Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Анализ технического задания

2. Структурный анализ разрабатываемой схемы

3. Разработка и расчёт электрических схем отдельных структурных объектов

4. Разработка общей электрической принципиальной схемы

5. Расчет потребляемой мощности и разработка источника питания

Заключение

Список использованных источников

Введение

Все разнообразные средства цифровой техники: ЭВМ, микропроцессорные системы измерений и автоматизации технологических процессов, цифровая связь и телевидение и т.д. строятся на единой элементной базе, в состав которой входят чрезвычайно разные по сложности микросхемы - от логических элементов, выполняющих простейшие операции, до сложнейших программируемых кристаллов, содержащих миллионы логических элементов.

Создание современной элементной базы средств вычислительной техники - научно - техническая задача, решение которой сейчас наиболее актуальная тема. С использованием базы элементов логик ТТЛ и ТТЛШ в данной курсовой работе и предстоит разработать схему простейшего микроконтроллера.

Микроконтромллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) -- микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный

микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

· в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD, калькуляторах;

· в электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления -- стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

· устройства промышленной автоматики -- от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,

· системы управления станками.

1. Анализ технического задания

Тема курсовой работы: разработка простейшего микроконтроллера, выполняющего логические и арифметические операции, сопряженного с модулями памяти и индикации.

Согласно заданию задачами курсовой работы являются:

· Структуризация проектируемой схемы;

· Разработка и расчет схем электрических принципиальных отдельных структурных блоков;

· Разработка обшей электрической принципиальной схемы;

· Разработка и расчет источника питания;

В ходе данной работы следует разработать арифметический, логический блоки, блок выбора функции, порты ввода/вывода, блок индикации результата, запоминающее устройство и блок питания.

Ввод операндов последовательный, разрядность операндов равна четырем, индикация светодиодная, тип используемой логики - ТТЛ и ТТЛШ.

Для современной схемотехники характерно широкое использование базисов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Для их реализации логические элементы строят, как правило, из двух частей: части схемы, выполняющей операции И или ИЛИ (так называемой входной логики), и инвертора, выполняющего операцию НЕ. Входная логика может быть выполнена на различных полупроводниковых элементах: диодах, биполярных и полевых

транзисторах. В зависимости от вида полупроводниковых элементов, применяемых для изготовления входной логики и инверторов, различают: диодно-транзисторную логику (ДТЛ), транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ), ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ), эмиттерно-связанную логику (ЭСЛ), интегральную инжекционную логику (И2Л), логику на комплементарных парах полевых транзисторов (КМОП).

Транзисторно-транзисторная логика. Простейший логический элемент ТТЛ строится на базе многоэмиттерного транзистора VT? выполняющего функцию «И» для сигналов, подаваемых на его эмиттеры, и транзисторного ключа VT1, выполняющего функцию «НЕ»

Элементы транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки (или ТТЛШ) в сравнении с элементами ТТЛ имеют более высокое быстродействие и меньшую потребляемую мощность, что достигается применением диодов Шоттки. Принцип работы диода Шоттки основан на использовании потенциального барьера, который образуется в приконтактной области между металлом и полупроводником. В диодах Шоттки нет накопления избыточных зарядов, поскольку ток определяется переходом основных носителей из полупроводника в металл. В ТТЛ логике содержится множество логических элементов, структура выводов микросхем которых очень схожа. Как правило, данные микросхемы 14-ти контактные, где вывод 7 - это общий провод (схемная земля), а 14 - подключение микросхемы к цепи питания +5В. Следовательно, предстоит также подобрать блок питания с напряжением +5В и соответствующей мощностью. Блок индикации предназначен для световой сигнализации, отображающей результат выполненной операции с помощью светодиодов.

Под структуризацией понимается построение одного целого из множества малых частей, также под этим значением принято понимать - назначение связей между элементами, то есть построение иерархии связей.

Разработка и расчет схем электрических принципиальных отдельных структурных блоков - разработка отдельных структурных блоков и расчет номиналов элементов.

2. Структурный анализ разрабатываемой схемы

Структуризация микроконтроллера представляет собой построение структурной схемы, отражающая, в блоках, основные элементы микроконтроллера и направление передачи данных.

В данный микроконтроллер входят: два порта ввода операндов А и В, порт ввода выбора номера логической или арифметической функции, блок питания, порт вывода для вывода полученной информации от АЛУ, память ОЗУ для хранения данных, порт управления выбора логической или арифметической функции, блок индикации для отображения полученной информации и само АЛУ.

Основными структурными блоками микроконтроллера являются:

1. Порты ввода для первого и второго операндов (А, В) предназначены для приема входной информации, т. е. на них (в последовательном или параллельном формате) поступают операнды, с которыми впоследствии будет выполнена арифметико-логическим устройством одна из заданных операций.

