Курсовая работа: Цифровой измеритель разности двух напряжений
Курсовая работа: Цифровой измеритель разности двух напряжений
Содержание
1. Анализ поставленной задачи
2. Разработка структурной схемы устройства
3. Разработка и исследование модели модулей
3.1 Разработка интерфейса модулей
3.2 Разработка архитектуры модулей
3.3 Разработка архитектуры счетчика
3.4 Исследование работы моделей модулей
4 Исследование структурной модели устройства в целом с использованием моделей узлов
4.1 Анализ пригодности разработанных моделей для
имплементации в PLD
Заключение
По сути необходимо разработать
устройство, преобразующее аналоговый сигнал в, эквивалентный ему, цифровой код.
Т.е. замены сигнала серией импульсов за некоторое определенное время.
Таким образом устройство должно
сравнивать входной сигнал с нарастающим эталонным сигналом и за время, пока
сигналы не стали равны, посчитать количество импульсов тактового генератора. Частота
генератора должна быть в 2 раза меньше, чем скорость нарастания эталонного
сигнала на 1 значение.Т. е., если скорость нарастания эталонного сигнала 1
В/10нс, то частота генератора должна быть 10/2=5нс, чтобы генератор выдал 1
импульс эквивалентный 1 В.
В результате выполненных расчетов
и сделанных ранее выводов, мы обладаем достаточной информацией, чтобы
приступить к разработке структурной схемы устройства.
На данном этапе проектирования
разрабатывается структурная схема устройства, опираясь на выводы сделанные при
анализе задачи.
Определение набора модулей,
входящих в состав схемы. Прежде всего, необходим узел, выполняющий функцию
вычитания напряжений. Таковым узлом является дифференциальный усилитель (ДУ). Как
уже упоминалось в разделе 1, нам будут необходимы счетчик CЧ,
и генератор тактовых импульсов ГТИ. Также необходим узел вырабатывающий
напряжение для сравнения его с напряжением разности.
Этим узлом является генератор
линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Для того чтобы счетчик СЧ начинал
каждый период отсчета с нуля, необходима схема обнуления счетчика (СО). В
состав схемы должны три входить компаратора напряжения. Один (К1) является
компаратором знака напряжения разности. Два других (К2, К3) сравнивают
напряжение разности с нарастающим или падающим напряжением, подаваемым с ГЛИН. Структурная
схема цифрового измерителя разности двух напряжений приведена на рисунке 2.1
Рисунок 2.1 - Структурная схема
цифрового измерителя разности двух напряжений
Схема работает следующим образом.
С выхода ДУ снимается напряжение равное разности входных напряжений Ua и Ub. Компаратор К1 сравнивает
полученный сигнал с нулем. Если напряжение положительное, то на выходе К1
формируется уровень логической 1, если отрицательное - логического 0.
Для удобства индикации сигнала Знак,
на выходе К1 стоит инвертор. Напряжение разности поступает на входы
компараторов К2 и К3. Если напряжение положительное, то срабатывает компаратор
К2, и начинает сравнивать его с нарастающим напряжением ГЛИН. Пока напряжение
разности больше напряжения ГЛИН, на выходе К2 -1.Т.о. разрешается прохождение
импульсов тактового генератора ГТИ, через вентиль, на счетный вход счетчика СЧ.
Как только напряжение ГЛИН превысило напряжение разности, на выходе К2 -0,
логический вентиль закрывается и счетчик перестает считать. На выходе счетчика
сформирован цифровой код, эквивалентный напряжению разности. В момент перехода
К2 в 0, срабатывает схема обнуления (СО), которая через некоторое время (необходимое
для устойчивой индикации и верного считывания кода) выдаст сигнал на обнуление
счетчика.
Если напряжение разности
отрицательное, то срабатывает компаратор К3, сравнивающий его с падающим
напряжением ГЛИН, и работа схемы повторяется.
Разработка интерфейса
дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель выполняет вычитание
двух напряжений, поданных на его входы, и выдает на выход их разницу.
library IEEE;
use IEEE. STD_LOGIC_1164.
all;
entity dif_oy
is
port (In1: in
integer range - 5 to 5;
In2: in integer
range - 5 to 5;
Out1: out
integer range - 10 to 10);
end dif_oy;
Разработка интерфейса ГЛИН.
Генератор линейно изменяющегося
напряжения имеет два выхода: прямой (напряжение нарастает от 0 до10 В) и
инверсный (напряжение падает от 0 до - 10В)
library IEEE;
use IEEE. STD_LOGIC_1164.
all;
entity GLIN is
port (out1: out
integer range 0 to 10;
not_out1: out
integer range - 10 to 0);
end entity GLIN;
Разработка интерфейса
компаратора.
