Составление структурной схемы автомата.

Автомат должен содержать:

- задающий генератор с кварцевой стабилизацией (ЗГ);

- делитель частоты, для формирования необходимой последовательности импульсов (ДЧ);

- преобразователь кода Ф.И.О. (ПК);

- преобразователь параллельного кода в последовательный (ПП);

- схему согласования с каналом связи (ССКС);

- схему синхронизации и сброса (СС);

- формирователь старт – стопных синхронизирующих импульсов (СИ);

- блок питания (БП).

В общем случае структурная схема может выглядеть как на рис. 1.1, окончательная схема, возможно, будет отличаться от первоначальной. Корректировка проводится после составления принципиальной схемы.

Структурная схема автомата.

Рис. 1.1.

Выбор элементной базы.

Разработку автомата начинаем с предварительного расчёта основных параметров аппарата (предельные рабочие частоты, входные и выходные сопротивления, вид модуляции, потребляемая мощность, допустимые погрешности, надёжность и др.), которые определяют выбор элементной базы. Функциональная схема составляется для пояснения взаимодействия отдельных узлов между собой.

1.2.1. Способ модуляции (манипуляции).

В соответствии с заданием канал связи не обеспечивает передачу нулевой частоты, поэтому без модулирования сигнала не обойтись. В общем случае возможны 3 варианта построения схемы согласования по видам модуляции (рис.1.2):

- фазовая модуляция (ФМ);

- частотная модуляция (ЧМ);

- амплитудная модуляция (АМ).

Рис. 1.2.

фазовая модуляция - наиболее защищённая от помех, которая даёт возможность реализации максимальной скорости передачи. Основным недостатком ФМ является сложный алгоритм приёма, но при наличии процессора на приёмном конце качество декодирования в основном определяется программным обеспечением, что активно используется в современных компьютерных модемах. В условиях повышенных помех нужно предусмотреть более гибкий алгоритм ФМ (изменение несущей частоты (C), переменное отношение несущей к входному алфавиту (D) модулятора C/D и их фазы). В данном курсовом проекте эти вопросы не рассматриваем. Модуляцию заменяем манипуляцией со сдвигом фаз на 180⁰.

Частотная модуляция - обеспечивает высокую помехозащищённость при сравнительно низкой скорости передачи. Приёмник лучше строить на основе частотного кольцевого детектора с апертурными каналами прямого преобразования, что также позволяет использовать микропроцессорную схему управления.

Амплитудная модуляция - используется при небольших уровнях помех при низкой скорости передачи. Помехозащищенность обеспечивается за счёт сужения полосы пропускания приёмного фильтра и интегрирования сигнала на выходе амплитудного детектора. АМ получаем путем коммутации несущей частоты. Частоту несущей следует выбирать так, чтобы один бит данных состоял не менее чем из 5 - 7 периодов, в противном случае возникают проблемы с демодуляцией сигнала. При передаче по каналам связанным с аппаратурой уплотнения происходит "уход" несущей частоты, что ограничивает область применения АМ.

Скорость передачи можно повысить за счёт спектрального уплотнения полезного сигнала, например, передавать сигнал в параллельном коде.

Уровень, мощность, скорость передачи сигнала должны соответствовать параметрам канала связи, кроме этого выходные параметра автомата должны регулироваться в необходимых пределах.

Для данного курсового проекта:

при скорости передачи до 400 (бит/с) можно выбрать любой вид модуляции без усложнения схемы модулятора;

при скорости передачи более 400 (бит/с) - предпочтительнее ФМ.

После модулирования в пределе количество единичных и нулевых импульсов должно быть одинаковым, т.е. постоянная составляющая в спектральном разложении сигнала должна равняться нулю.

Схемную реализацию получаем при помощи Булевых функций:

(здесь и далее, дизъюнкция Х1ÚХ2 = Х1+Х2, имеет смысл логического «ИЛИ»,

конъюнкция Х1ÙХ2 = Х1&Х2 = A * B, имеет смысл логического «И», манипуляция как частный случай модуляции.)

