Разработка устройства преобразующего 4-х разрядный двоичный код в набор управляющих сигналов для семисегментного индикатора

Разработка устройства преобразующего 4-х разрядный двоичный код в набор управляющих сигналов для семисегментного индикатора

Разработка устройства преобразующего 4-х разрядный двоичный код в набор управляющих сигналов для семисегментного индикатора

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

.1 Элемент «ИЛИ»

.2 Элемент «И»

1.3 Элемент «НЕ»

1.4 Семисегментный индикатор

.5 Минимизация функций с использованием карт Карно

. Практическая часть

.1 Построение таблицы истинности

.2 Построение карт Карно и логических уровней

.3 Проектирование и анализ принципиальной схемы устройства

Вывод

Список используемых источников

Введение

В наше время происходит бурное развитие микроэлектроники, микропроцессорной цифровой техники. Благодаря новейшим технологиям современная промышленность научилась выпускать широчайший ассортимент недорогих и высокофункциональных логических элементов, микропроцессоров и микроконтроллеров. Микроэлектроника всё больше входит в наш быт. Без компьютеров, телевизоров, телефонных средств связи, Интернета трудно представить жизнь и деятельность современного человека. Создание вышеперечисленных технических достижений было бы не возможным без использования логических элементов, работа которых основана на алгебре-логике. Изучение работы простейших из них - есть цель данного курсового проекта. . Разрабатываемое устройство преобразует входные комбинации двоичного кода в управляющие сигналы семисегментного индикатора. Прибор построен на логических элементах «И», «ИЛИ», «НЕ». Действие логического устройства осуществляется при помощи метода минимизирующих карт Карно. Такие устройства широко применяются в приборах с информационными дисплеями, например в цифровых измерителях температуры, таймерах, светофорах, электронных счётчиках, часах и "бегущих" строках. Все логические элементы работают с цифровыми сигналами. Это значит, что сигнал на любом из входов элемента должен принимать значения либо логического нуля, либо логической единицы. На выходе каждый элемент также обеспечивает цифровой сигнал, который, в зависимости от логики работы схемы, принимает значения либо логической единицы, либо логического нуля. Элементы «И» и «ИЛИ» могут иметь любое количество входов, (кроме одного, иначе теряется смысл). Теоретически, количество входов может быть увеличено до бесконечности. Тип элемента определяется не количеством входов, а логикой его работы. Основными и наиболее простыми логическими элементами являются элементы, выполняющие операции отрицания (НЕ), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они составляют функционально полную систему и являются системой минимального базиса. Логические элементы «И» и «ИЛИ» могут выполняться на резисторах, диодах, биполярных и полевых транзисторах и туннельных диодах. Элемент НЕ выполняется только на транзисторах (ТТЛ). …. Курсовой проект состоит из двух частей: теоретической, в которой описывается логика работы прибора и составных его частей, и практической, в которой проведено построение таблиц истинности и карт Карно, проектирование и построение схемы устройства.

цифровой преобразующий двоичный сигнал

1. Теоретическая часть

.1 Элемент «ИЛИ» (дизъюнкция)

На выходе этого элемента сигнал логической единицы появиться тогда, и только тогда, когда хотя бы на одном из его входов появиться единица. То есть единица должна быть или на первом, или на втором, или на третьем - на любом из имеющихся входов, или на нескольких сразу. Логический ноль на выходе будет тогда, когда на всех входах будет сигнал логического нуля. Обозначается элемент прямоугольником, слева - входы, справа - выход, на прямоугольнике изображена единица рисунок 1.1

Рисунок 1.1

Таблица 1.1 - Таблица истинности для элемента «ИЛИ»

