Распределитель импульсов
Курсовой
проект
Распределитель
импульсов
Выполнил: ст. гр. ВМКиС-МэИ-1-10
Диденко Е.
Введение
распределитель импульс схема
Назначение курсового проекта
· Изучение технических характеристик и
состава элементной базы современной ЭВМ.
· Практическое освоение формальных
приемов выбора оптимального варианта реализации функциональных узлов (ФУ) из
множества возможных
· Изучение приемов описания ФУ,
построения временных диаграмм их работы, ориентировочного расчета
быстродействия, аппаратных затрат и потребляемой мощности
Разработка курсового проекта является хорошей
практикой для усвоения знаний, полученных из курса лекций по схемотехнике. В
данном курсовом проекте решаются такие задачи, как:
· синтез счетчика на двух вариантах
триггеров с выбором оптимального варианта по критерию «минимум аппаратных
затрат»
· построение схемы обнуления по
включению питания
· построение комбинационной схемы
· подключение и расчет генератора
тактовых импульсов
· перевод схем в конкретную элементную
базу
· построение временных диаграмм работы
устройства
Задание на курсовой проект
Разработать распределитель импульсов,
формирующий на выходах Z1
и Z2
их N входных импульсов
(от ГТИ) указанные последовательности. Реализация на основе сдвигового
регистра, двоичного счетчика.
Последовательности выбираются из 4х вариантов.
Были выбраны 1 и 3 режим:
Z1=(1,5,6,7,10)
Z2=(7,9,11,12,15)
1. Общие сведения о ТТЛ
Для реализации курсового проекта была выбрана
транзисторно-транзисторная логика. Одной из самых распространённых является
серия цифровых микросхем К155, изготовленные по стандартной технологии
биполярных микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имеется более 150
различных элементов из этой серии. Микросхемы этой серии обладают высоким
быстродействием, хорошей помехоустойчивостью, и большим количеством
номенклатуры, подробно описывающей элементы этой серии, обладают одним большим
недостатком - большой потребляемой мощностью. По этой причине были разработаны:
серия К555 - в этой серии использованы транзисторы с коллекторными переходами и
диоды Шотки.
Это позволяет транзисторам не входить в режим
насыщения, что значительно снижает временные задержки. Так же это уменьшило
емкости p-n
переходов, что снизило потребляемую мощность в 4-5 раз.
Дальнейшее развитие микросхем серии ТТЛ -
разработка микросхем серии КР1533. Основное отличие от К555 - уменьшение
потребляемой мощности в 1,5-2 раза при улучшенном быстродействии.
Средняя задержка элементов микросхем серий
К155,К555,К1533 примерно 15-20 нс. В случаях, где требуется большее
быстродействие, используется микросхемы серии КР531.
Стандартные выходные уровни логической единицы
составляют 2,4-2,7 В, а логического нуля -0,36-0,5 В. Напряжение питания для
серии ТТЛ 5В +-5%, для серии КР1533 разброс питания +-10%.
Микросхемы выпускаются в пластмассовых корпусах,
с 8,14,16,20,24,28 выводами и рассчитаны на температуру -10 - +70С.
Часть микросхем выпускается в керамических
корпусах (КМ155 и КМ555) и рассчитаны на -45 - +85С.
Неподключенные выводы имеют потенциал, и
считаются за логическую 1, если в работе нужны логические 0 на этих выводах, то
их соединяют с общим проводом. Неподключенные ноги несколько снижают
быстродействие. Так же это непозволительно для К555, КР531, КР1533. Можно
подключить неиспользуемые входы серий К155 и КР1533 к выходу инвертирующего
элемента, входы которого при этом надо соединить с общим проводом. Или
соединить неиспользуемые входы микросхем этих серийй и подключить их к
источнику питания +5В непосредственно. Недопустимо подключать ко входу
микросхемы проводник, который во время работы может оказаться неподключенным к
выходу источника сигнала, например при управлении от кнопки или переключателя,
так как это резко снижает помехоустойчивость устройства. Такие проводники
следует подключать к источнику питания через резистр сопротивлением 1кОм (до 20
входов).
