Электронные промышленные устройства Заказать контрольную,…

Электронные промышленные устройства
Заказать контрольную, курсовую, ВКР 2025–2026
Комплексная контрольная работа (ККР) по курсу «Электронные промышленные устройства» выполняется обучающимися по направлению 11.03.04 направления «Электроника и наноэлектроника» для получения навыков формализованного синтеза электронных цифровых управляющих устройств. Базой для выполнения ККР служат знания, полученные при изучении методов анализа и расчета электронных схем, схемотехники цифровых цепей, а также методов их синтеза и разделов высшей математики.
Кроме проектировочных и расчетных навыков обучающиеся закрепляют полученные ранее навыки разработки печатных плат электронных устройств и выполнения чертежа печатной платы и сборочного чертежа спроектированного устройства.

1. Задание на ККР

Спроектировать устройство, управляющее полупроводниковыми ключами и содержащее в своем составе цифровой автомат. Необходимо разработать цифровой автомат, выбрать тип электронного ключа и рассчитать его в зависимости от параметров коммутируемого сигнала, а также обеспечить гальваническую развязку между ключом и управляющими цепями. Если задание подразумевает наличие входных сигналов, то следует обеспечить их ввод в цифровой автомат с помощью соответствующих элементов с гальванической развязкой от цепей автомата.
Тип используемых в автомате триггеров, алгоритм коммутации и параметры коммутируемых сигналов приведены в задании на ККР в соответствии с заданным вариантом. Необходимо выбрать вариант в соответствии с порядковым номером студента в списке группы.
Пояснительная записка должна содержать полное описание процесса разработки устройства, включая:
– таблицы выходов и таблицы внутренних состояний, граф-схему функционирования автомата;
– карты Карно;
– мотивированный выбор элементной базы, расчет параметров элементов схемы;
– временные диаграммы работы разработанного устройства;
– принципиальную схему разработанного устройства.
Для проверки представляется расчетно-пояснительная записка, чертежи схемы электрической принципиальной, печатной платы и сборочного чертежа разработанного устройства, перечень элементов и спецификация. Вся документация оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД.

2. Порядок выполнения работы

Разрабатываемое устройство должно представлять собой законченный модуль управления силовой нагрузкой. В общем виде его структура может выглядеть следующим образом (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема цифрового управляющего устройства: 1 – входной модуль гальванической развязки; 2 – цифровой автомат; 3.1…3.n – выходные модули гальванической развязки; 4.1…4.n – выходные коммутационные узлы

На этой структурной схеме блок 1 обеспечивает гальваническую развязку входных цепей системы управления и источника входных сигналов, блоком 2 представлен собственно цифровой автомат, вырабатывающий сигналы управления, поступающие на узлы гальванической развязки 3.1–3.n, количество n которых определяется техническим заданием. Управляемые цифровым автоматом узлы коммутации выходных сигналов представлены блоками 4.1–4.n. Их количество также определяется техническим заданием.
Проектирование рекомендуется начинать с анализа технического задания. Анализ таблиц 6.3–6.12 покажет, какое количество выходных каналов должно содержать устройство. Это количество совпадает с количеством выходных переменных Y. Из этих таблиц также видно, будет ли разрабатываемое устройство содержать входные цепи, в каком количестве, или же таких цепей вовсе не будет. Для определения количества используемых триггеров из таблиц 6.3–6.12 надо выделить повторяющиеся значения выходных переменных. Это позволит оптимизировать структуру автомата уже до начала непосредственно процедуры синтеза.
Тип ключевого элемента, используемого для коммутации, определяется величинами коммутируемого тока и напряжения, а также родом тока по таблице 6.1. Особое внимание на этом этапе требуется уделить роду тока и в случае переменного тока использовать, например, встречно-параллельное соединение силовых приборов.
При разработке цифрового автомата требуется обосновать выбор схемотехники цифровых логических элементов – ТТЛ, ТТЛШ, КМОП и т. д. Тип триггеров, на базе которых строится цифровой автомат, задан в таблице 3.13.
Поскольку цифровой автомат является тактируемым устройством, то в его состав должен входить тактовый генератор. В таблице 6.2. задана длительность квазистационарного состояния автомата, которая определяет длительность неизменного состояния выходных силовых приборов (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Временные диаграммы состояния выходных силовых приборов и тактовых импульсов цифрового автомата