Диодный элемент «ИЛИ» В том случае, когда на все входы поступает логические нули, диоды оказываются закрытыми, и низкий потенциал из общего провода через резистор R окажется на выходе элемента. В том случае, когда на один из входов подаётся высокий уровень, диод откроется и высокий потенциал окажется на выходе элемента. В том случае, когда на всех входах действует логические единицы, открытым окажется лишь один диод, так как сопротивление открытых диодов разное, остальные диоды окажутся закрытыми. Логический элемент «ИЛИ», выполняемый на диодах, имеет два и более входов и один выход. Элемент может работать как при потенциальном, так и при импульсном представлении логических величин. На рисунке 2 а) приведена схема диодного элемента для работы с потенциалами и импульсами положительной полярности. При использовании отрицательной логики и отрицательных потенциалов, либо импульсов отрицательной полярности необходимо изменить полярность включения диодов, как показано на рисунке 2 б). Рассмотрим работу схемы на рисунке 2 а). Если импульс (либо высокий потенциал) действует лишь на одном входе, то открывается подключенный к этому входу диод и импульс (либо высокий потенциал) передается через открытый диод на резистор R. При этом на резисторе R образуется напряжение той полярности, при которой диоды в цепях остальных входов оказываются под действием запирающего напряжения. Если сигналы, соответствующие логической единице, одновременно поступают на несколько входов, то при строгом равенстве уровней этих сигналов откроются все диоды, подключенные к этим входам. Если сопротивление открытого диода мало по сравнению с сопротивлением резистора R, уровень выходного напряжения будет близок к уровню входного сигнала независимо от того, на скольких входах одновременно действует сигнал логической единицы. Заметим, что если уровни входных сигналов разнятся, то открывается лишь диод того из входов, уровень сигнала на котором имеет наибольшее значение. На резисторе R образуется напряжение, близкое к наибольшему из напряжений, действующих на входах. Все остальные диоды закрываются, отключая от выхода источники с малым уровнем сигнала.

а) Схема диодного элемента «ИЛИ» положительной полярности б) Схема диодного элемента «ИЛИ» отрицательной полярности

Рисунок 1.2

Таким образом, на выходе элемента образуется сигнал, соответствующий логической единице, если хотя бы на одном из входов действует логическая единица. Следовательно, элемент реализует операцию дизъюнкции (операцию «ИЛИ»). Рассмотрим факторы, влияющие на форму выходного импульса. Пусть элемент имеет n входов и на один из них подан прямоугольный импульс напряжения от источника с выходным сопротивлением Rвых. Подключенный к этому входу диод открыт и представляет собой малое сопротивление. Остальные диоды закрыты, емкости Сд их p-n - переходов через выходные сопротивления подключенных к входам источников оказываются включенными параллельно выходу элемента. Вместе с емкостью нагрузки и монтажа Сн образуется некоторая эквивалентная емкость Сэк = Сд + (n-1)Сд, подключенная параллельно R (рисунок 1.3 а)). В момент подачи на вход импульса, из-за емкости Сэк, напряжение на выходе не может возрасти скачком - оно растет по экспоненциальному закону с постоянной времени:

(так как Rвых < R), стремясь к значению Uвх R/(R + Rвых).

а) Схема с эквивалентной ёмкостью, подключённой параллельно б) Форма выходного импульса

Рисунок 1.3

Момент окончания входного импульса напряжение на заряженном конденсаторе Сэк не может упасть скачком; оно снижается по экспоненциальному закону с постоянной времени  длительность среза выходного импульса больше длительности его фронта (рисунок 1.3 б). Подача следующего импульса на вход элемента допускается лишь после того, как остаточное напряжение на выходе от действия предыдущего импульса снизится до определенного малого значения. Поэтому медленный спад выходного напряжения вызывает необходимость увеличения тактового интервала и, следовательно, является причиной снижения быстродействия.

.2 Элемент «И» (Конъюнкция)

На входе элемента сигнал логической единицы появиться тогда и только тогда, когда на всех его входах будет присутствовать логическая единица, т. е. и на первом, и на втором, и на третьем (если он есть), и на всех имеющихся входах. Если хотя бы на одном из входов будет логический ноль, то и на выходе тоже будет ноль.

