В основу расчета приняты 2 условия:
1. Минимальное влияние входных токов Iвх компаратора
2. Минимальное влияние величины напряжения смещения Uсм на формирование выходного сигнала (на точность работы).
Первое требует равенства эквивалентных сопротивлений, подключаемых к инвертирующему и не инвертирующему входам компаратора:
(3.) , .
Условие (3) приводит к необходимости включения дополнительных резисторов R19 и R20 на соответствующие входы компараторов DA1.1 и DA1.2.
Второе условие ограничивает величину эквивалентных сопротивлений, подключаемых к входам компаратора:
(4.) ,
где:
Uсм – напряжение смещения выбранного компаратора,
Iвх – входной ток выбранного компаратора.
Определим точнее условие (4). Будем считать, что снижение эквивалентного сопротивления по отношению к значению Uсм/Iвх на порядок, является достаточным. Тогда условие (4) будет иметь вид:
(5.) .
При этом следует иметь ввиду, что влияние Uсм на точность не исключено. Сведено до минимума влияние входных токов Iвх выполнением условий (3) и (4).
При выборе типа компаратора учтём два положения:
а) возможность формирования выходного цифрового сигнала, соответствующего стандартному уровню КМОП серии логических элементов,
б) численное значение напряжения смещения Uсм, приведенное в справочных данных.
Если напряжение Uсм велико, то необходимо применить дополнительную схему балансировки, подключаемую к дополнительным выводам NC компаратора в соответствии с рекомендацией, приводимой в литературе . Напряжение Uсм будем считать большим, если:
(6.) .
А мы имеем следующее: это условие выполняется при исползовании компаратора К597СА3.Параметры UСМ = 0,005 В,IВХ = 0,25мкА
2.3. Расчет параметров элементов принципиальной схемы.
При расчете сопротивлений резисторов делителей, задающих требуемые пороговые значения напряжений, определим ток, протекающий через делитель. Рассмотрим делитель напряжения R1, R2, R3 для задания порогового уровня UД1min (рисунок 5). Делитель напряжения необходимо спроектировать так, чтобы с выхода R2 можно было получить UД1min при выборе стандартных (по ГОСТ) значений сопротивлений резисторов R1, R2, R3. Задача расчета существенно упрощается, если выбрать ток делителя R1, R2, R3 – Iд, значительно превышающий входной ток компаратора Iвх.
Если
(7.) ,
то входной ток компаратора можно не учитывать при расчете сопротивлений резисторов.
Для точной установки напряжения порогового уровня используется регулировочный резистор R2. Осью потенциометра можно плавно изменить величину порогового напряжения в пределах от 0,9UД1min до 1,1UД1min.
Рисунок 5.Схема делителя
Для определения тока делителя (Iд). необходимо воспользоваться формулой (3) с учетом выражения (5) :
(8.) ,
(9.) ,
(10.) ,
(11.) .
С учетом формул (9), (10), (11) преобразуем соотношение (8) и представим в виде:
(12.) .
Из уравнения (12) определим неизвестный ток делителя Iд:
(13.) .
Ток делителя R4, R5, R6 будет определен аналогично выражению (13):
(14.) .
Подставляя в выражения (13) и (14) паспортные значения компаратора К597СА3, Uсм= 0,005 В, Iвх= 0,25мкА и исходные данные напряжений датчиков Д1, Д2, Д3, получим:
Проверяя условие делаем вывод, что входным током компаратора можно пренебречь из-за малой величины, и пользуясь только током делителя IД рассчитаем сопротивления резисторов делителя для датчика Д1:
(15.) ,
(16.) ,
(17.) ,
(18.) ,
(19.) ,
(20.) ,
где: R1p, R2p, R3p, R4p, R5p, R6p – расчетные сопротивления резисторов.
Далее по ГОСТ выбираем номиналы сопротивлений резисторов R1 R2, R3, R4, R5, R6 по условию:
R1 £ R1p, R2 £ R2p, R3 £ R3p, R4 £ R4p, R5 £ R5p, R6 £ R6p,
то есть из ряда стандартных значений выбирается равное ближайшее или меньшее значение.
С учётом гостированных номиналов резисторов рассчитаем ток делителей:
(21.)
(22.)
Далее делаем проверку возможности установки требуемого напряжения на резисторах R2 и R5:
(23.)
(24.)
С резисторами, выбранными по ГОСТ мы сможем обеспечить необходимые напряжения на входах компаратора.
По формуле 3 рассчитаем сопротивление эквивалентных резисторов:
,
.
Расчёт резисторов для датчиков Д2 – Д3 проводится аналогично описанному выше.
Проводя аналогичные вычисления для резистивных делителей датчиков Д2 и Д3 с тем же компаратором К597СА3 расчитаем сопротивления резисторов:R7 – R18 и R21 – R24.
R7=3900 (OM), R8=750 (OM), R9=3300 (OM), R10=2000 (OM),
R11=1300 (OM), R12=6200 (OM), R13=3600 (OM), R14=750 (OM),
R15=3300 (OM), R16=2700 (OM), R17=1000 (OM), R18=4300 (OM),
R21=2000 (OM), R22=2000 (OM), R23=2000 (OM), R24=2000 (OM),
2.4. Определение мощности и тока, потребляемых ФЛУ.
Рассчитаем рассеиваемую мощность резисторов на примере формирователя логического уровня для первого датчика:
(25.) , , ,
(26.) , , .
где: , , , , , - расчетные значения рассеиваемых мощностей.
– уточненное значение тока делителя после выбора резисторов по ГОСТ.
,
,
,
,
.
Номинальное значение рассеиваемой мощности PHR должно быть не менее расчетной:
(27.)
Аналогично просчитав мощности резисторов делителей датчиков Д2 – Д3, определим суммарное потребление мощности резистивных делителей датчиков:
Ток потребления одного корпуса микросхемы компаратора равен 3,6 мА, в нашем случае 3 корпуса. Мощность потребления микросхемы выполняющую функцию 3И–НЕ (К564ЛА9) равна 20 мВт на каждый логический элемент. Общая потребляемая мощность ФЛУ будет равен сумме всех обозначенных ниже мощностей:
(28.)
Где:
– ток потребляемый микросхемой от двухполярного питания.
3. Проектирование цифрового автомата.
3.1. Минимизация логической функции автомата.
Задачи в цифровой технике, как правило, формируются в виде таблиц истинности. Решение задачи сводится к нахождению аналитического выражения логической функции, которое соответствовало бы этой таблице. В данной задаче программа сортировки заданна следующей таблицей истинности:
Таблица 6.Программа сортировки.
|
Номер набора |
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
3 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
4 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
5 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
6 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
7 |
1 |
1 |
1 |
0 |
В таблице истинности выделим строки, в которых выходная переменная Y принимает значение 1. Для каждой строки таблицы составляем конъюнктивный терм (контерм) – логическое умножение всех входных переменных. Причем записывают сомножитель в прямом виде – Xi, если рассматриваемая переменная равна “1”, в противном случае записывают в инверсном виде – i.. Таким образом составляем столько выражений, сколько имеется строк с Y=1;
