Схема подключения светодиода к элементу с открытым коллектором
Схемотехника систем управления
Сборник заданий для практических занятий и СРС
Омск 2007
Составители: А.Н. Компанейц, канд. техн. наук
Д. А. Компанейц
В сборнике рассмотрены конструкторские решения, используемые в цифровой технике. Приводятся примеры их расчётов и варианты типовых заданий.
Сборник заданий предназначен для студентов очного, очно-заочного, заочного и дистанционного обучения по специальностям: 220301 - "Автоматизация технологических процессов и производств", 220401 - "Мехатроника".
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета
Введение
При проектировании различных модулей микропроцессорных систем управления часто используются типовые схемотехнические решения. Цель данного сборника заданий - научить студентов применять подобные решения в своей практической деятельности.
В сборнике приведено 14 заданий, которые могут быть рассмотрены на практических занятиях и СРС. Выполнение большинства задач предусматривает наличие у студентов знаний по дисциплинам "Схемотехника систем управления", "Электроника и микропроцессорная техника", а также систем автоматизированного проектирования печатных плат PCAD и программирования ПЛИС.
В первом задании основная задача, стоящая перед обучающимся, - научиться, используя справочную литературу, рассчитывать временные задержки прохождения логических сигналов через микросхемы. Данная задача относится к одной из важных, так как технические решения, принятые без учёта задержек, в большинстве случаев остаются неработоспособными.
Во втором задании приводится пример подключения светодиода в качестве нагрузки элемента с открытым коллектором. Приведён типовой расчёт нагрузочного резистора.
В третьем и четвёртом задании рассматриваются примеры управления регистром и магистральным приёмопередатчиком. Подобные решения очень часто применяются в микропроцессорной технике. Приводятся расчёты временных задержек появления информации на выходе при наличии необходимых сигналов управления.
В пятом задании рассматриваются вопросы разработки дешифраторов адреса на базе различных цифровых схем. Приведён один из вариантов дешифратора адреса на базе микросхем "Исключающее ИЛИ".
Задания с шестого по одиннадцатое посвящены разработке структурных схем модулей микропроцессорной системы управления для связи с технологическим оборудованием, таких как модули входных и выходных сигналов, адаптивного управления и управления приводами, аналогового ввода/вывода, измерительных преобразователей. Данные схемы являются базовыми для разрабатываемого в дальнейшем курсового проекта по данной дисциплине.
Двенадцатое задание направлено на закрепление навыков, полученных при изучении системы автоматизированного проектирования печатных плат PCAD.
В тринадцатом задании рассматриваются вопросы разработки различных гальванических развязок, широко применяемых в модулях выходных управляющих сигналов различных МПСУ.
Последнее задание направлено на закрепление знаний, полученных при изучении автоматизированной системы программирования ПЛИС MAX+plus II Baseline [8].
Выполнение приведённых в сборнике заданий позволит в дальнейшем успешно решать конструкторские задачи при курсовом и дипломном проектировании.
Задание 1
Схема формирования сигнала интерфейса с заданной задержкой
Изобразить схему формирования сигнала /ХХХ в интерфейсе на базе микросхем (МС), указанных в варианте задания (табл. 1), и диаграммы сигналов Uвх и Uвых., а также рассчитать задержки прохождения сигнала через МС.
Пример выполнения задания
При выполнении задания необходимо учитывать следующее: сигналы интерфейса МПИ и И41 имеют низкий активный уровень; последняя микросхема, используемая для формирования сигналов, должна быть с открытым коллектором (ОК).
Задержка в примере реализуется на МС КР1533ЛА3 (2И-НЕ), КР1533ЛИ1 (2И), КР1533ЛН2 (НЕ - инвертор с открытым коллектором). Схема формирования сигнала /ОТВ (UВЫХ) в интерфейсе МПИ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Пример схемы формирования сигнала /ОТВ
 |
В соответствии с логическими функциями МС временные диаграммы входного и выходного сигналов имеют вид, показанный на рис. 2.