Компаратор имеет два входа типа integer и один цифровой выход типа std_logic.
library IEEE;
use IEEE. STD_LOGIC_1164.
all;
entity comp is
port (U1: in
integer range - 10 to 10;
U2: in integer
range - 10 to 10;
U_out: out
std_logic);
end comp;
Разработка интерфейса генератора
тактовых импульсов.
Генератор вырабатывает импульсы
и имеет только один выход.
entity gen is
port (gen_out: out
std_logic);
end gen;
Разработка интерфейса счетчика.
Счетчик должен иметь вход
сброса, вход счета и 4 выхода.
library IEEE;
use IEEE. STD_LOGIC_1164.
all, IEEE. Numeric_STD. all;
entity counter
is
port (reset: in
std_logic;
up: in
std_logic;
C_out: out
unsigned (3 downto 0));
end counter;
Разработка архитектуры
дифференциального усилителя.
Как было сказано ранее,
дифференциальный усилитель (ДУ) выполняет функцию вычитания над напряжениями,
поданными на его входы. Так как физически операционный усилитель, на базе
которого построен ДУ, не может выдать на выходе напряжение больше, чем +U питания (+12 В), то входные напряжения не должны быть
больше +5 В.
architecture A4
of dif_oy is
begin
p1: process (In1,
In2)
begin
if ( (In1-In2) <12
and (In1-In2) >-12) then
Out1<=In1-In2;
else Out1<=0;
end if;
end process;
end A4;
Разработка архитектуры ГЛИН.
Генератор линейно изменяющегося
напряжения имеет два выхода: прямой (напряжение нарастает от 0 до10 В) и
инверсный (напряжение падает от 0 до - 10В)
Скорость нарастания (падения) напряжения
на выходах: 1В/100нс.
architecture A1
of GLIN is
begin
p1: process
begin
out1<=1;
wait for 100ns;
out1<=2;
wait for 100ns;
out1<=3;
wait for 100ns;
out1<=4;
wait for 100ns;
out1<=5;
wait for 100ns;
out1<=6;
wait for 100ns;
out1<=7;
wait for 100ns;
out1<=8;
wait for 100ns;
out1<=9;
wait for 100ns;
out1<=10;
wait for 100ns;
end process;
p2: process
begin
not_out1<=-1;
wait for 100ns;
not_out1<=-2;
wait for 100ns;
not_out1<=-3;
wait for 100ns;
not_out1<=-4;
wait for 100ns;
not_out1<=-5;
wait for 100ns;
not_out1<=-6;
wait for 100ns;
not_out1<=-7;
wait for 100ns;
not_out1<=-8;
wait for 100ns;
not_out1<=-9;
wait for 100ns;
not_out1<=-10;
wait for 100ns;
end process;
end A1;
Разработка архитектуры
компаратора.
Компаратор сравнивает два
сигнала, которые подаются на его входы. Если сигнал на первом входе больше чем
на втором, то на выходе компаратора 1, если меньше - то 0.
architecture A2
of comp is
begin
p1: process (U1,U2)
begin
if (U1-U2) >0
then
U_out<='1';
else
U_out<='0';
end if;
end process;
end A2;
Разработка архитектуры
генератора тактовых импульсов
Генератор тактовых импульсов
выдает импульсы длительностью 50нс, чтобы за время нарастания напряжения ГЛИН
на 1В, выдать один импульс.
architecture A3
of gen is
begin
p1: process
begin
gen_out<='0';
wait for 50ns;
gen_out<='1';
wait for 50ns;
end process;
end A3;
Так как структура счетчика не
особенно важна, при моделировании был использован поведенческий стиль
моделирования. Счетчик имеет вход счета +1, асинхронный вход сброса и 4 выхода.
architecture A5 of counter is
begin
p1: process (reset,
up)
variable C_out1:
unsigned (3 downto 0);
begin
if reset='0'
then
C_out1: =
"0000";
else
if up'event and
up='1'then
C_out1: =C_out1+1;
else C_out1: =C_out1;
end if;
end if;
C_out<=C_out1
after 3ns;
end process;
end A5;
Исследование работоспособности
моделей проводилось с помощью анализа временных диаграмм сигналов. Задавая
входное возмущение, производится анализ соответствующих ему выходных сигналов. По
таблице соответствий выносится заключение о работоспособности модели. Ниже
приведены временные диаграммы, полученные по каждому из модулей.
В идеальном случае при
тестировании модели необходимо подать все возможные входные комбинации и
проанализировать выходные возмущения. Однако не всегда это является возможным и
оправданным, на практике выбирается множество тестовых комбинаций описывающих
основные свойства разрабатываемой модели.
Страницы: 1, 2 |