ФМ (1.1);

(1.2);

где, Х1 - входной алфавит (D);

Х2 - несущая частота (C);

ЧM (1.3);

где, D - входной алфавит;

Х1 - частота F1; Х2 - частота F2;

АМ (1.4);

(1.5);

где, Х1 - входной алфавит (D);

Х2 - несущая частота (F).

1.2.2. Коэффициент деления.

Например, рассчитаем для 10 варианта.

Скорость передачи (приёма) (см. задание):

S_max=100*(№_В+0.4) (1.6);

S_max=100*10.4=1040, (бит/с);

S_max=100*(№_В-0.4) (1.7);

S_min=100*9.6=960, (бит/с).

Для определения значения несущей частоты выбираем способ манипуляции. Из выше сказанного - ФМ. На рис.1.1 видно, что на один бит данных D приходится как минимум один период несущей частоты С, а при смене фазы появляется частота равная С/2, следовательно в спектре полезного сигнала будут присутствовать первые гармоники двух частот С и С/2. Другие нечётные гармоники полезной информации не несут и их нужно отфильтровать.

Следует определить какой необходимо выбрать коэффициент деления при определённой частоте кварцевого резонатора, чтобы получить необходимую скорость передачи. Кварцевый резонатор может быть на любую частоту, но лучше использовать широко распространённые (500 кГц, 1 МГц, 2 МГц).

Определим, какой частоты кварцевый резонатор подходит для варианта №10:

Кдmax = Fкв/Smin (1.8);

Кдmax = 500000/960 = 520.83;

Кдmin = Fкв/Smax (1.9);

Кдmin = 500000/1040 = 480.77;

где, Fкв – резонансная частота.

Коэффициент деления может быть только целым числом, а также для упрощения цифрового делителя частоты кратным 2^N. Для того чтобы повысить точность деления нужно увеличить частоту кварцевого резонатора или изменить принципиальную схему так, чтобы избавиться от дополнительного деления.

Наилучший коэффициент деления:

Кд = 512

При составлении принципиальной схемы, возможно, придётся изменить коэффициент деления в небольших пределах.

1.2.3. Функциональный ряд ИС.

Каждая серия ИС имеет определенный набор микро­схем различного функционального назначения. Совокупность этих микросхем называют функциональным рядом. В различных сериях существуют микросхемы одинакового функционального назначения, имеющие одинаковую структурную схему, условное обозначение и схему подключения (цоколевку). Однако такие микросхемы имеют отличия в технологии изготовления, раз­личные корпуса и существенные отличия в параметрах. Функ­циональный ряд ИС наиболее распространенных серий приведен в справочной литературе.

Функциональный ряд можно разбить на несколько групп по функциональному назначению: формирователи, генераторы, логические элементы, триггеры, счетчики, ключи и мультиплек­соры, регистры, дешифраторы и другие. Рассмотрение таких функциональных групп в справочнике дается от простых групп к сложным, с указанием их условного обозначения, схемы под­ключения (цоколевки) и основных параметров, сведенных в отдельные таблицы. Такие таблицы основных параметров микро­схем, сгруппированных по функциональному назначению, по­зволяют очень быстро выбрать микросхему с заданными пара­метрами из всего многообразия серий. Затем в справочниках даётся их применение в более сложных устройствах с указанием конкретных серий, номиналов параметров навесных элементов и отдельных вариантов практических схем. Микросхемы памяти и схемы вычислительных средств рассматриваются в специальных справочниках.

В данном примере подойдут микросхемы любого функционального ряда, однако, предпочтительнее ряд КМДШ - логики, например К561 (см. П.I.)

Задающий генератор.

Выбор схемы задающего генератора зависит от многих факторов:

- стабильность генерируемой частоты;

- форма вырабатываемого сигнала;

- амплитуда сигнала;

- его мощность;

- количество выходных сигналов и их фаза.