Рассчитаем задержки сигнала UВЫХ при установке сигнала UВХ (hl) и его снятии (lh) [1]:
;
.
Таблица 1
| № варианта | Сигнал интерфейса | Микросхемы серии КР1533, используемые для формирования сигнала | |||
| /ЗМ | ЛА2 | ЛН2 | ЛИ10 | ЛА1 | |
| /INT4 | ЛЛ1 | ЛА7 | ЛИ1 | ЛЕ1 | |
| /ОТВ | ЛИ8 | ЛА7 | ЛИ1 | ЛА3 | |
| /XACK | ЛЕ1 | ЛЕ11 | ЛЛ1 | ЛИ3 | |
| /ОТВ | ЛЕ1 | ЛА10 | ЛН1 | ЛИ10 | |
| /INT4 | ЛИ3 | ЛИ2 | ЛА10 | ЛЛ4 | |
| /INT7 | ЛЛ1 | ЛИ2 | ЛИ4 | ЛИ2 | |
| /ЗМ | ЛН1 | ЛА8 | ЛЕ4 | ЛИ6 | |
| /XACK | ЛА1 | ЛИ2 | ЛА1 | ЛИ10 | |
| /ОТВ | ЛИ3 | ЛН2 | ЛИ3 | ЛИ3 | |
| /XACK | ЛЕ4 | ЛИ2 | ЛИ3 | ЛЕ1 | |
| /XACK | ЛА2 | ЛИ2 | ЛЕ1 | ЛЕ4 | |
| /XACK | ЛИ8 | ЛА7 | ЛА4 | ЛА3 | |
| /XACK | ЛЛ4 | ЛЕ11 | ЛН2 | ЛА1 | |
| /ОТВ | ЛИ6 | ЛЕ11 | ЛИ10 | ЛИ1 | |
| /ОТВ | ЛА2 | ЛА10 | ЛИ3 | ЛЛ4 | |
| /INT7 | ЛИ2 | ЛИ2 | ЛЕ10 | ЛА3 | |
| /ОТВ | ЛИ8 | ЛИ2 | ЛЕ1 | ЛЕ4 | |
| /INT0 | ЛИ8 | ЛЕ11 | ЛЕ11 | ЛА3 | |
| /XACK | ЛА3 | ЛН2 | ЛЛ4 | ЛА1 | |
| /XACK | ЛИ1 | ЛН2 | ЛА7 | ЛА1 | |
| /ЗПР4 | ЛЛ1 | ЛН2 | ЛА2 | ЛА3 | |
| /ЗМ | ЛА4 | ЛЕ11 | ЛИ4 | ЛЕ10 | |
| /ЗМ | ЛЕ1 | ЛН2 | ЛА2 | ЛА1 | |
| /ОТВ | ЛА4 | ЛИ2 | ЛИ4 | ЛА4 | |
| /ЗПР4 | ЛИ6 | ЛИ2 | ЛА10 | ЛИ8 | |
| /ЗМ | ЛИ1 | ЛА10 | ЛИ3 | ЛИ8 | |
| /INT7 | ЛИ2 | ЛИ4 | ЛН1 | ЛА4 | |
| /INT4 | ЛЕ1 | ЛА8 | ЛИ1 | ЛЕ4 | |
| /INT4 | ЛЛ1 | ЛА7 | ЛИ10 | ЛЕ4 | |
| /INT7 | ЛА2 | ЛА7 | ЛН2 | ЛИ3 | |
| /ЗМ | ЛЛ1 | ЛЕ11 | ЛЕ1 | ЛИ8 | |
| /ЗПР4 | ЛЕ10 | ЛА7 | ЛА4 | ЛИ3 | |
| /INT7 | ЛА3 | ЛН2 | ЛЕ4 | ЛИ2 | |
| /XACK | ЛЕ4 | ЛА7 | ЛА10 | ЛЛ4 | |
| /XACK | ЛА3 | ЛА8 | ЛИ4 | ЛЕ1 | |
| /INT4 | ЛЕ10 | ЛИ4 | ЛИ3 | ЛИ8 | |
| /XACK | ЛА4 | ЛН2 | ЛИ2 | ЛА3 | |
| /ЗМ | ЛА4 | ЛА8 | ЛЕ11 | ЛИ3 | |
| /ЗПР4 | ЛИ8 | ЛЕ11 | ЛИ8 | ЛА4 | |
| /ЗМ | ЛИ10 | ЛЕ11 | ЛА4 | ЛН1 | |
| /INT0 | ЛИ6 | ЛА7 | ЛИ2 | ЛИ8 | |
| /XACK | ЛА3 | ЛН2 | ЛН2 | ЛЛ1 |
Окончание табл. 1
| № варианта | Сигнал интерфейса | Микросхемы серии КР1533, используемые для формирования сигнала | |||