На рис. 2.2 показан пример состояния выходного силового прибора UY для последовательных состояний переменной Y={1,0,0,1}, соответствующей этому прибору с длительностью квазистационарного состояния tY, а также периодическая последовательность тактовых импульсов UC с периодом следования ТС.
Длительность квазистационарного состояния автомата tY, как показано на рисунке, равняется периоду следования тактовых импульсов тактового генератора ТС.
После того как будет выбрана схемотехника цифровых микросхем, можно приступать к разработке собственно цифрового автомата в соответствии с разделом 2.
При построении цепей гальванической развязки необходимо учесть, что питание цепей до и после развязки должно обеспечиваться от разных источников напряжения – один источник для питания цифрового автомата и другой для обеспечения работы силовых коммутационных элементов. Между цепями при гальванической развязке не должно быть никаких электрических соединений, в том числе и общие точки у них должны быть разными. Различные типы гальванической развязки позволяют передавать из одной цепи в другую разное количество энергии, соответственно это также необходимо принимать во внимание при выборе типа гальванической развязки и построении цепей согласования уровней сигналов, управляющих силовыми приборами.

3. Цифровой автомат

В практике проектирования различных устройств часто возникает необходимость разработки устройства, функционирующего по тому или иному алгоритму. Как правило, в этом случае пытаются реализовать систему на базе микропроцессоров или микроконтроллеров. Однако подобное решение не всегда является оправданным, поскольку в случае несложных алгоритмов вполне достаточно построить цифровой автомат на базе более простых, а следовательно, и более дешевых интегральных схем. Кроме этого, при разработке систем на базе микроконтроллеров значительное время разработчика затрачивается на проектирование и отладку программного обеспечения.
Применение формализованных методов синтеза цифровых автоматов позволяет значительно сократить время и силы, затрачиваемые на разработку и отладку проектируемого устройства и будет полезным при разработке программ для ПЛК.
Рассмотрим основные вопросы синтеза цифровых автоматов.
Цифровым автоматом называют устройство, оперирующее с логическими сигналами и имеющее некоторое множество внутренних состояний при множестве входных и выходных сигналов. При этом каждому набору входных сигналов соответствует определенный набор выходных сигналов и внутренних состояний.
Различают автоматы Мили и автоматы Мура. В автоматах Мура каждое новое состояние обусловлено предшествующим внутренним состоянием и набором входных сигналов. Выходные сигналы в каждый момент времени однозначно определяются состоянием автомата.
Работа автоматов Мура определяется функциями переходов и выходов:

at+1 = f(at,xt),
zt = (at).

В автоматах Мили состояние выходов определяется, кроме внутренних состояний, еще и входными сигналами:

at+1 = f(at,xt),
zt = (at,xt).

Предполагается, что автомат обладает определенной памятью, при этом число различных состояний автомата зависит от объема памяти. Элементами памяти могут быть как элементарные триггеры различных типов, так и стандартные микросхемы памяти, как правило, постоянные запоминающие устройства различных видов.
Описывать работу цифрового автомата с помощью функций переходов и выходов недостаточно удобно, поэтому пользуются табличным способом, построением графов или составлением граф-схем алгоритмов.

3.1. Табличная форма описания автомата
В табличном способе описания цифрового автомата предполагается наличие двух таблиц, описывающих функционирование автомата – таблицы переходов и таблицы выходов.
Таблица переходов выглядит так, как показано в таблице 3.1.

Таблица 3.1
Обобщенная форма таблицы переходов

Х А1 А2 … Аk
X1 A2 A3 … Ai
X2 A1 A1 … –
… … … … …
XN A3 – … Aj

В таблице переходов набор возможных входных сигналов записывается в первом столбце таблицы, упорядоченная последовательность внутренних переменных записывается в первой строке таблицы. В клетках таблицы на пересечении столбцов и строк записываются состояния, в которые переходит автомат из состояния, стоящего в заголовке столбца при поступлении входных сигналов, стоящих в заголовке строки – то есть новые состояния автомата. При этом возможны ситуации, когда некоторые комбинации входных сигналов не вызывают переход автомата в новое состояние. Например, приход комбинации сигналов Х2 при внутреннем состоянии автомата А1 не вызывает переход автомата в новое состояние.
Кроме этого, таблица переходов может содержать неопределенные состояния автомата. Например, неизвестно или безразлично, в какое состояние перейдет автомат из состояния Аk при поступлении набора сигналов Х2, то же самое можно сказать и для набора входных переменных ХN и внутреннего состояния А2.
Для описания состояния выходов автоматов используют таблицу выходов. В этой таблице заголовками строк является упорядоченная последовательность входных сигналов, заголовками столбцов – упорядоченная последовательность внутренних состояний, а на пересечении строк и столбцов находится комбинация выходных сигналов, соответствующая данной комбинации входных сигналов и внутренних состояний (таблица 3.2).
Таблица 3.2
Обобщенная форма таблицы выходов

Х А1 А2 … Аk
X1 Z2 Z3 … Zi
X2 Z3 Z1 … –
… … … … …
XN Z3 – … Zj

В этой таблице также могут находиться неопределенные состояния.
Табличная форма представления цифрового автомата является, как правило, наиболее удобной и распространенной.