Обозначается элемент прямоугольником, слева - входы, справа - выход, на прямоугольнике изображён значок «и» (рисунке1.4)

Рисунок 1.4

Таблица 1.2 - Таблица истинности для элемента «И»

Диодный элемент «И». Логический элемент «И» имеет один выход и два или более входов. Диодный элемент «И» может работать с информацией, представленной как в потенциальной, так и в импульсной форме. На рисунке 5 (а) приведена схема, используемая при положительных значениях входных напряжений. При использовании отрицательной логики и отрицательных входных напряжений, либо импульсов отрицательной полярности, необходимо изменить полярность напряжения источника питания и полярность включения диодов (рисунок 1.5 б).

Пусть на одном из входов цепи на рисунке 1.5 а) действует низкий уровень напряжения, соответствующий уровню логического ноля. Ток будет замыкаться в цепи от источника E через резистор R, открытый диод и источник низкого входного напряжения. Так как сопротивление открытого диода мало, то низкий потенциал с входа через открытый диод будет передаваться на выход.

а) Схема диодного элемента «И» положительной полярности б) Схема диодного элемента «И» отрицательной полярности

Рисунок 1.5

Диоды, подключенные к остальным входам, на который действует высокий уровень напряжения, оказываются закрытыми. Действующее на диоде напряжение можно определить суммированием напряжений, при обходе внешней, по отношению к диоду, цепи от его анода к катоду. При таком обходе напряжение на диоде оказывается равным Uд = Uвых - Uвх. Таким образом, выходное напряжение, прикладываемое к анодам диодов, является для них положительным, стремящимся открыть диоды; входное напряжение, прикладываемое к катоду, - отрицательным, стремящимся закрыть диод. И если uвых < uвх, то Uд отрицательно и диод закрыт. Именно поэтому, когда на выходе элемента низкий потенциал (уровень логического ноля), а на входе высокий потенциал (уровень логической единицы), подключенный к этому входу диод оказывается закрытым. Таким образом, если хотя бы на одном из входов действует напряжение высокого уровня логической единицы. Следовательно, на выходе элемента устанавливается напряжение уровня логической единицы в том и только в том случае, когда на всех входах действует напряжение уровня логической единицы. Таким образом, убеждаемся в том, что элемент выполняет логическую операцию «И». Рассмотрим форму выходного импульса (рисунок 6 б).

а) Схема диодного элемента «И» б)Форма выходного импульса

Рисунок 1.6

Будем считать, что к выходу подключен некоторый эквивалентный емкостной элемент Сэк, емкость которого включает в себя емкости нагрузки, монтажа и закрытых диодов. В момент подачи импульса напряжения одновременно на все входы, напряжение на Сэк (на выходе элемента) не может возрасти скачком. Все диоды вначале оказываются закрытыми входными напряжениями, являющимися для диодов отрицательными. Поэтому источники входных сигналов будут отключены от Сэк. Конденсатор Сэк заряжается от источника Е через резистор R. Напряжение на конденсаторе, а значит и на выходе элемента, растет по экспоненциальному закону с постоянной времени  (рисунок 6 б). В момент времени, когда Uвых превысит минимальное из входных напряжений, откроется

соответствующий диод и рост Uвх прекратится. Ток от источника Е, ранее замыкавшийся через Сэк, переключается в цепь открытого диода. В момент окончания входных импульсов все диоды открываются положительным для них напряжением Uвых. Происходит относительно быстрый разряд Сэк через открытые диоды и малые выходные сопротивления источников входных сигналов. Напряжение на выходе снижается по экспоненциальному закону с малой постоянной времени .Сравнение форм выходных импульсов диодных элементов «ИЛИ» и «И» показывает, что в элементе «ИЛИ» оказывается более растянутым срез импульса, в элементе «И» - его фронт.

.3 Элемент «НЕ» (отрицание, инверсия).