| /ЗМ | ЛЕ4 | ЛН2 | ЛА8 | ЛИ2 | |
| /ЗПР4 | ЛИ2 | ЛИ2 | ЛИ2 | ЛИ1 | |
| /XACK | ЛИ2 | ЛИ2 | ЛЕ10 | ЛН1 | |
| /ЗПР4 | ЛА2 | ЛА7 | ЛЕ1 | ЛЛ1 | |
| /ОТВ | ЛЛ1 | ЛИ2 | ЛА8 | ЛА4 | |
| /INT0 | ЛН1 | ЛН2 | ЛА7 | ЛН1 | |
| /INT7 | ЛН1 | ЛН2 | ЛИ2 | ЛЕ4 | |
| /ОТВ | ЛИ1 | ЛА8 | ЛА2 | ЛЕ1 | |
| /INT0 | ЛЕ10 | ЛА8 | ЛА4 | ЛА2 | |
| /XACK | ЛА2 | ЛА10 | ЛИ8 | ЛИ2 | |
| /ЗПР4 | ЛА2 | ЛИ4 | ЛИ3 | ЛИ10 | |
| /INT0 | ЛЛ1 | ЛН2 | ЛИ8 | ЛИ10 | |
| /ОТВ | ЛН1 | ЛН2 | ЛЕ4 | ЛЕ1 | |
| /XACK | ЛА2 | ЛА10 | ЛЕ10 | ЛЕ10 | |
| /ОТВ | ЛИ8 | ЛА10 | ЛЛ1 | ЛЕ10 | |
| /ЗПР4 | ЛИ10 | ЛИ4 | ЛЕ11 | ЛЛ1 | |
| /ОТВ | ЛИ3 | ЛИ2 | ЛА7 | ЛН1 |
Задание 2
Схема подключения светодиода к элементу с открытым коллектором
Разработать схему подключения светодиода к логическому элементу (ЛЭ) с открытым коллектором и рассчитать необходимые компоненты схемы при заданном токе Ivd через нагрузку Rn и напряжении питания UCC = 5 В (табл. 2).
Пример выполнения задания
Рассмотрим пример управления светодиодом АЛ307А от МС КР1533ЛН2. Для этого необходимо рассчитать резистор Rn, ограничивающий ток, протекающий через светодиод (рис. 3).
Для расчёта зададим ток [2] IVD = 10 мА.
Расчёт ведётся в следующей последовательности:
- по вольтамперной характеристике светодиода (рис. 4) [2] находится падение напряжения UVD при заданном значении тока (в примере при IVD=10 мА напряжение UVD = 2 B);
- по справочным данным МС [1] U0 = 0,4 B;
- падение напряжения на Rn рассчитывается по следующему выражению:
URn = UCC – UVD – U0 = 5 – 2 – 0,4 = 2,6 В;
- сопротивление Rn по закону Ома: Rn = URn / IVD = 2,6 / 0,01 = 260 Ом;
- по стандартному ряду [3] выбирается ближайший резистор: Rn = 260 Ом;
- мощность, выделяемая на резисторе: PRn = URn • IVD = 2,6 • 0,01 = 0,026 Вт;
- по результатам расчёта выбирается нагрузочный резистор Rn:
МЛТ 0,063 Вт – 260 Ом ± 10 % [3].
