Разработать специализированные распределитель импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Разработать специализированные распределитель импульсов (РИ), вырабатывающий восемь выходных сигналов (Z1 - Z8), работающий в трех режимах (останов, ждущий и автоколебательный). Разрабатываемый узел должен быть конструктивно и схемотехнически реализован в виде ТЭЗа, подключаемого на внешний интерфейс с двухразрядной шиной данных (D0, D1) и двумя управляющими сигналами (С1, С2). Выходные сигналы узла (Z1 - Z8) выводятся также на разъём. Для управления режимами работы узла в него с шины данных по сигналу C1 записывается код операции, а сигнал С2 является импульсом запуска.

Данные на шинах D0, D1 передаются в прямом коде, а сигналы управления (C1, C2) импульсные и инверсные, т.е. активным является низкий потенциал на шине управления.

Варианты схем:

на основе сдвигающего регистра (Схема 2);

на основе счетчика Джонсона (Схема 3);

на основе реверсивного сдвигающего регистра (Схема 5).

Критерий оптимизации -минимальная суммарная площадь элементов (Smin).

Схема должна обеспечить коэффициент нагрузки - Kн=25 (Iвых=48мА).

Тактовая частота - 14 МГц.

Временная диаграмма работы разрабатываемого узла

Содержание

Содержание

Введение

1 Сравнительный анализ возможных вариантов реализации узла

2 Описание возможных вариантов реализации разрабатываемого узла на уровне функциональных схем

3 Выбор наилучшего варианта реализации по заданному критерию

4 Описание используемых интегральных схем

5 Разработка принципиальной электрической схемы узла

5.1 Основная диаграмма работы узла

5.2 Разводка цепей питания и их фильтрация

5.3 Расчет параметров всех дополнительных элементов схемы

6 Анализ переходных процессов и оценка предельного быстродействия

7 Выбор генератора тактовых сигналов (ГТИ) и расчет параметров его

элементов

8 Расчет потребляемой мощности

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский учёный Фредерик Гутри открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с прямым накалом) диодов, в 1874 году германский учёный Карл Фердинанд Браун открыл принцип действия кристаллических (твёрдотельных) диодов.

Принципы работы термионного диода были заново открыты 13 февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем, в 1883 году, запатентованы (патент США № 307031). Однако дальнейшего развития в работах Эдисона идея не получила. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле. ДжэдишЧандраБоус развил далее открытие Брауна в устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года Гринлиф Пикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года (патент США № 803684 от ноября 1905 года). 20 ноября 1906 года Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор (патент США № 836531).

В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» -- два, и «odos» -- путь[2].

Ключевую роль в разработке первых отечественных полупроводниковых диодов в 1930-х годах сыграл советский физик Б. М. Вул.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) -- основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию -- пробою.

Сравнительный анализ возможных вариантов реализации узла

Данная разрабатываемая схема представляет собой специализированный распределитель импульсов (Рисунок 1).

Согласно варианту задания, необходимо реализовать данное устройство тремя различными способами:

1. На основе сдвигающего регистра.

Для реализации требуется 12 корпусов микросхем с общей площадью

Sобщ=146,25*10+161,25+191,25=1815мм2.

2. На основе реверсивного сдвигающего регистра.

Для реализации требуется 11 корпусов микросхем с общей площадью

Sобщ=146,25*6+161,25*4+191,25=1713,75мм2.

3. На основе счетчика Джонсона.

Для реализации требуется 15 корпусов микросхем с общей площадью

Sобщ=146,25*14+161,25*3=2531,25мм2.

Из трех возможных реализаций данного узла наиболее подходящими по критерию оптимизации (Smin) является схема на основе реверсивного сдвигающего регистра.

Описание возможных вариантов реализации разрабатываемого узла на уровне функциональных схем

На рисунке 2представлена схема распределителя импульсов на основе сдвигающего регистра. Данный вид реализации распределителя импульсов принципиально отличается от остальных тем, что в нем не нужно применять дешифратор послесчетчика тактов. Требуемая цепочка импульсов для логической схемы получается на самом счетчике тактов.

Счетчик тактов реализован на 24разрядномсдвигающемрегистре. На первом такте в первый разряд регистра записывается единица, которая с выхода регистра поступает на управляющий автомат, который на следующих тактах будет записывать в первый разряд регистра ноль, сдвигая тем самым единицу в старший разряд. Появление единицы в 22разрядесигнализирует о том, что цикл закончен.

На рисунке 3представлена схема на основе реверсивного сдвигающего регистра. При работе схемы в «Автоколебательном» или «Ждущем» режиме в D-триггер DD2_1 записывается «1». Вследствие чего, положительный фронт сигнала возникающего на выходе этого триггера устанавливает в «1» D-триггер DD3_2, который в свою очередь устанавливает реверсивный сдвигающий регистр DD8 в начальное состояние (запись «1» в третий разряд). 4-разрядный счетчик DD7 управляют направлением сдвига реверсивного регистра, путем подачи соответствующих сигналов на входы S0 и S1 через комбинационную схему. Буферные элементы на выходе формируют выходные сигналы z1-z9 и обеспечивают необходимый коэффициент нагрузки.

На рисунке 4представлена схема распределителя импульсов на основе счетчика Джонсона. В данном варианте реализации в качестве счетчика тактов применен счетчик Джонсона. Счетчик Джонсона строится на триггерах, количество которых вычисляется по формуле:

n = N/2+k

где: n - количество триггеров в счетчике;

N - количество тактов счета;

k - равняется 0 при нечетном количестве тактов и 1 при четном.