2. Порт вывода необходим для вывода результирующего операнда, полученного путем выполнения арифметико-логическим устройством выбранной операции над входными операндами.

3. Порт ввода для выбора функции. Выбирает функцию, которую необходимо реализовать в АЛУ. Порт ввода для выбора функции представляет собой дешифратор, адресующий необходимую функцию в зависимости от поданного на вход номера функции.

4. Порт управления. Предназначен для определения выполнения АЛУ необходимой операции, в зависимости от комбинаций сигналов на своих входах Рвх и М. Отсюда можно сделать вывод, что блок управления представляет собой дешифратор, выбирающий одну из трех операций (логическая, арифметическая, индикация результата), в зависимости от сигналов на его входах.

5. Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Основной блок микроконтроллера, который производит арифметические и логические операции над входными операндами и формирует выходной операнд. АЛУ содержит в себе реализацию всех операций, поддерживаемых микроконтроллером. О том, какую операцию необходимо выполнять, АЛУ получает информацию от порта управления и от порта выбора функции. Операнды для выполнения выбранной операции поступают с портов ввода первого и второго операндов. Результат выполнения выбранной операции поступает в порт вывода.

6. Блок индикации. Служит для динамической световой сигнализации, отображая результат выполненной операции с помощью светодиодов.

7. Модуль памяти, реализованный на микросхему ОЗУ, выполняет функцию кратковременного хранения результатов выполнения арифметических и логических операций. Разработка и расчет электрически принципиальных схем отдельных структурных блоков. Порт ввода двух операндов представляет собой два четырехразрядных регистра с третьим состоянием. Порт вывода - это девятиразрядный регистр с третьим состоянием, выводы которого заведены на шину выходных данных.

Таблица 1 Функции, выполняемые АЛУ.

Выбор функций	Логические операции М = 0	Арифметические операции М = 1
		Р вх = 0	Рвх = 1
0000			Индикация результата операции
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

Блок выбора функции должен представлять собой дешифратор. Сигналом М и набором мелкой логики определяется выбор логической или арифметической операции. Это актуально для более экономичного использования ресурсов микросхем.

Разрядность входных операндов равна четырем. Следовательно, для ввода операндов в порт ввода удобно будет использовать восьмиразрядный регистр с 3 состоянием. Регистр последовательный, то есть запись и считывание информации происходит последовательно на каждый вход.

Порт вывода также должен представлять последовательный регистр, выходы которого идут на блок индикации результата. Этот блок будет использовать светодиодную индикацию с общим катодом. Индикация отображает число, которое имеется на шине результата в каждый момент времени.

В схеме микроконтроллера должен присутствовать модуль памяти в виде микросхемы ОЗУ. Память, как и следует из ее названия, предназначена для запоминания, хранения массивов информации. Каждый цифровой код хранится в отдельном элементе памяти, называемом ячейкой памяти. Основная функция любой памяти как раз и состоит в выдаче этих кодов на выходы микросхемы по внешнему запросу. А основной параметр памяти -- это ее объем, то есть количество кодов, которые могут в ней храниться, и разрядность этих кодов. Оперативная память (ОЗУ -- оперативное запоминающее устройство, RAM -- Random Access Memory -- память с произвольным доступом), запись информации в которую наиболее проста и может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении всего срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания.



Рис. 2 - Порты ввода для выбора функции и управления

Порт индикации представляет собой схему, которая реагирует на выборку логической или арифметической операции. В результате чего загорается световой индикатор. В данном курсовом проекте мы разработаем порт индикации, который реагирует включением светодиода на появление логической операции. микроконтроллер индикация электрический питание

ГТИ

Генератор - устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию электрического колебания при отсутствии внешнего сигнала.

ГТИ -- устройство, генерирующее электрические импульсы определенной частоты.

3. Разработка и расчёт электрических схем отдельных структурных объектов

Рис.3. Логическая операция A v¬(B^¬A)

Рис.4. Логическая операция A ? B ^ B

Рис.5. Логическая операция ¬(A v B) ? B



Рис.6. Логическая операция A?Bv ¬A

Рис.7. Логическая операция B ^¬ (¬B ^ A)

Рис.8. Логическая операция A v B



Рис.9. Логическая операция B ? ¬B ? A

Рис.10. Логическая операция ¬(B ^ B) v ¬B

Рис.11. Логическая операция B?¬ (A^A)

4. Разработка общей электрической принципиальной схемы

Для реализации логических и арифметических операций использовались следующие микросхемы:

Микросхема К155ЛЛ1 (4 логических элемента 2ИЛИ):

Данная микросхема потребляет ток равный 38 мА, если на всех входах присутствует напряжение низкого уровня.