Аналогично решается задача подключения светодиода любой оптопары.
Рис. 3 Рис. 4
Таблица 2
| № варианта | Микросхема с ОК серии КР1533 | Светодиод | Ток через светодиод Ivd, мА |
| ЛИ2 | АЛ307В | 18.0 | |
| ЛИ4 | АЛС324 | 17.0 | |
| ЛА7 | АОТ128 | 9.5 | |
| ЛА8 | АЛС321 | 7.5 | |
| ЛН2 | АЛС333 | 11.0 | |
| ЛИ2 | АЛ102 | 18.0 | |
| ЛЕ11 | АОТ128 | 17.5 | |
| ЛН2 | АЛ307Е | 7.0 | |
| ЛА7 | АЛ307В | 19.0 | |
| ЛА8 | АЛС321 | 6.0 | |
| ЛА8 | АЛ307В | 17.5 | |
| ЛИ4 | АЛ307В | 15.0 | |
| ЛА7 | АОТ128 | 10.0 | |
| ЛН2 | АЛ307Е | 5.5 | |
| ЛА8 | АЛС333 | 7.5 | |
| ЛИ4 | АЛС335 | 16.5 | |
| ЛН2 | АЛ307Н | 10.0 | |
| ЛН2 | АОТ123 | 7.5 | |
| ЛА8 | К293ЛП1 | 18.0 | |
| ЛА10 | АЛ307Г | 17.0 | |
| ЛЕ11 | АЛ307Е | 15.0 | |
| ЛА10 | АЛС335 | 11.0 | |
| ЛА8 | АОТ123 | 8.5 | |
| ЛИ2 | АЛ307Н | 14.0 | |
| ЛН2 | АЛ307Ж | 6.0 | |
| ЛА7 | АЛ307Г | 11.5 | |
| ЛН2 | АЛ307Д | 12.5 | |
| ЛН2 | АЛС324 | 19.5 | |
| ЛА8 | АЛ307В | 18.0 | |
| ЛА10 | АЛ307Д | 12.0 |
Окончание табл. 2
| № варианта | Микросхема с ОК серии КР1533 | Светодиод | Ток через светодиод Ivd, мА |
| ЛИ2 | АЛС321 | 14.0 | |
| ЛА10 | АЛ307Н | 15.0 | |
| ЛН2 | АОТ128 | 19.0 | |
| ЛИ2 | К293ЛП1 | 10.0 | |
| ЛА8 | К293ЛП1 | 20.0 | |
| ЛН2 | АЛ102 | 17.0 | |
| ЛА8 | АОТ123 | 9.0 | |
| ЛН2 | АОТ128 | 6.5 | |
| ЛЕ11 | АЛ307В | 6.0 | |
| ЛА10 | АЛС324 | 16.5 | |
| ЛЕ11 | АОТ123 | 10.0 | |
| ЛА8 | АЛС324 | 12.0 | |
| ЛЕ11 | АЛ307В | 12.0 | |
| ЛЕ11 | АЛС321 | 10.5 | |
| ЛА8 | АЛС321 | 12.5 | |
| ЛИ2 | АЛС335 | 5.5 | |
| ЛН2 | АЛ307Н | 15.0 | |
| ЛА10 | К293ЛП1 | 5.0 | |
| ЛА7 | АОТ128 | 11.5 | |
| ЛИ2 | ИПД04 | 18.5 | |
| ЛА8 | АЛ307Ж | 9.0 | |
| ЛН2 | АЛ307Г | 15.0 | |
| ЛН2 | АЛС333 | 6.0 | |
| ЛИ4 | АЛС321 | 19.0 | |
| ЛИ4 | АЛ307Д | 13.0 | |
| ЛА8 | АЛС334 | 6.0 | |
| ЛЕ11 | АЛС324 | 9.5 | |
| ЛА7 | К293ЛП1 | 10.0 | |
| ЛА8 | АОТ128 | 6.0 | |
| ЛН2 | АЛ307Е | 14.5 |
Задание 3