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 5 В ±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 +5 В 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 +5 В 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 5 мм, 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.

2. 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.

3. 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.

5. 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 по способу ввода-вывода:

· 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).

6. Минимизация функция и их перевод в базис И-НЕ Для счетчика:

Перевод в базис И-НЕ:

Для сдвигового регистра:

Для регистра необходимо 2 КСХ:

1. Для реализации требуемой последовательности на выходах Z₁ Z₂.

2. Для создания кольцевого регистра.

Эта функция организует кольцевой регистр, также называемый генератор чисел. Для этого выход КСХ 2 подается на последовательный вход S_R 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.

7. Расчет для генератора тактовых импульсов

F=25Мгц

R=1кОм С=F/R

C=25 000/1000=25пФ Частота генератора подбирается изменением емкости конденсатора.

Для необходимой частоты необходим конденсатор емкостью 0,025мкФ.

Расчет мощности:

P=0.5*u_n(I⁰_POT+ I¹_POT)

I⁰_POT=U (I⁰_POT)/R=0.0024A=2.4mA

I¹_POT=U (I¹_POT)/R=0.0024A=4.5Ma

P=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.

1. Справочник по микросхемам серии К155. 1991 Рахимов Т.М.

2. Справочник по стандартным цифровым ТТЛ микросхемам. 2001 Козак В.Р.

3. Лекционный материал по курсам «Схемотехника» и «Теория автоматов»