Рис. - Микросхема К155ЛЛ1

Микросхема К555ЛН1:

Рис. 29 - Микросхема К555ЛН1

Ток потребления, мА 11.5

При условии, что потребляемая статическая мощность на один логический элемент не более 19,7 мВт, то на четыре задействованных элемента выходит ?79 мВт

Микросхема К155ЛП12 - исключающая или:

Логический элемент исключающее ИЛИ применяется как Сумматор по модулю 2 или используется для задерживания цифрового импульса. Его часто включают как фазовый компаратор, определяющий момент равенства частот я фаз двух цифровых последовательностей. Среди прочих устройств с помощью элементов исключающее ИЛИ часто проектируют генераторы строго фазированных многофазных последовательностей.

Микросхема К155ЛП12, Ток потребления не более 50 мА, время задержки сигнала не более 30 нс.

Рис. - Микросхема К155ЛП12

Микросхема К555АП4 - буфер (24мА):

Рис. - Микросхема К555АП4

2,4,6,8 - входы

18 15 14 12 - выход

1 - вход управления для включения элементов и их перевода в третье состояние.

Микросхема К155ЛИ1 (4 логических элемента 2И):

Микросхема К155ЛИ1 потребляет ток равный 33 мА (вариант К555ЛИ1 - 9 мА), если на всех входах присутствует напряжение низкого уровня.

Микросхема К155ЛА4 ( логические элементы И-НЕ):

Ток потребления при низком уровне выходного напряжения ? 16 мА

Потребляемая статическая мощность на один логический элемент ? 19,7 мВт.

Микросхема КР531ЛА16 ( логические элементы И-НЕ) :

Цифровая микросхема серии ТТЛ изготовлена по биполярной технологии с диодами Шоттки и p-n переходом.
Микросхема КР531ЛА16 представляет собой два логических элемента 4И-НЕ (магистральный усилитель). Ток потребления составляет 44 мА.

Микросхема К555ИР22 Буферный регистр:

DI 0-DI 7 - Линии входных данных.

DO 0-DO7 -Линии выходных данных

OE - Разрешение выхода

С - Вход синхронизации

Микросхема ИР22- восьмиразрядный регистр хранения информации, тактируемый импульсом, с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние, ток потребления составляет 60 мА.

Запись информации в триггеры регистра происходит при подаче лог. 1 на вход С, в этом случае сигналы на выходах регистра повторяют входные, регистр «прозрачен» для сигналов на входах D1 - D8. При подаче лог. 0 на вход С регистр переходит в режим хранения информации.

Выходы микросхемы находятся в активном состоянии, если на вход ЕО подан лог. 0. Если же на вход ЕО подать лог. 1, то выходы регистра перейдут в высокоимпедансное состояние. Сигнал на входе ЕО не влияет на запись в триггера, запись может производиться как при лог. 0, так и при лог. 1 на данном входе.

Микросхема К176ИМ6 Сумматор:

Сумматор К555ИМ6 потребляет ток питания 34 мА, время задержки распространения сигнала от входов до выходов S составляет 24 не (до выхода переноса P+i не более 17 не).

5. Расчет потребляемой мощности и разработка источника питания

Блок питания: RS-25-5

Блоки питания RS-25-5 предназначены для питания приборов с логическими интегральными схемами и микроконтроллерами, преобразователи напряжения ac-dc 5 вольт являются отличным вариантом для питания аппаратуры с преобладанием TTL-логики.

Характеристики блока питания (источника питания) RS-25-5

· Мощность блока питания: 25 Вт

· Монтаж источника питания RS-25-5: в корпусе

· Входное напряжение источника питания: переменное 230 В

· Количество выходов блока питания RS-25-5: 1

· Выходное напряжение источника питания: 5В

· Выходной ток блока питания: 5А

· Рабочая температура источника питания RS-25-5: -20...70 °C

· Температура хранения блока питания: -40...85 °C

Опции преобразователя напряжения RS-25-5

· Напряжение изоляции вход-выход блока питания: 3 кВ

· Напряжение изоляции вход-корпус блока питания RS-25-5: 1.5 кВ

· Напряжение изоляции выход-корпус блока питания: 0.5 кВ

· Защита от короткого замыкания источника питания RS-25-5: есть

· Защита от перегрузки источника питания: есть

· Защита от перенапряжения источника питания RS-25-5: есть

· Защита от перегрева: есть

Для расчета потребляемой мощности схемы составим следующую таблицу:

Микросхема	Потребляемый ток, мА	Количество м/с
К155ЛЛ1	38	10
К155ЛН1	11,5	11
К555АП4	24	48
К555ЛП12	6	6
К155ЛИ1	9	4
К555ИМ6	39	35
К555ИР22	60	4
К155ИД3	56	1
КР531ЛА16	44	2
К155ЛА4	16	4

Р=(38*10+11,5*11+24*48+6*6+9*4+39*35+60*4+56*1+44*2+16*4)*5=23.410мА

Для питания схемы микроконтроллера потребуется блок питания на 5В и 5А. Возьмем за основу схему блока питания на 1.5 - 30В, 5А.