3.2. Описание автомата с помощью графов

Для описания цифровых автоматов наряду с табличной формой представления могут использоваться направленные графы.
Вершины графа соответствуют состояниям автомата, дуги – переходам из одного состояния в другое, то есть граф полностью заменяет таблицу переходов. Пример описания цифрового автомата с помощью направленных графов показан на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Фрагмент дерева графа для автомата Мили

Графы строятся следующим образом. Переменные, обозначающие внутренние состояния автомата, заносятся в окружности, являющиеся узлами графа. Узлы графа соединяются ветвями в виде дуг, заканчивающихся стрелками. Ветвь дерева графа соединяет узел с настоящим состоянием и узел, соответствующий последующему состоянию автомата. Поскольку у автомата Мура выходы однозначно определены его состояниями, то переменные, соответствующие значениям выходов, указываются в вершинах графа.
У автомата Мили выходы зависят как от состояний автомата, так и от входных сигналов, поэтому их обозначения располагаются у концов дуг графа. Если при поступлении входных сигналов автомат не меняет своего состояния, то ветвь начинается и заканчивается на одной и той же вершине графа. Приведенный на рисунке фрагмент дерева графа соответствует фрагментам таблиц 3.1 и 3.2 для случая автомата Мили.
На рис. 3.2 показан фрагмент дерева графа для тех же таблиц, только для случая автомата Мура.

Рис. 3.2. Фрагмент дерева графа для автомата Мура

3.3. Описание автомата с помощью блок-схемы алгоритма

Еще одним способом описания цифровых автоматов является задание граф-схемы алгоритма работы автомата. Этот способ является разновидностью традиционных блок-схем алгоритмов работы тех или иных программных систем, однако он адаптирован именно для описания функционирования цифровых автоматов.
Граф-схемы имеют четыре основных типа вершин – начальную, конечную, операторную и условную. Внешний вид этих вершин и их основные параметры показаны в таблице 3.3.

Таблица 3.3
Разновидности вершин в граф-схеме алгоритма автомата

Внешний вид вершины Наименование вершины Входы Выходы

Начальная вершина Нет Один

Операторная вершина Несколько Один

Условная вершина Один Два по условиям

Конечная вершина Несколько Нет

Для однозначности определения пути по граф-схеме алгоритма каждый выход одной вершины любого типа связан только с одним входом другой вершины. Для каждой вершины должен существовать только один путь, по которому через нее можно попасть из начальной в конечную вершину.
Начальная вершина характеризует начальное состояние автомата после включения.
Условная вершина проверяет выполнение некоторого логического условия. Она может иметь только один вход и два выхода. Около каждого выхода отмечается условие, при котором движение осуществляется по данному выходу. В условной вершине может существовать обратная связь, когда выход условной вершины соединяется с ее входом. Подобное решение используется для организации задержек, завершающихся в момент выполнения условия.
Операторная вершина содержит в себе слово (микрокоманду), описывающее действие, выполняемое на данном этапе функционирования автомата. При этом в различных вершинах могут быть одинаковые микрокоманды.
Конечная вершина указывает конечное состояние автомата после выполнения всей последовательности действий.
Пример описания автомата с помощью граф-схемы алгоритма показан на рис. 3.3.
В начальный момент времени цифровой автомат, реализующий граф-схему из примера, имеет состояние А1. При поступлении входного сигнала Х1 выполняется операция Y2 и автомат принимает внутреннее состояние А2. В случае если сигнал Х1 не поступает, выполняется операция Y1 и автомат не меняет своего состояния. При поступлении сигнала Х2 автомат принимает внутреннее состояние А3. В случае если сигнала Х2 не поступает, выполняется команда Y3, и автомат переходит в конечное состояние Y4.

Рис. 3.3. Пример граф-схемы функционирования цифрового автомата

Анна

Исследования ученых о взаимосвязи ума и красоты говорят о том, что умные люди – красивые!

Задать вопрос

Представленная информация была полезной?

ДА

86.75%

НЕТ

13.25%

Проголосовало: 249

или напишите нам прямо сейчас:

⚠️ Пожалуйста, пишите в MAX или заполните форму выше.

В России Telegram и WhatsApp блокируют - сообщения могут не дойти.

Написать в MAXНаписать в TelegramНаписать в WhatsApp

Отзывы наших клиентов

1 2 ... 12 ►