На печатных платах с использованием микросхем
серий К155,К555,Кр1533 необходима установка блокировочных конденсаторов между
цепью +5В и общим проводом (один - два конденсатора емкостью 0,033-0,15 мкФ на
каждые пять микросхем).
При изготовлении промышленных устройств на
микросхемах КР531 используют многослойные печатные платы, один из слоев
использует в качестве общего провода, другой в качестве шины питания. Если
используются двухслойные платы, шины питания и общего провода выполняют
навесными в виде латунных полос шириной 5мм, керамические блокировочные
конденсаторы емкостью 0,047-0,015 мкФ подпаивают непосредственно к этим шинам.
В любительских условиях можно одну сторону печатной платы используют под общий
провод, другую под сигнальные цепи и под провод питания, конечно при этом
придется устанавливать много перемычек и к каждой микросхеме блокировочный
конденсатор.
Как правило, напряжение питания микросхем
проводят к выводу с максимальным номером, общий провод - к выводу, номер
которого вдвое меньше.
Цифровые микросхемы по своим функциям делятся на
два больших класса - комбинационные и последовательные. К первому относятся
микросхемы не имеющие внутренней памяти (состояние этих микросхем однозначно
определяется уровнями входных сигналов в данный момент времени).
Ко второму - микросхемы, состояние входов
которых определяется не только уровнями входных сигналов, но и
последовательностью состояний в предыдущие моменты времени из-за наличия
внутренней памяти.
К комбинационным относятся простые логические
микросхемы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И, ИЛИ, мультиплексоры, сумматоры, дешифраторы,
преобразователи кодов, шифраторы, программируемые ПЗУ, триггеры Шмитта,
мажоритарные клапаны, и т.д..
К последовательным микросхемам относятся
триггеры, счетчики, сдвигающие регистры, ОЗУ, и некоторые другие.
Ждущие мультивибраторы нельзя однозначно отнести
ни к одному упомянутому классу, так как внутренняя память помнит изменение
входных сигналов ограниченное время.
. Структурная схема распределителя импульсов
Структурная схема распределителя импульсов с
использованием двоичного счетчика.
Структурная схема распределителя импульсов с
использованием регистра.
Структурная схема необходима для того, чтобы не
вникая в суть работы каждого блока, составить общее представление о структурном
составе разработанного распределителя импульсов.
ГТИ - источник формирования серии прямоугольных
импульсов, необходимых для работы счетчика.
Счетчик - устройство, предназначенное для
подсчета шестнадцати тактовых импульсов от генератора тактовых импульсов.
Подсчет происходит циклически, то есть после прихода последнего импульса
счетчик устанавливается в начальное состояние (обнуляется).
Схема обнуления - служит для обнуления схемы
счетчика по вклюению питания и при окончании счета ( счет оканчивается после
прихода шестнадцатого импульса).
Регистр - последовательное или параллельное
логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и
выполнения преобразований над ними.
КСХ (1) - комбинационная схема реализующая
выходную функцию (выходы Z1,
Z2).
КСХ 2 - комбинационная схема, формирующую на
выходах регистра определенную последовательность.
. Синтез счетчика
В цифровой автоматике счетчики - устройства,
предназначенные для подсчета импульсов, инкрементирующее или декрементирующее
хранимое число. Счетчики широко используются в устройствах управления цифровых
систем для счета числа выполненных операций в связной и контрольно-измерительной
аппаратуре.
По типу функционирования счетчики различаются
на:
· суммирующие
· вычитающие
· реверсивные (универсальный)
Главная характеристика счетчика - модуль счета,
максимальное число импульсов, которое может сосчитать счетчик.
