Цифровая обработка данных с помощью автоматических устройств

Цифровая обработка данных с помощью автоматических устройств

Содержание

Введение

. Разработка структурной схемы и описание её работы

. Разработка объединённой таблицы истинности для пяти входных переменных А - Е, отражающих номер буквы по алфавиту и её минимизация с помощью карт Карно

. Разработка схемы электрической принципиальной и расчёт её узлов

.1 Разработка и расчёт генератора импульсов

.2 Разработка многоразрядного счётчика

.3 Разработка схемы формирования импульса записи

.4 Разработка выходных регистров памяти(запоминающих устройств)

.5 Расчёт схемы сброса по питанию

. Расчёт энергетических параметров схемы

Заключение

Перечень элементов

Список использованной литературы

Введение

Цифровая обработка данных с помощью автоматических устройств является результатом технического прогресса не только последних десятилетий. Еще в средние века были созданы примитивные по современным понятиям решающие устройства, которые могли выполнять такие несложные вычислительные действия, как сложение и вычитание. Эти вычислительные машины, работавшие на чисто механическом принципе, были столь велики по размерам и дороги, что, конечно же, тогда не могло быть и речи о той популярности, которой пользуются, например, современные карманные калькуляторы.

Эти машины предназначались для исследовательских целей и ими пользовались в основном их изобретатели. Впрочем, это не означало, что подобные научные разработки были совершенно бесполезными. Они обогащали науку в целом и, конечно, давали определенный вклад в развитие технологии изготовления серийных машин и автоматов в течение последующих веков, в особенности в XIX в. Проблему создания электронных вычислительных машин и автоматов стали широко обсуждать впервые после изобретения радиоламп в начале XX в. В эти годы были созданы различные схемы, которые впоследствии применялись в качестве базовых элементов цифровых схем. Здесь имеются в виду различные генераторы (типа мультивибраторов), а также логические схемы, реализующие функции И, ИЛИ и НЕ (обращения, инверсии), и усилители считывания для магнитных запоминающих устройств (ЗУ). Перед второй мировой войной впервые была сделана попытка создать полномасштабную электронную вычислительную машину (ЭВМ), в которой использовались радиолампы, селеновые диоды и магнитные запоминающие элементы для регистров и ЗУ.

В Голландии развитие вычислительной техники началось после второй мировой войны. Работы в области создания ЭВМ были начаты почти одновременно в Математическом центре в Амстердаме, в лаборатории РТТ° в Лейдшендаме (д-ром Нехерлабом) и в Национальной лаборатории Филипса в Эйндховене.

Как известно, первая ЭВМ, созданная в Математическом центре, была собрана из релейных элементов. Конструкция машины была признана неудачной из-за постоянных сбоев, возникающих в результате загрязнения контактов реле. Уже в начале 50-х годов были разработаны электронные машины, которые имели лучшие характеристики. Первые ЭВМ назывались ARRA (аббревиатура от словосочетания Automatische Relais Rekenmachine Amsterdam), т. е. назывались так же, как и предыдущие машины, которые, как уже говорилось выше, были собраны исключительно из релейных элементов.

Для новых ЭВМ из-за интенсивного тепловыделения многочисленных радиоламп потребовалась эффективная система охлаждения с большими вентиляторами, смонтированными внутри корпуса ЭВМ. Вентильные схемы ARRA собирались из селеновых диодов и радиоламп (двойных триодов), а в качестве запоминающих элементов регистров применялись магнитные кольцевые сердечники. Для хранения команд и других данных использовались барабанные ЗУ. Ввод информации осуществлялся с помощью устройства собственного изготовления для считывания перфолент, а вывод информации - с помощью модифицированной электрической пишущей машинки.

Из-за низкого качества селеновых диодов и относительно быстрого старения радиоламп эту ЭВМ вряд ли можно было рассматривать как высококачественное изделие, пригодное для крупномасштабного производства. Тем не менее ARRA в течение ряда лет использовалась для решения научно-исследовательских задач.

В конце 1957 г. была создана ЭВМ XI, разработанная в Математическом центре и выполненная полностью на транзисторах. Эта ЭВМ впоследствии была запущена в массовое производство существовавшей в то время фирмой N. V. Electrologica (г. Рейсвейк).