У этого элемента не может быть больше одного входа. Инвертор имеет один вход и один выход. Логика такого элемента очень проста. Когда на входе у инвертора сигнал логического нуля, на выходе - сигнал логическая единица. И наоборот, когда на входе единица, на выходе будет ноль.

Рисунок 1.7

Таблица 1.3 - Таблица истинности для элемента «НЕ»

Операция «НЕ» может быть реализована ключевым элементом, представленным на рисунке 7 а). Следует иметь в виду, что этот элемент выполняет операцию «НЕ» только при потенциальной форме представления логических величин. При низком уровне входного сигнала, соответствующем лог.0, транзистор закрыт, на его выходе устанавливается напряжение высокого уровня Е (логической единицы). И наоборот, при высоком уровне входного напряжения (уровне логической единице) транзистор насыщен, на его выходе устанавливается напряжение, близкое к нулю (уровня логического ноля). Графики входных и выходных напряжений представлены на рисунок 1.7 б).

а) Схема элемента «НЕ» на ТТЛ б) Графики входных и выходных напряжений

Рисунок 1.7

Отличительная особенность построения схемы «И» в элементе ТТЛ состоит в том, что в ней использован один многоэмиттерный транзистор МТ, заменяющий группу входных диодов, если бы элемент был сделан на схеме диодно-транзисторной логики. Эмиттерные переходы МТ исполняют роль входных диодов, а коллекторный переход - роль смещающего диода в цепи базы транзистора инвертирующей части схемы элемента. При рассмотрении принципа работы МТ, его можно представить состоящим из отдельных транзисторов с объединенными базами и коллекторами, как показано на рисунок 1.8 б).

Пусть на все входы элемента подано напряжение уровня лог.1 (3,2 В). Возможное при этом распределение потенциалов в отдельных точках схемы приведено на рисунке 1.9 а). Эмиттерные переходы МТ оказываются смещенными в обратном направлении (потенциалы эмиттеров выше потенциалов базы), коллекторный переход МТ, наоборот, смещен в прямом направлении (потенциал коллектора ниже потенциала базы). Таким образом, МТ можно представить транзисторами, работающими в активном режиме с инверсным включением (в таком включении эмиттер и коллектор меняются ролями).

а) Схема с многоэммитерном транзисторе б) Схема, состоящая из отдельных транзисторов с обледененными базами и коллекторами

Рисунок 1.8

Многоэмиттерный транзистор выполняется таким образом, чтобы его коэффициент усиления в инверсном включении был много меньше единицы. Поэтому эмиттеры отбирают от источников входных сигналов малый ток (в отличие от элементов ДТЛ, где этот ток через закрытые входные диоды практически равен нулю). Базовый ток МТ через коллекторный переход втекает в базу транзистора VT, удерживая последний в режиме насыщения. На выходе устанавливается напряжение низкого уровня (логический ноль). Рассмотрим другое состояние схемы. Пусть хотя бы на одном из входов действует напряжение уровня логического ноля. Возникающее при этом распределение потенциалов показано на рисунке 1.9 б). Потенциал базы МТ выше потенциала эмиттера и коллектора. Следовательно, оба перехода, эмиттерный и коллекторный, смещены в прямом направлении и МТ находится в режиме насыщения. Весь базовый ток МТ замыкается через эмиттерные переходы. Напряжение между эмиттером и коллектором близко к нулю, и действующий на эмиттере низкий уровень напряжения через МТ передается на базу транзистора VT. Транзистор VT закрыт, на выходе высокий уровень напряжения (уровень логической единицы). При этом практически весь базовый ток МТ замыкается через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход МТ.

