5W/, наппълно удоволетворява условието за номинална консумирана мощност на модула.
4.4.1.ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА ТОКОИЗПРАВИТЕЛНАТА СХЕМА
Захранващият блок ще използва входно променливо напрежение 220V, 50 Нz. Токоизправителната схема ще бъде еднофазна, мостова. Изборът на изправителни диоди става след ориентировъчно определяне на параметрите им.

*Параметри на трансформатора.

-Ефективна стойност на вторичното напрежение;

U₂=B.Uсс

-Ефективна стойност на вторичния ток;

I₂=0,707.D.Iсс

-
Ефективна стойност на първичния ток;

-Типова мощност на трансформатора;

Ртип=0,707.B.D.Рсс

*Параметри на изправителните диоди:

-Средна стойност на тока през диода;

Iсд=0,5.D.Iсс

-Ефективна стойност на тока през диода;

Iд=0,5.D.Iсс

-Максимална стойност на тока през диода;

Iдm.0,5F.Iсс

-Обратно напрежение на диодите;

Urm=1,41.B.Uсс

*Коефициент Кr:

Кr.3,5.103

*Киефициент Кl:

Кl=5.102

fп=m.fм /m=2/

*
Коефициент Кn;

За целта се приемат ориентировъчни стойности на коефициентите В1, D2, F6 и по дадените формули се определят параметрите на диодите:

Iсд=0,5.Iсс=0,5.1=0,5A

Iд=0,5.D.Iсс=0,5.2.1=1A

Iдm.0л5F.Iсс=0.5.6.1=3А

Urm=1,41.B.Uсс=1,41.1.5=7,05V

Избират се диоди, на които параметрите са по-големи или равни на получените. Затова се използват 4 броя диоди КД 2003 със следните параметри: Iд=2A; Iдm=5A; Urm=100V;Irm=3mA; Uд=1V.

О
пределят се изходните изчислителни величини:

-съпротивление на диода
-активно съпротивление и индиктивност на разсейване на трансформатора:

к

ъдето:

-Bs- магнитната индукия в ядрата на трансформатора

Вs=(1,6-1,2)T-за fм=50Hz

-S-броят на ядрата носещи намотките

S=1-за Ш-образните ядра

-пълно съпротивление на фазата

R=Rтр+Rд=0,48+0,51

-
фазовия ъгъл между тока и напрежението

Тъй като 10⁰ разсейването се пренебрегва;

-
изчислителен параметър А

За конкретните стойности на А и  от графичните зависимости на фиг.4.19 се определят коефициентите са:В=1,1; D=2,1; F=5,6; H=620;

За новите стойности на коефициентите се изчисляват параметрите на трансформатора:

U₂=B.Uсс=1,1.5=5,5V

I₂=0,707.D.Iсс=0,707.2,1.1=1,48A

Ртип=0,707.D.B.Рсс=0,707.2,1.1,1.5=8,16W

к
ато,
Уточнява се режимът на работа на диодите. За целта се уточнява фактическата стойност на техните параметри:

Iсд=0,5Iсс=0,5.1=0,5A

Iд=0,5.D.Iсс=0,5.2,1.1=1,05A

Iдm=0,5F.Iсс=0,5.5,6.1=2,8A

Urm=1,41.B.Uсс=1,41,1,1,5=7,75V

Избраните диоди изпълняват условията на изчислените параметри. Определя се ориентировъчна стойност на изглаждащия кондензатор.

И

збира се стандартна стойност:С=620F/9V и се определя фактическата стойност на Кn.
4.4.2.ИЗБОР НА СХЕМАТА ЗА СТАБИЛИЗАЦИЯ
Използва се интегрален стабилизатор за фиксирано напрежение с три извода: вход за свързване към нестабилизираното напрежение; изход на стабилизираното напрежение и общ извод копрус.

Тъй като фиксираното напрежение е 5V, за стабилизатор се използва ИС 1РН7805. В изходната верига се включва кондензатор със стандартна стойност С=0,33F/9V.Той подобрява импеданса на стабилизатора и реакцията му при импулсния характер на работа на ТТЛ схемите. Схемата на захранващия блок е показана на фиг.4.20.

-максимална индукция: В=1,1Т

-коефициент на полезно действие:_тр=0,85

-плътност на тока в намотките: =4,8A/mm²

-
коефециент на запълване на прозореца: Кпр=0,5

Изчислява се номиналната мощност на трансформатора:

П
ри избор на типа на ламелата се изчисляват геометричните размери на магнитопровода.

където:

-Snp е площта на прозореца

За Ш-образни бамали от стомана тип43, сечението на магнитепвровода е:

Т

огава за площта на прозореца се получава:

Избира се Ш-образна ламела Ш20 със следните характеристики:

-площ на прозореца: Sпр=3сm²

-сечение на магнитопровода:Sж=4,2сm²

-дебелина на пакета: 21mm

И
зчислява се броя на навивките на волт.