В ЭВМ XI, которая была значительно меньше по размерам, чем ламповые ЭВМ, логические элементы, такие, как схемы И, ИЛИ и обращения (инверсии), были собраны из дискретных компонентов, смонтированных на печатной плате. Эта плата, снабженная периферийными контактами с покрытием из тонкого слоя золота, собиралась в виде единого модуля. На одной плате располагались две схемы И-НЕ с тремя входами на каждую, которые были изготовлены из ДТЛ-элементов. Соединения между модулями, необходимые для реализации требуемых вычислительных функций, выполнялись с помощью проводников.

Монтаж ЭВМ, состоящей из дискретных компонентов и проволочных соединений, оказался очень трудоемким процессом, что привело к существенному удорожанию подобных систем. Изменение элементной базы произошло в середине 60-х годов» когда на рынке появились интегральные схемы (ИС) первоначально с небольшой плотностью расположения элементов, например по четыре схемы типа И-НЕ на одном кристалле, а затем и с более высокой плотностью, что позволило реализовать более сложные функции. Под более сложными мы понимаем функции, реализуемые в схемах селекторов, мультиплексоров, демультиплексоров, сумматоров, декадных и шестнадцатеричных счетчиков и других устройств.

Вначале устройства на интегральных схемах были выполнены на ДТЛ-элементах, а затем на ТТЛ-элементах. Последние применяются и в настоящее время.

Позднее семейство цифровых схем пополнилось КМОП-структурами, которые в настоящее время находят все большее применение, а ТТЛ-схемы продолжают совершенствоваться в направлении увеличения скоростей переключения и уровня допустимого тепловыделения.

Благодаря высокой степени интеграции (несколько десятков-схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ на одном кристалле) стоимость цифровых схем существенно снизилась. Кроме того, совершенствование технологии изготовления привело к росту производства ИС. Указанные факторы повлияли на стоимость ЭВМ, тем более что за счет меньших размеров модулей на одной плате стало возможным разместить большее число ИС. Небольшие по размерам вставные модули типа использованных в ЭВМ XI были заменены одной большой платой с десятками ИС. Такие платы затем соединяются с другими платами.

Взаимные соединения между отдельными платами, осуществляемые с помощью разъемов, первоначально производились в стойках с применением монтажа накруткой или стежковой сваркой, однако в дальнейшем от этой технологии отказались, чтобы освободить место для печатного монтажа на обратной стороне платы.

В середине 60-х годов был достигнут большой прогресс в разработке МОП-транзистора - элемента с ничтожно малым тепловыделением и простой конструкцией. Эти факторы позволили изготовить ИС с еще более высокой плотностью расположения элементов, что, в свою очередь, привело к сборке целого процессора (т. е. основы ЭВМ) на одном кристалле небольших размеров.

В начале 70-х годов фирме Intel (США) удалось разработать микропроцессор (ЦП), хотя вначале его набор команд и разрядность шины данных были небольшими. За первым микропроцессором типа 4004 вскоре был создан микропроцессор типа 8008 с 8-разрядной шиной передачи данных, а затем - микропроцессор 8080 с более совершенной системой команд.

В настоящее время разрабатываются микропроцессоры с 16-разрядными шинами передачи данных (1 бит = 1 двоичному числу) и с еще большим набором команд. Эти микропроцессоры изготавливаются теперь многими фирмами.

Одновременно с созданием микропроцессоров разрабатывались полупроводниковые ЗУ на МОП-транзисторах, поэтому в настоящее время уже на одной плате можно разместить целый компьютер. Цена такого компьютера составляет от сотни до нескольких тысяч долларов, а зависимости от объема ЗУ и состава системы внешних устройств для ввода данных и вывода на магнитную ленту.

С появлением микропроцессоров область применения ЭВМ существенно расширилась. Если вначале компьютеры применялись только в научно-исследовательской работе и АСУ, то сегодня их можно встретить и в швейных машинках, бензоколонках и в кассовых аппаратах. Можно назвать также персональные компьютеры, которые используются не только любителями разнообразных хобби, но и профессионалами, занимающимися разработкой проектов автоматизации систем распределения газа, электричества и воды и других систем управления процессами.

Несмотря на интенсивную разработку микропроцессоров потребность в схемах на ТТЛ- и КМОП-элементах с относительно невысокой степенью интеграции остается, как и прежде, большой. Это связано с тем, что такие элементы обеспечивают большую гибкость при разработке логических схем, предназначенных для применений, в которых важную роль играют скорость переключения, небольшие размеры и небольшая стоимость.