Состояния счетчика передаются на дешифратор, который преобразует состояния счетчика Джонсона в цепочку импульсов на своих выходах.

Наличие отрицательного сигнала на выходесигнализирует о завершении цикла счета.

Выбор наилучшего варианта реализации по заданному критерию

Ток всех схем иэлементов схем приведен ниже:

Sобщ=146,25*10+161,25+191,25=1815мм2.

Sобщ=146,25*4+161,25*4+191,25=1713,25мм2.

Sобщ=146,25*14+161,25*3=2238,75мм2.

4 Описание используемых интегральных схем

При реализации оптимальной схемы использовались схемы серии 1533, 155 и555.

Серия 531-мощные ТТЛШ повышенного быстродействия.

Серия 1533 - микросхемы серии 1533 схожи по своим свойствам и структуре с зарубежным аналогом 74АLS, где используются транзисторы «Изопланар 2», где граничная частота достигает 5Ггц, в то время как у обычного транзистора она не достигает и 1.7Ггц. Серии данной архитектуры потребляют малую мощность 1.2мВТ и переключаются с задержкой tз.ср.=4нс. Серию 1533 относят к архитектуре (ТТЛШ), в то время как за рубежом аналоги данной серии АLS относят к более высокому порядку. Дословно АLS: А - сверхбыстрые, L - маломощные, S - с барьером Шоттки.

Серия 1531 - маломощные ТТЛШ повышенного быстродействия.

Описание используемых интегральных схем.

5 Разработка принципиальной электрической схемы узла

Основная диаграмма работы узла

В первом такте работы схемы при приходе падающего фронта сигнала С1 во второйразрядрегистраDD8записываетсяединица, которая в последующем сдвигается в старшие, либо в младшие разряды, в зависимости от направления сдвига регистров DD8 и DD9. Направление сдвига задается управляющим автоматом, который в свою очередь, исходя из сигналов, поступающих на мультиплексор DD5, дает на выходе 1 или 0,задающие направление счета через элементы 3И-НЕ DD5-2 и DD6-3.Последний сигнал попадает сначала на вход 3И-НЕ DD6-1, а затем на вход синхроимпульса триггера DD3_1, в следствии чего происходит сброс регистров. Выходные схемы DD10-1 и DD10-2 обеспечивают необходимый выходной коэффициент нагрузки.

Из рисунка видно, что с каждым импульсом CLK происходит генерация заданной последовательности на выходах z1, z2, z3, z4, z5, z6, z7, z8. С1 - сигнал записи в регистр микрокоманд с входов D1, D0. С2 - сигнал старта работы схемы.

Разводка цепей питания и их фильтрация

В ТТЛ и ТТЛШ элементах неиспользуемые входы логических элементов рекомендуется подключать к источнику +5 В через резистор в 1 кОм. К одному резистору разрешается подключать не более 20 входов. В схеме не используется 7входа микросхем. Подключим их к источнику питания через один резистор сопротивлением1кОм.

Расчет параметров всех дополнительных элементов схемы

Цепь начального сброса R1-C1 рассчитывается на 100мс. Следовательно, , возьмем R1 = 10кОм, тогда C1=10мкФ. На каждые три микросхемы ставится 0.2мкФ конденсатор. Т.к. у нас 10микросхем берем 4 конденсатора.

Анализ переходных процессов и оценка предельного быстродействия

При составлении временных диаграмм находится и отображается случай такого сочетания входных сигналов и режимов работы, при которых переходный процесс в схеме наиболее длителен. Задержки элементов указаны в технических характеристиках, и это позволит определить численное значение максимального времени задержки.

Необходимо определить максимально длинную цепь, элементы которой должны иметь наибольшее время задержки прохождения сигнала. В разрабатываемом узле - это цепь подачи высокого уровня напряжения на вход D2 регистра DD8, состоящая из элементов: DD2-1, DD11-1, DD3-1, DD3-2.

Tз= 17*3+10.5= 61.5нс

По техническому заданию тактовая частота должна быть не менее14 МГц, т. е. схема должна срабатывать за 71нс. Из этого можно сделать вывод о том, что полученная схема распределителя тактовых импульсов соответствует требованиям по быстродействию.

Выбор генератора тактовых сигналов (ГТИ) и расчет параметров его элементов

На распределителя тактовых импульсов будем подавать прямоугольные импульсы, у которых время импульса равно времени задержки между импульсами. Схема, реализующая генератор таких сигналов, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - генератор тактовых сигналов

Генератор выбирается также по критерию Sмин. Для ТТЛ-схем. При симметричном сигнале следует использовать схем на рисунке 4. Частота генератора ориентировочно может быть оценена по выражению:

причём номинал резистора должен находиться в пределах 1-5 кОм для серии КР1533, следовательно, ёмкость конденсатора С3=40пФ, для сопротивления R2=3.9 кОм.

пФ

Выбираем конденсатор емкостью 10пФ.

Расчёт потребляемой мощности

Для расчёта средней потребляемой мощности, требуется подсчитать сумму произведений напряжения питания - на средний ток потребления каждой микросхемы.

Микросхемы, используемые в выбранном варианте:

В итоге, средняя потребляемая мощность составляет:

Pср = 2106,75 мВт

Заключение

В ходе выполнения работы, мною была разработана схема на основе кольцевого счетчика, данная схема является самым оптимальным вариантом среди других разработанных мною схем. разработка схема кольцевой счётчик

Спроектированный узел полностью удовлетворяет техническому заданию: частота выдаваемых сигналов 12МГц, нагрузочная способность20 стандартных элементов ТТЛ.

Размещено на Allbest.ru