Делитель частоты

Рисунок 11 – Принципиальная схема  блока счетчиков с коэффициентом  деления 1731

Рисунок 12 – Условное обозначение интегральной микросхемы К1533ИЕ10

Коэффициент деления задается с  помощью двоичного представления  числа 1731, а именно 0110 1100 0011, где 1 – напряжение 5 В, 0 – напряжение 0 В (земля). Как видно из двоичного представления числа 1731, для его реализации нужно три четырехразрядных двоичных счетчика. Счет импульсов начинается с заданного значения (на первом счетчике – 0011, на втором – 1100, на третьем – 0110). При достижении нуля на выход ТС подается сигнал 1, который разрешает счет следующему счетчику. Таким образом первый счетчик считает каждый импульс (младший разряд), второй – только импульсы приходящие в момент когда первый счетчик завершает счет (состояние выходов Q0-Q3 = 0000, на выходе ТС  1). То есть выход ТС разрешает счет следующему счетчику. Счетчик старших разрядов должен срабатывать только при условии, что два предыдущих счетчика закончили счет (на выходах ТС обеих микросхем должна быть 1). Разрешение обеспечивается с помощью двух разрешающих входов СЕР и СЕТ, счетчик считает только в случае подачи на эти входы сигнала +5 В. Остальные характеристики выбранной нами микросхемы К1533ИЕ10 приведены в таблице 2.

Сброс всех триггеров в нулевое состояние  осуществляется напряжением низкого уровня, независимо от сигналов, действующих на входах С, РЕ, СЕР и СЕТ.

Счетчик устанавливается в предварительное  состояние при наличие на входе параллельной загрузки РЕ, напряжение низкого уровня. В этом случае разрешена подача сигналов на триггер через входы предварительной установки D0….D3 в момент перехода положительного перепада на вход С. Счетчик ИЕ10 полностью программируемый, т.к. на каждом  из его входов  можно установить требуемый логический уровень. Предварительная установка осуществляется синхронно с положительным перепадом тактового импульса и не зависит от того, какой уровень подан на входы разрешения счета СЕР и СЕТ. Для синхронного каскадирования микросхема ИЕ10 имеет два входа разрешения: СЕР (параллельный) и СЕТ (вспомогательный), а так же выход ТС (окончание счета). Счетчик считает тактовые импульсы, если на входах СЕР и СЕТ присутствует напряжение высокого уровня. Вход СЕТ последующего счётчика соединяется с входом ТС предыдущего счётчика.

Особенности работы счетчиков ИЕ10:

• Не допускаются отрицательные перепады напряжения на входах СЕР и СЕТ, если на входе С присутствует напряжение низкого уровня.
• Нельзя подавать положительный перепад на входе РЕ, если на входе С присутствует напряжение низкого уровня, а на входе СЕР и СЕТ- высокого.
• Можно изменять сигналы на входах СЕР и СЕТ, если входе С присутствует напряжение высокого уровня.
• Когда на входе РЕ присутствует высокий уровень напряжения, а на входах СЕР и СЕТ – низкий уровень (не используем), то при подаче положительного перепада на вход С на выходах счетчика появится код, набранный на входах D0….D3.
• Запуская входы СЕР и СЕТ напряжениями высокого уровня во время, когда на входе С присутствует низкий уровень, на выходах счетчика получим положение внутреннего кода и кода загрузки.
• Если на входы СЕР, СЕТ и РЕ поданы положительные перепады, а на входе С действует напряжение низкого уровня, то с приходом положительного перепада на вход С выходной ход счетчика изменится на последующий.
• На входе ТС появится напряжение высокого уровня, если выходной код счетчика 1001=9, а на входе СЕТ появится напряжение высокого уровня.

Основное  преимущество данного счетчика заключается  в его высоком быстродействии. Т.К. входная частота равна 4МГц, то необходимо использовать счетчик с малым временем установления выходного кода. Также достоинством данной микросхемы является малое энергопотребление (порядка 100 мА) по сравнению с микросхемами других серий (например микросхемы серии К500 потребляют ток в среднем 200 мА). Однако этот счётчик имеет недостаток – низкую разрядность.

 

 

 

Таблица 1. Состояние  счетчика ИЕ10

	Входы						Выходы
Режим работы	R	C	СЕР	СЕТ	РЕ	Dn	Qn	ТС
Сброс	0	X	X	X	X	X	0	0
Параллельная загрузка	1	↑	X	X	0	0	0	0
	1	↑	X	X	0	1	1	1
Счет	1	↑	1	1	1	X	Счет	1
Хранение	1	X	0	X	1	X	Qn	1
	1	X	X	0	1	X	Qn	1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2- Предельно допустимые режимы эксплуатации К1533ИЕ10.

Напряжение источника питания	5-10 В
Выходной ток	0,2 мА
Максимальное напряжение на входе	5,5 В
Нагрузочная способность на однотипные микросхемы	не более 25
Нагрузочная способность на логические микросхемы	не более 50
Напряжение на выходе	3,5 В

 

В качестве гальванической развязки используем транзисторную оптопару АОТ102А (рисунок 14). Транзисторные оптопары рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар [9].

 

Рисунок 14 – Графическое обозначение транзисторной оптопары

 

Таблица 2 - Основные электрические параметры оптопары АОТ102А

Входной ток	15 мА
Входное напряжение	2 В
Выходной ток	50 мА
Выходное напряжение	0,5 В

 

При выборе усилителя 157УД1 учитывались следующие параметры: коэффициента усиления : не более 5*10⁴, напряжения питания – 5 В, напряжения выхода максимальное: 20 В (рисунок 15).

 

 

Рисунок 15 – Графическое обозначение усилителя

 

Для работы счетчика, ЭГР и усилителя  необходим блок питания (рисунок 16). Обозначения блока питания приведены ниже.