Първичната намотка ще съдържа:

n₁=n₀.U₁=10,7.220=2354 навивки.

Вторичната намотка ще съдържа:

n₂=1,1n₀.U₂=1,1.10,7.5,5=65 навивки.

Д
иаметъра на проводника за първичната намотка е:

П
риема се стандартна стойност d=0,135mm, тип ПЕЛ-1П като на 1сm² броя на навивиките е 3400. Диаметърът на проводника за вторичната намотка е:

Приема се стандартна стойност d=0,86mm тип ПЕЛ-1П със 105 навивки на 1сm²

П
роверява се запълването на прозореца:

К
оефициентът на запълване на прозореца е:

Кпр<0,5 от което следва, че намотките ще се съберат в прозореца.
4.5.ИЗВОДИ ЗА ПРИНЦИПНАТА СХЕМА
Избраната схема на модула е в съответствие с изискванията на заданието. Стабилността на честотата на генератора на часовниковото устройство е 1.10^-6, което означава, че индикирането време е с голяма точност. Индикацията на чосовете и междучасията е четриразрядна, светодиодна. Устройството за звукова сигнализация изработва импулси, които задействат звуков генератор за отчитане на началото и края на часовете и междучасията. Захранването на елементите е 5V-високо стабилизирано и с малък коефициент на пулсациите.
5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Имайки в педвид извършената рвабота може да се каже, че целта, която беше поставена в увода е постигната. Разработеният назависим модул за точно време е в съответствие с изискванията на заданието. Основните задачи, които бяха поставени са изполнени:

-Избор и изчисление начасовниковото устройство;

-Избор и изчисление на устройството за звукова сигнализация;

-Пълен електрически разчет на електрозахранващата система;

-Времеотчитане на учебните часове/в два варианта 45’ и 40’/-начало и край;

-Времеотчитане на междучасията – начало и край;

-Звукова сигнализация – звуковата честота се подава към системата за озвучаване на плаца;

Спецификация на елементите

ЗИС – запомнящи интегрални схеми

ИЕ – индикаторни елементи

ЗвГ – звуков генератор

ЦИС – цифрови интегрални схеми

РТЛ – резисторно-транзисторна логика

ДТЛ – диодно-транзисторна логика

ЕСЛ – емитерно-свързана логика

ИИЛ – интегрално-инжекционна логика

ТТЛ – транзистерно-транзисторна логика

ДНФ – дизюнктивна-нормална форма
СПИСЪК НА ИЗПОЛВАНАТА ЛИТЕРАТУРА
1.Георгиев Ж., Блъбов Н.-“Електронни часовникови устройства”, 1983г.

2. Вълков С.-“ Импулсна техника”, 1992г.

3. Конов К.- “ Импулсни и цифрови схеми с интегрални ТТЛ елементи”- Техника – 1982г.

4. Соклоф Спуни-“ Приложение на аналогови ИС”- Техника-1990г.

5. Лени Дж.-“ Наръчник по операционни усилватели”- Техника-1980г.
СЪДЪРЖАНИЕ
1.УВОД………………………………………………………….………………………………6стр.

2.ГЛАВА ПЪРВА………………………………………………………………………………8стр.

2.1.Съставни блокове на електронните часовникови устройства…….8стр.

2.2.Основни изисквания към модула за точно време…………..…………20стр.

3.ГЛАВА ВТОРА……………………………………………………………………………..22стр.

3.1.Обосновка на структурната схема…………………………………………….22стр.

3.2.Обосновка на структурата на чесовниковото уствройство…………23стр.

3.3.Обосновка на структурата на устройството за сигнализация…….26стр.

4.ГЛАВА ТРЕТА……………………………………………………………………………...28стр.

4.1.Избор на принципна схема на модула за точно време………………28стр.

4.2.Избор на принципна схема на часовниковото устройство…………30стр.

4.3.Избор на принципна схема на устройството за сигнализация….39стр.

4.4.Изчисляване на електрозахранващата система……………………….42стр.

4.5.Изводи за принципрата схема…………………………………………………49стр.

5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………….50стр.

ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………………………………………51стр.

СПЕЦИФИКАЦИЯ НА ЕЛЕМЕНТИТЕ…………………………………………………63стр.

СПИСЪК НА ИЗПОЛЗВАНИТЕ СЪКРАЩЕНИЯ…………………………………..64стр.

СПИСЪК НА ИЗПОЛВАНАТА ЛИТЕРАТУРА………………………………………65стр.

СЪДЪРЖАНИЕ………………………………………………………………………………66стр.