Блок питания выполнен на основе микросхемы, содержит всего несколько дискретных элементов. В связи с этим, он прост в изготовлении и настройке.

В тоже время, блок питания отличается высокими показателями, такими как плавная регулировка напряжения в больших пределах, низкий коэффициент пульсаций, выходной ток до 5А с возможностью стабилизации тока, высокая надежность. Также, блок питания имеет защиту от короткого замыкания.

Для защиты блока питания от перегрузки используются предохранители F1, F2 на входе и выходе схемы.

Трансформатор TR1 используется тот, который выдает на вторичной обмотке 25-35В и при токе в 5А его выходное напряжение снижается не сильно.

Для выпрямления переменного напряжения после вторичной обмотки трансформатора включен диодный мост VD1-VD4 (12FR120M на 12А).

Емкости конденсатора С1 и С3 по 1000мкФ обеспечивают низкий коэффициент пульсаций еще до интегрального стабилизатора напряжения на LM338 U1 и С2 - 0,047мкФ для дополнительной фильтрации переменного напряжения. Подстроечный резистор R1 и постоянный R2 используются в схеме для выставления выходного напряжения 5В.

Рис. - Структурная схема блока питания RS-25-5

Таким образом, работу разработанной схемы микроконтроллера можно описать следующим образом: входные 4-разрядные операнды параллельно подаются в порт ввода, в соответствии с входной кодовой комбинацией выбирается адрес дешифратора для осуществления арифметической или логической функции, одновременно результат операций попадает в блок светодиодной индикации и загружается в модуль памяти.

Заключение

В процессе выполнения курсовой работы был разработан простейший микроконтроллер, выполняющий логические и арифметические операции, и сопряженного с модулями памяти и индикации.

При разработке данной работы разработаны арифметический, логический блоки, блок выбора функции, порты ввода/вывода, блок индикации результата, запоминающее устройство и блок питания.

Обеспечен параллельный ввод операндов, разрядность операндов равна четырем, индикация светодиодная, тип используемой логики - ТТЛ и ТТЛШ.

Были собраны из микросхем различной сложности арифметические и логические операции, такие как: возведение в степень, умножение, деление, сумма, вычитание, логическое или, логическое и, сумма по модулю два, инверсия.

Также в данном курсовом проекте были приобретены навыки в структуризации схемы, построение отдельных структурных блоков, расчет электрических параметров, разработка общей электрической схемы, расчет потребляемой мощности и разработка источника питания.

Были изучены элементные базы логик ТТЛ и ТТЛШ. Также были изучены такой ввода информации как параллельный и индикация ССИ.

Список использованных источников

1. Кропотов Ю.А. Методы синтеза цифровой схемотехники: учеб. пособие / Ю.А. Кропотов. - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2006. - 164с.

2. Кулигин М.Н. Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / М.Н. Кулигин. - Муром, МИ ВлГУ, 2007. - 138с.

3. Кропотов Ю.А., Кулигин М.Н., Кузичкин О.Р. Цифровые и микропроцессорные устройства: учеб. пособие / Ю.А.Кропотов, М.Н. Кулигин, О.Р. Кузичкин - Муром: Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 2009. - 232 c.

4. Методические указания к курсовому проекту по дисциплинам: «Микропроцессорные системы», «Цифровые устройства и микропроцессоры» / Муром. ин-т (фил.) Влад. гос. ун-та.; Сост.: М.Н. Кулигин, - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2008.- 60с.

5. Е.П.Угрюмов. Цифровая схемотехника. 2-е издание - СПб.: БХВ -Петербург, 2007г. - 769с.

6. Джон Ф. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств, Т1, Т2 - М.: Постмаркет, 2002. - 1088с.

7. О.Н. Лебедев Применение ИМС памяти в электронных устройствах. М.: Радио и связь, 1994.

8. Дерюгин А.Н. Применение ИМС памяти /под ред. А.Ю. Гордонова - М.: Радио и связь, 1994 .

9. Предко М. Руководство по микроконтроллерам, в двух томах. М.: Постмаркет, 2001.

10. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: Справочник/Р.В.Данилов и др.; Под редакцией Б.Н.Файзулаева, Б.В.Тарабрина .- М.: Радио и связь, 1986, - 384с.

Размещено на Allbest.ru

...