а) Распределение потенциалов отдельных точках схемы при действии логической единицы б) Распределение потенциалов отдельных точках схемы при действии логического ноля

Рисунок 1.9

.4 Семисегментный индикатор

Рисунок 1.10

Семисегментный индикатор (рисунок 1.10) - устройство отображения цифровой информации. Это - наиболее простая реализация индикатора, который может отображать арабские цифры. Для отображения букв используются более сложные многосегментные и матричные индикаторы. Семисегментный индикатор, как говорит его название, состоит из семи элементов индикации (сегментов), включающихся и выключающихся по отдельности. Включая их в разных комбинациях, из них можно составить упрощённые изображения арабских цифр. Часто семисегментные индикаторы делают в курсивном начертании. Сегменты обозначаются буквами от A до G; восьмой сегмент - десятичная точка, имеющая название DP (digital point) (рисунок 1.11), предназначенная для отображения дробных чисел. Иногда может отсутствовать. Изредка на семисегментном индикаторе отображают буквы. Сегментный индикатор был запатентован в 1910 году Фрэнком Вудом. Эта реализация была восьмисегментной - был дополнительный косой сегмент для отображения четвёрки. Патент был практически забыт - вплоть до 1970-х годов радиолюбителям приходилось применять для отображения цифр знаковые индикаторы тлеющего разряда или просто десять лампочек. Для отображения букв появились четырнадцатисегментные и шестнадцатисегментные индикаторы, но сейчас их почти повсеместно заменили матричные (точечные) индикаторы. И лишь там, где нужно отображать только цифровую информацию, семисегментные индикаторы остались незаменимыми - из-за простоты, контраста и узнаваемости. Большинство одноразрядных семисегментных индикаторов устроены на светодиодах, хотя существуют и альтернативы - лампы тлеющего разряда, электровакуумные индикаторы (катодолюминесцентные, накаливаемые), лампы накаливания, жидкие кристаллы и т. д. На больших табло наподобие цен на бензин всё ещё применяются механические индикаторы, или блинкерные индикаторы, переключающиеся с помощью электромагнитов. В обычном светодиодном индикаторе девять выводов: один идёт к катодам всех сегментов, и остальные восемь - к аноду каждого из сегментов. Эта схема называется «схема с общим катодом», существуют также схемы с общим анодом. Существуют специальные микросхемы семисегментных дешифраторов, переводящие четырёхбитный код в его семисегментное представление. К примеру, отечественные (КР)514ид1 для индикаторов с общим катодом или (КР)514ид2 с общим анодом. Иногда дешифраторы встраивают прямо в индикатор. В настоящее время, в связи с широким распространением однокристальных микроконтроллеров, семисегментные светодиодные индикаторы подключаются напрямую к выводам микроконтроллера.

Рисунок 1.11

Вероятно самый простой вывод числовых десятичных и шестнадцатеричных данных - это использование семи сегментного индикатора (ССИ). Такие индикаторы были очень популярны в 70х годах, но впоследствии их место заняли жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Но светодиодные индикаторы до сих пор являются полезными приборами, которые могут быть включены в схему без больших усилий для создания программного обеспечения. Включая определенные светодиоды (зажигая сегменты), можно выводить десятичные числа. Каждый светодиод в индикаторе имеет свой буквенный идентификатор (A, B, C, D, E, F, G), и один из выводов светодиода подключён к соответствующему внешнему выводу. Вторые выводы всех светодиодов соединены вместе и подключены к общему выводу. Этот общий вывод определяет тип индикатора: с общим катодом или с общим анодом.