Существует множество различных генераторов. Нас интересуют только импульсные генераторы, выполненные на цифровых элементах.

1.3.1. Импульсными генераторами называют устройства, преобразующие энергию источников постоянного напряжения в энергию электрических импульсов. Импульсные генераторы являются устройствами, не преобразующими электрические импульсы, а вырабатывающими их. Для классификации импульсных генераторов можно использовать ряд различных признаков. В зависимости от формы вырабатываемых импульсов можно выделить генераторы прямоугольных импульсов, генераторы линейно изменяющегося напряжения и генераторы специальной формы. Генераторы прямоугольных импульсов формируют сигналы, по форме близкие к прямоугольным. Такие генераторы являются релаксационными. Выходной сигнал генераторов имеет участки с резко различающейся скоростью изменения напряжения: участки с очень малой (уровни «0» и «1») и участки с очень большой (переходы напряжения от уровня «0» к уровню «1» и от уровня «1» к уровню «0») скоростью изменения напряжения. Состояния, соответствующие интервалам формирования выходных уровней «0» и «1», называют равновесными. Характер равновесного состояния является одним из критериев классификации генераторов прямоугольных импульсов. Равновесные состояния могут быть длительно устойчивыми и квазиустойчивыми (почти устойчивыми). В длительно устойчивом состоянии устройство может находиться сколь угодно долго. Вывести его из этого состояния равновесия и перевести в другое может только внешнее воздействие, например поданный извне сигнал, называемыйзапускающим. Квазиустойчивое состояние может существовать только конечное время, определяемое внутренними параметрами и структурой генератора. По истечении указанного времени устройство самостоятельно, без использования каких-либо внешних сигналов, переходит в другое состояние равновесия. В зависимости от характера устойчивых состояний генераторы прямоугольных импульсов делятся на бистабильные, моностабильные и астабильные.

Генераторы прямоугольных импульсов, как и другие типы генераторов электрических сигналов, являются системами с положительной обратной связью. В зависимости от способа создания положительной обратной связи различают двухкаскадные генераторы с RС - цепями обратной связи и генераторы с трансформаторной обратной связью. Примерами первых являются мультивибраторы, вторых—блокинг-генераторы. Отдельной разновидностью рассматриваемых генераторов являются генераторы, выполненные на приборах с отрицательным сопротивлением. В этих устройствах обратная связь является «внутренней», определяется особенностями ВАХ использованного прибора с отрицательным сопротивлением.

По типу используемых активных элементов импульсные генераторы могут быть транзисторными, ламповыми, выполняться на полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением, на интегральных микросхемах различных типов и т. д..

В курсовом проекте предпочтительнее использовать цифровые интегральные микросхемы.

1.3.2. Стабилизация частоты автогенераторов гармонических колебаний. Кварцевый резонатор.

Опыт эксплуатации LC - и RС - генераторов гармонических колебаний в условиях железнодорожного транспорта показал, что предельная нестабильность частоты этих генераторов не может быть уменьшена ниже 0, 5—1%. Попытки создать термокомпенсированные схемы, в которых дестабилизирующее влияние одних элементов в известной мере уравновешивалось бы противоположным по знаку действием каких-либо других элементов с заданными температурными свойствами, пока успехом не увенчались. Это обусловлено случайным знаком и абсолютным значением коэффициентов индуктивности, емкости и сопротивления большинства типов соответствующих элементов.