Данный счетчик считает 16 импульсов от ГТИ, и
может быть реализован на D
и JK триггерах. Такой
выбор обусловлен тем, что данные триггера обеспечивают максимальную
минимизацию. Для реализации задания был выбран JK-триггер,
этим обеспечивается наиболее оптимальная минимизация.
4. Схема обнуления при включении питания
Если обнуление после достижения 16-го импульса
обеспечивается автоматически, то при включении питания триггеры могут находится
в любом состоянии. Это значит, что необходимо предусмотреть схему обнуления по
включению питания. Такая схема реализованна на конденсаторе C2
и
инверторе. При подаче питания наступает переходной процесс C2
в
результате весь ток расходуется на зарядку конденсатора и на входе инвертора
состояние логического нуля в результате на входах триггеров счетчика
присутствует логическая единица и триггеры устанавливаются в ноль.
После зарядки конденсатора переходной процесс
заканчивается и ток черех конденсатор не течет и на входе инвертора
устанавливается логическая единица, что в свою очередь устанавливает сигналы
триггеров в ноль, чем разрешает работу счетчика.
. Синтез сдвигового регистра
Регистр - последовательное или
параллельное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных
двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.
Регистр представляет собой
упорядоченную последовательность триггеров, обычно D, число которых
соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано
комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение
некоторых операций над словами.
Фактически любое цифровое
устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединённых друг с
другом при помощи комбинационных цифровых устройств.
Я выбрал регистр на D-триггерах.
Регистры делятся на:
· накопительные
· сдвигающие
· параллельные
· последовательные
· комбинированные
При помощи управляющих входов организуется сдвиг
влево или вправо (для сдвигающего регистра), хранение информации, запись
информации в параллельном или последовательном виде (для комбинированных
регистров).
. Минимизация функция и их перевод в базис И-НЕ
Для счетчика:
Перевод в базис И-НЕ:
Для сдвигового регистра:
Для регистра необходимо 2 КСХ:
. Для реализации требуемой
последовательности на выходах Z1
Z2.
. Для создания кольцевого регистра.
Эта функция организует кольцевой регистр, также
называемый генератор чисел. Для этого выход КСХ 2 подается на последовательный
вход SR
и управляющими входами устанавливается сдвиг влево. Получается, в зависимости
от комбинации на выходах на последовательный вход подается лог. 1 или лог. 0.
Для получения функции используется словарь переходов для D-триггера.
Данная схема также нуждается в схеме обнуления,
так как сдвиговый регистр содержит память в виде D-триггеров,
которые могут быть в состоянии, отличном от нуля. Схема обнуления аналогична
схеме для счетчика.
. Расчет для генератора тактовых импульсов
F=25Мгц
R=1кОм
С=F/R
C=25000/1000=25пФ
Частота генератора подбирается изменением
емкости конденсатора.
Для необходимой частоты необходим конденсатор емкостью
0,025мкФ.
Расчет мощности:=0.5*un(I0POT+
I1POT)0POT=U(I0POT)/R=0.0024A=2.4mA1POT=U(I1POT)/R=0.0024A=4.5Ma=0.5*5*(0.0024+0.0045)=17.2мВт
Вывод
При выполнении данного курсового проекта были
получены навыки использования непосредственно микросхем, изучена техническая
база, особенности проектирования схем. Узнал о принципах работы ТТЛ -
транзисторно-транзисторной логики, различных сериях, основанных на этой логике,
и элементах входящих в эти серии. Также улучшил свои навыки в области
построения комбинационных схем. Полезным оказалось построение временных
диаграмм, описывающих схему непосредственно в процессе работы, что очень
поможет в дальнейшем освоении материала. Этот курсовой проект стал отличной
практикой для усвоения и развития знаний, полученных в процессе курса
схемотехники и теории автоматов.
Список литературы
1. Справочник по микросхемам серии
К155. 1991 Рахимов Т.М.
. Справочник по стандартным цифровым
ТТЛ микросхемам. 2001 Козак В.Р.
. Лекционный материал по курсам
«Схемотехника» и «Теория автоматов»