1. Разработка структурной схемы и описание её работы

Рисунок 1 - Разрабатываемая схема

Г - генератор импульсов на цифровых микросхемах

СЧ - счетчик импульсов

СФИ - схема формирования импульса записи

ЗУ - запоминающее устройство

Общий принцип действия схемы разрабатываемого проекта:

Генератор генерирует импульсы, которые идут на счетчик. После счетчика идет двоичный код чисел от 0 до 31, символизирующий буквы русского алфавита. В тот момент, когда код счетчика равен нужной букве из названия улицы, схема задания адреса формирует импульс разрешения записи в нужный регистр.

2. Разработка объединённой таблицы истинности для пяти входных переменных А - Е, отражающих номер буквы по алфавиту и её минимизация с помощью карт Карно

Таблица 1 Объединённая таблица истинности

Из таблицы 1 получаем коды букв названия улицы:

Таблица 2 Коды букв названия улицы

Составляем булево выражение по таблице 2:

Заполняем карты Карно(рис.3.1.):

Рисунок 3.1 - Карты Карно

После упрощения выражение принимает вид:

генератор импульс память истинность

3. Разработка схемы электрической принципиальной и расчёт её узлов

.1 Разработка и расчёт генератора импульсов

Наилучшую стабильность частоты среди генераторов на ЛЭ имеют генераторы с кварцевым резонатором, включенным вместо времязадающего конденсатора (рис 4.1).

Рисунок 4.1- Генератор с кварцевым резонатором

Так по заданию у нас применяются микросхемы ТТЛ-серии, то выбираем R1 = 470 Ом. R2 выбирают в 5 …10 раз большим, чем R1. Выбираем R2=10R1=4700Ом. Фильтрующий конденсатор Cф вводят в ТТЛ схемах на частотах ниже 1МГц для предотвращения звона на фронтах импульсов (против вспышек генерации с частотой порядка 30 МГц). Переходной конденсатор Cпер выбирают из расчета: :

на рабочей частоте ωр. Подстроечный конденсатор Cподстр позволяет точно настроить частоту генератора в небольших пределах, он немного повышает частоту генератора.

По справочнику выбираем логические элементы(ЛЭ) ЛЭ1-3 на МС: К555ЛН1

Рассчитаем номиналы элементов, необходимых для работы генератора импульсов с заданной по условию частотой:

;

;

Ф = 0.8пФ

Cф=50пФ

По справочнику [2] выбираем резисторы R1 и R2:

R1: МЛТ- 0.125 - 470Ом ±5%;

R2: МЛТ- 0.125 - 4,7кОм ±5%;

По справочнику [2] выбираем конденсатор С:

Cподстр: КТ4-24-50В -5-25пФ 20%;

Спер: К10-9-25В -2,2пФ  20%;

Сф: К15У-1-20В -68пФ  20%;

3.2 Разработка многоразрядного счётчика

В качестве многоразрядного счётчика будем использовать 2 микросхемы К555ИЕ20.

Микросхема К555ИЕ20 - два четырёхразрядных асинхронных счётчика. Каждый из счётчиков содержит два делителя: делитель на два(вход С1,выход Q0) и делитель на пять(вход С2, выходы Q1 - Q3). Смена состояний происходит по отрицательным фронтам импульсов на входах С. Для организации двоично-десятичного счётчика выход Q0 соединяют со входом С2. Асинхронное обнуление наступает при R=1; в режиме счёта R=0.

Рисунок 4.2.1 - УГО МС К555ИЕ20

Рисунок 4.2.2 - Организация пятиразрядного счётчика на МС К555ИЕ20

.3 Разработка сравнивающего устройства

В качестве сравнивающего устройства будем использовать микросхемы дешифраторов К155ИД3. Микросхема К155ИД3 имеет 4 адресных входа 1,2,4,8, 2 инверсных входа стробирования S, объединённых по И и 16 выходов 0 - 15. Если на обоих входах стробирования логический 0, на том из выходов, номер которого соответствует двоичному эквиваленту входного кода(вход1 - младший разряд, вход 8 - старший),будет логический 0, на остальных выходах - логическая 1. Если хотя бы на одном из входов стробирования S логическая 1, то независимо от состояний входов на всех выходах микросхемы формируется логическая 1. Наличие двух входов стробирования существенно расширяет возможности использования микросхем. Из двух микросхем К155ИД3, дополненных одним инвертором, можно собрать дешифратор на 32 выхода, дешифратор на 64 выхода собирается из четырёх микросхем К155ИД3 и двух инверторов, а на 256 выходов - из 17 микросхем К155ИД3.