Один из самых распространенных и наиболее действенных способов стабилизации частоты автогенераторов основан на применении кварцевых резонаторов. Кварцевым резонатором называют сложное элекро-механическое устройство, в основе которого лежит пластина, вырезанная из природного или синтетического кварца. Грани пластины особым образом ориентированы относительно кристаллографических осей исходной кварцевой заготовки. На две (реже три) грани пластины нанесен электропроводящий слой. С помощью специальных кварцедержателей, имеющих электрическое соединение с электропроводящим слоем, пластину подвешивают внутри стеклянного или металлического баллона, из которого выкачен воздух. Резонатор с остальной частью схемы соединяется через жесткие или гибкие выводы, приваренные к кварцедержателям. Установлено, что кварцевые пластины имеют прямой и обратный пьезоэффекты. Это означает, что пластина деформируется под действием внешней силы (на ее гранях образуется электрический заряд) и внешнего электрического поля (в ней могут возникнуть колебания). Нетрудно предположить, что на определенной частоте имеют место явления резонанса, при которых частота собственных колебаний пластины совпадает с частотой изменения внешнего электрического поля, а амплитуда колебаний пластины максимальна. Его эквивалентная схема может быть представлена четырехэлементным двухполюсником (рис.1.3,а). Статическая емкость Со электродов и кварцедержателя равна 15—25 пф, в то же время порядок динамической емкости С в последовательной цепи составляет 0, 1 пФ.

а) б)

Рис.1.3.

Динамическое сопротивление R характеризует необратимые потери энергии в резонаторе. Этот параметр зависит от геометрии кристалла и вида, возникающих в нем колебаний (изгиба, сжатия-растяжения, крутильных и т. д.), ориентации граней относительно кристаллографических осей, способа обработки поверхности, среды, в которой работает резонатор. В низкочастотных резонаторах (до 100 кГц) динамическое сопротивление в основном определяется потерями энергии в кварцедержателях, обусловленными технологическим несовпадением точек крепления кристалла с узлами его колебаний. Для уменьшения других потерь кристалл помещают в среду разреженного водорода и тщательно обрабатывают поверхность его граней. Особенностью кварцевого резонатора как колебательного контура, придающей ему исключительные свойства, является необычайно высокое значение добротности, а также стабильность и точность резонансных частот.

Стабилизирующее действие кварцевого резонатора на частоту, вырабатываемую автогенератором гармонических колебаний, легко объяснить таким большим значением его добротности. Очевидно, что при включении резонатора в цепь обратной связи коэффициент передачи последней будет необычайно сильно зависеть от частоты и резко падать при ее смещении относительно резонансной. Автогенераторы, стабилизированные кварцевым резонатором, возбуждаются строго на резонансной частоте, или же не работают совсем.

1.3.3. Цифровые интегральные схемы в автогенераторах гармонических колебаний.

Накопленный к настоящему времени опыт показал, что в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики применение цифровых интегральных микросхем целесообразно не только в узлах цифровой обработки сигналов (разнообразные логические схемы, регистры, шифраторы и т. д.), но и в таких традиционно аналоговых узлах, как генераторы. Использование микросхем при построении автогенераторов позволяет унифицировать технические решения, обеспечивающие высокую стабильность генерируемых частот, создать единообразие конструктивного оформления, снизить номенклатуру комплектующих изделий. Кроме того, такие решения дают возможность отказаться от применения намоточных изделий, отличающихся низкой технологичностью. Рассмотрим основные, принципы построения автогенераторов с применением цифровых интегральных схем. Задающий кварцевый генератор импульсов (мультивибратор) (рис.1.4) служит для формирования периодических импульсных сигналов и в узлах автоматики и связи является основой для получения необходимого набора высокостабильных рабочих частот. Схема построена с использованием двух инверторов D1.I и
D1.2. в цепь положительной обратной связи, которых включен кварцевый резонатор ZQ1. Исходный линейный режим работы инверторов D1.1 и D1.2,необходимый для обеспечения условий самовозбуждения, достигается введением в схему местных отрицательных обратных связей (ООС). ООС реализуется использованием резисторов R1 и R2.

Рис.1.4

Расчёт номиналов схемы производится из условия возбуждения мультивибратора на частоте кварцевого резонатора.

Делитель частоты.