.5 Минимизация функций с использованием карт Карно

Карты Карно - это графическое представление таблиц истинности логических функций. Они содержат по 2n ячеек, где n - число логических переменных. Например, карта Карно для функции трёх переменных содержит 8 ячеек, для четырёх переменных - 16 ячеек. Карта размечается системой координат, соответствующих значениям входных переменных. Обратим особое внимание на то, что координаты столбцов (а также и строк, если n >3), следуют не в естественном порядке возрастания двоичных кодов, а так: 00 01 11 10. Это делается для того, чтобы соседние наборы (в том числе и столбцов 1 и 4) отличались лишь одной цифрой в каком либо разряде. Процесс минимизации заключается в формировании правильных прямоугольников, содержащих по 2К ячеек, где К - целое число. В прямоугольники объединяются соседние ячейки, которые соответствуют соседним элементарным произведениям (т. е. отличаются только в одном разряде). Несмотря на то, что карты Карно изображаются на плоскости, соседство квадратов устанавливается на поверхности тора. Верхняя и нижняя границы карты как бы склеиваются, образуя поверхность цилиндра. При склеивании боковых границ получается поверхность тора. Основным методом минимизации логических функций, представленных в виде СДНФ или СКНФ, является операция попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Операция попарного склеивания осуществляется между двумя термами (членами), содержащими одинаковые переменные, вхождения которых (прямые и инверсные) совпадают для всех переменных, кроме одной. В этом случае все переменные, кроме одной, можно вынести за скобки, а оставшиеся в скобках прямое и инверсное вхождение одной переменной подвергнуть склейке.

2. Практическая часть

.1 Построение таблицы истинности отображающей работу устройства

Таблица 2.1 - Данные по курсовому проекту

Таблица 2.2 - Таблица истинности, выражающая работу устройства

2.2 Построение карт Карно и логических уровней

Таблица 2.4 - Fa

Таблица 2.4 - Fb

Fb = A’+B’+C’D’+CD

Таблица 2.5 - Fc

Fc = C’+B+D

Таблица 2.6 - Fd

Fd=A’+CD’+B’D’+B’C+BC’D

Таблица 2.7 - Fe

Fe = CD’+B’D’

Таблица 2.8 - Ff

Ff = A’+C’D’+C’B+BD’

Таблица 2.9 - Fg

Fg = A’+CD’+BC’+B’C

.3 Проектирование и анализ принципиальной схемы устройства

Схема представляет собой цифровое устройство, преобразующее входные комбинации двоичного кода в управляющие сигналы семисегментного индикатора. ….Схема устройства выполнена в программе «Electronics Workbench 5.12» и состоит из шестнадцати элементов «И», семи элементов «ИЛИ», четырёх элементов «НЕ», четырёх элементов питания, четырёх заземлений, четырёх коммутирующих устройств, одного семисегментного индикатора и шин связи. В свою очередь, элементов «И» трёхвыводных - один, двухвыводных - пятнадцать. Элементов «ИЛИ» пятивыводных - один, четырёхвыводных - четыре, трёхвыводных - один, двухвыводных - один. ….Коммутирующие устройства пронумерованы от одного до четырёх, переключаются соответственно. ….Элементы питания - «+Vсс». В схеме использована дополнительная шина - инверсная, что значительно упрощает построение, и работу схемы. ….Семисегментный индикатор имеет семь выводов.

Рисунок 2.1

Вывод

В ходе выполнения курсового проекта закрепили необходимый базис знаний по предмету «Цифровая техника и микропроцессоры». Приобрели индивидуальные навыки и опыт в ходе подготовки, проектирования и разработки цифрового устройства. Разработали цифровой прибор по индивидуальному варианту. Проектирование устройства провели с помощью метода минимизирующих карт Карно, функций алгебры-логики, а также таблиц истинности: конъюнкции, дизъюнкции и инверсии. Построили цифровое устройство, преобразующее входные комбинации двоичного кода в управляющие сигналы семисегментного индикатора, в программе «Electronics Workbench 5.12» на элементах «И», «ИЛИ», «НЕ». Закрепили знание условных графических обозначений. В ходе выполнения курсового проекта использовали справочную литературу.

Список используемых источников

1 Калабеков Б. А., Мамзелев И. А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы 2-е изд., перераб. и доп Калабеков Б.А. Москва 2011

Водовозов А. М. Цифровые элементарные системы автоматики. Учебное пособие - Вологда. 2011

Белов А. В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR Наука м техника. Санкт-Петербург. 2012

Аникин В.И. «Функциональные устройства микропроцессорных систем».,Учебное пособие Тольятти, 2009

Интернет-ресурс http:// Wikipedia.org 6 Интернет-ресурс http://bardak.uanics.com