 

 

Рисунок 16 – Схема источника блока питания

 

Полные принципиальные схемы приведены в Приложениях Б и В.

 

4 Расчет и выбор элементов принципиальной схемы устройства

4.1 Расчет  источника питания для счетчика

Данные  блока питания:

-Напряжение нагрузки U_н=5 В;

-Входное напряжение для блока питания U_вх=220 В;

-Частота входного напряжения f=50 Гц;

-Максимальный ток нагрузки I_н^мах =0,015 A

-Допустимое отклонение питающего напряжения α=0,15, т.е. ±15%

Обозначения в блоке питания:

-DA1 – Стабилизатор напряжения;

-Мост VD1 – VD4 – Выпрямитель напряжения;

-C1 – Сглаживающий конденсатор;

-Т1 – Сетевой трансформатор.

-U_I – напряжение первичной обмотки трансформатора;

-U_II – напряжение вторичной обмотки трансформатора;

-U_VD1 – падение напряжения на диодном мосте;

-U_C – напряжение на конденсаторах;

-U_DA1 – падение напряжения на микросхеме DA1.

 

Начнем с расчета стабилизатора DA1 :

Характеристики данной микросхемы должны удовлетворять следующим  условиям:

1) U_DA1^вых = U_н ;

2) I_DA1^max ≥ I_н^max ;

 

Выбираем в качестве DA1 микросхему типа 1145ЕН2А, которая обладает следующими параметрами:

 

Таблица 3 – Параметры стабилизатора DA1

Выходное напряжение микросхемы (фиксированное)	5В
Предельный ток нагрузки	1,0 А
Разность напряжений вход-выход	2,5 В
Предельная рассеиваемая мощность	2 Вт
Максимальное входное напряжение	15 В

 

Данная микросхема удовлетворяет условиям: 5 В ≥ 5 В и 1,0 А ≥ 0,015 А. Исходя из этого рассчитаем минимально необходимую величину постоянного напряжения U_C , которая требуется для работы DA1:

 

 Следовательно, напряжение на конденсаторе С1 никогда не должно падать ниже уровня 7,5 В.

Теперь рассчитаем емкость конденсаторов С1:

Напряжение на конденсаторе С1 представлено на рисунке 16.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14 – Вид напряжения на конденсаторе

 

Пусть ∆U_C = 1 В. Конденсатор С1 можно рассчитать по следующей формуле:

  =                              (3)

 

При этом минимально необходимое амплитудное  значение напряжения на конденсаторе U_C1 составит:

     (4)

Рассчитываем минимальное амплитудное  значение напряжения вторичной обмотки  трансформатора Т1:

    (5)

где U_VD1 = 1.4 B – падение напряжения на диодном мосте VD1-VD4, оно рассчитывается как сумма падения напряжений на двух открытых диодах

(0,7*2 = 1,4 B).

Рассчитываем минимальное действующее  значение на вторичной обмотке трансформатора:

                         (6)

Рассчитываем номинальное действующее  значение напряжения на вторичной обмотке, т.е. при U_BX=220 B:

   (7)

 

Выбор трансформатора Т1.

Трансформатор выбирается исходя из следующих условий:

1) ;

2) ;

Выбираем трансформатор типа ТПК-2-2x9В  обладающий следующими характеристиками:

Таблица 4 – Характеристики трансформатора Т1

Выходное  напряжение	9 В
Допустимый  ток нагрузки	0,14 А
Мощность	2,5 Вт

 

 

 

 

 

Для трансформатора данного типа наложенные условия и выполняются:

9 В ≥ 8,13 В; 0, 14 А ≥ 0,015 А;

С учетом параметров выбранного трансформатора рассчитываем максимальное амплитудное  значение напряжения на конденсаторе С1:

 

                                                           (8)

Напряжение U_{С1(ампл)}^max не превышает 15 В – максимально возможного входного напряжения стабилизатора DA1. Кроме того, зная точно U_{С1(ампл)}^мах, определяем тип конденсатора C1: выбираем конденсатор марки К50-6 - максимальное напряжение 16 В, емкость 1000 мкФ.

 

Рассчитываем мощность микросхемы DA1:

  (9)

 

Эта мощность не превышает предельной для выбранного типа микросхемы значения – 2 Вт.

 

Выбор диодного мостаVD1:

Данный  диодный мост должен удовлетворять  следующим условиям:

1) обратное напряжение моста > U_II(ампл) ^МАХ;

2) средний выпрямленный ток моста > I_H^MAX .

 

Выбираем диодный мост типа КЦ405Е: обратное напряжение 100 В, средний выпрямленный ток 1 А.

Очевидно, что условия выполняются:

 

  100 В >> 13,22 В; 1 А >> 0,015 А.

 

4.2 Расчет источника питания для гальванической развязки и операционного усилителя

 

Данные  блока питания:

-Напряжение нагрузки – U_н=15В;

-Входное напряжение для блока питания U_вх=220 В;

-Частота входного напряжения f=50 Гц;

-Максимальный ток нагрузки I_н^мах =0,1 A

-Допустимое отклонение питающего напряжения α=0,15, т.е. ±15%

Обозначения в блоке питания:

-DA2 – Стабилизатор напряжения;

-Мост VD5 – VD8 – Выпрямитель напряжения;

-C2 – Сглаживающий конденсатор;

-Т2 – Сетевой трансформатор.

-U_I – напряжение первичной обмотки трансформатора;

-U_II – напряжение вторичной обмотки трансформатора;

-U_VD2 – падение напряжения на диодном мосте;

-U_C – напряжение на конденсаторах;

-U_DA2 – падение напряжения на микросхеме DA2.