Рисунок 4.3.1 УГО микросхемы К155ИД3

Рисунок 4.3.2 Структурная схема микросхемы К155ИД3

Рисунок 4.3.3 Использование двух микросхем К155ИД3 и инвертора К155ЛН1 для создания 32-разрядного дешифратора

3.4 Разработка запоминающего устройства

В качестве запоминающего устройства будем использовать микросхемы КР531ИР18 регистров памяти.

Микросхема КР531ИР18 - шестиразрядный регистр хранения информации. Запись информации в регистр производиться по спаду импульса отрицательной полярности на входе С, при этом на входе разрушения записи EL должен быть логический 0. Если на входе EL логическая 1, то запись в регистр запрещена.

Рисунок 4.4.1 УГО микросхемы КР531ИР18

Рисунок 4.4.2 Структурная схема микросхемы КР531ИР18

3.5 Расчёт схемы сброса по питанию

Схема сброса по питанию применяется для установки логических элементов в исходное состояние при включении питания или при возникновении тупикового состояния электронной схемы. Тупиковые состояния могут возникать при подаче недопустимого сигнала на входы микросхем, при воздействии сильной помехи, неправильном подключении микросхем, т.е. при возникновении ошибки в схеме. К примеру, на входы S и R RS-триггера подаются одновременно сигналы активного уровня, на несколько входов классического шифратора одновременно подаётся «1» и т.д. А при включении питания, к примеру, счётчик может продолжать счёт вместо того, чтобы начать считать заново. Для предотвращения таких состояний организовывается сброс по питанию.

В данном устройстве применена схема сброса по питанию на основе конденсатора и резистора при прямом входе сброса микросхемы (рис.4.5.1).

Рисунок 4.5.1 Схемы сброса по питанию

Также необходимо организовать задержку порядка 1с при подаче напряжения питания. Для этого, зная период времени t=1c, рассчитаем номиналы элементов C и R:

c;

Конденсатор возьмем на 1 мкФ. Тогда R:

 МОм;

По справочнику [2] выбираем резистор R:: МЛТ- 0.125 - 1 МОм ±5%;

По справочнику [2] выбираем конденсатор С:

C: К75-43 -300 В - 1 мкФ  10%;

Так как период t значительно превышает максимально допустимую длительность фронта для ТТЛ-микросхем(200нс), то на выходе инвертора может возникнуть звон. Однако это допустимо, т.к. выходной сигнал подаётся на входы сброса микросхем, а не на входы данных.

4. Расчёт энергетических параметров схемы

Средний ток потребления применённых в схеме устройства микросхем:

К555ИЕ20-  не более 26мА

К155ИД3-  не более 56мА

К155ЛН1- не более 33мА

КР531ИР18- не более 96мА

Средний ток, потребляемый устройством, будет равен сумме всех токов, потребляемых используемыми микросхемами:

Напряжение питания микросхем серии ТТЛ - 5В. Рассчитаем среднюю мощность, потребляемую устройством:

Заключение

В результате выполнения курсового проекта было разработано устройство, позволяющее кодировать буквы улицы студента с последующей записью кодов букв в регистры памяти.

Схема разработана на базе микросхем малой интеграции выполненных по ТТЛ технологии.

Можно выделить недостатки проекта: в первую очередь это большая потребляемая мощность, во-вторых, громоздкость схемы.

Применение микросхем малой интеграции для разработки кодирующих устройств широкого применения не целесообразно из-за очень сильного увеличения схемы при повышении разрядностей поступающих чисел. Для достижения малых габаритов и снижения потребления энергии, а так же гибкости в разработке рекомендуется использовать микропроцессорную технику, а при необходимости очень быстрого считывания высокочастотных сигналов, как аналоговых, так и цифровых, лучше всего подходят цифровые сигнальные процессоры.

Список использованной литературы

1. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. / Нефедов А.В. Т. 9.-М.: ИП РадиоСофт, 1999.- 512 с.

. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Акимов и др. Мн.: Беларусь, 1994.

. Полупроводниковые приборы: (диоды и транзисторы) / Галкин В.И., Прохоренко В.А. -Мн.: Беларусь, 1979.

. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / C. В. Якубовский и др.- М.: Радио и связь, 1989.

. Интернет каталог фирмы STMicroelectronics [www.st.com].

. Интернет каталог фирмы Texas Instruments [www.ti.com].

. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. / Шило В.Л. М.: Радио и Связь, 1987.