Синтез дискретных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Данный курсовой проект написан на тему «Синтез дискретных устройств». Содержит страниц 27, рисунков 15, таблиц 5, 10 наименований использованных источников.

В данном курсовом проекте разработали принципиальную схему дискретного устройства, состоящую из: генератора импульсов, счётчика, делителя частоты, мультиплексора, преобразователя, дешифратора, регистра.

Разработали счётчик двоично-десятичный вычитающий с коэффициентом счёта 18.

В качестве элементов памяти использовали JK-триггеры.

Введение

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется повсеместным внедрением принципиально новой техники. Ускорение научно-технического прогресса в значительной степени зависит от успехов современной микроэлектроники, являющейся современной элементной базой электронных устройств автоматики, телемеханики и связи.

Интегральные микросхемы значительно расширили диапазон применения электронных устройств на железнодорожном транспорте. Они создали возможность для совершенствования систем автоматического регулирования движения поездов, радиосвязи, учета и планирования технологических процессов на железнодорожном транспорте, автоматической локомотивной сигнализации и ряда других.

Развитие науки и ускорение технического прогресса немыслимо без совершенствования вычислительной техники, средств связи и систем сбора, передачи и обработки информации. Решение этого вопроса невозможно без создания цифровых систем и сетей связи.

Наиболее широкое распространение получили в настоящее время многоканальные системы с импульсно-кодовой модуляцией, обеспечивающие организацию по одной линии связи большого числа одновременно и независимо действующих каналов.

Цифровыми называются такие устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, соответствующим измеряемой величине.

Основными преимуществами цифровых систем связи по сравнению с аналоговыми являются: высокая помехоустойчивость за счет передачи сообщений двоичными сигналам, так как в цифровых системах передачи информационные параметры переносчиков в процессе модуляции принимают конечное количество разрешенных значений, причем переход от одного разрешенного значения к другому осуществляется через конечные промежутки времени. Цифровые методы передачи позволяют значительно повысить помехоустойчивость и уменьшить накопление помех вдоль тракта передачи путем восстановления сигнала. Возможность использования сравнительно простых методов запоминания и хранения сообщений путем записи их в различного рода цифровых регистрах и запоминающих устройствах.

Поэтому, развитие и совершенствование систем автоматики, телемеханики и связи (АТС) в значительной степени определяется широким внедрением цифровой техники. Для построения систем АТС и управления этими объектами используются управляющие логические устройства (ЛУ), представляющие собой последовательные или комбинационные схемы.

Исторически первыми были созданы релейно-контактные схемы ЛУ, которые и в настоящее время широко применяются в промышленности, особенно на железнодорожном транспорте.

Затем появились ЛУ на бесконтактных элементах, которые в своем развитии прошли путь от диодных и ферротранзисторных схем до интегральных. Степень интеграции микросхем непрерывно повышается. Различают микросхемы малой, средней, большой и сверхбольшой интеграции.

ЛУ реализованные на микросхемах, делятся на две группы: с жесткой и с программируемой логикой.

ЛУ с жесткой логикой отличаются тем, что при их реализации необходимо создавать проводные связи между отдельными элементами, что приводит к значительным габаритам, трудностями при изменении алгоритмов функционирования, сложностям диагностирования и ремонта.

Программируемые ЛУ, совершенствование которых осуществляется на основе микропроцессоров, в последние годы находят все более широкое применение. Использование программируемых ЛУ становится целесообразным уже в том случае, когда они реализуют задачу, эквивалентную схеме, содержащей 30 реле.

Таким образом, в настоящее время инженеру необходимо знать не только принципы работы дискретных устройств, но знать принципы построения таких устройств. Это необходимо для того, чтобы уметь находить неисправности, знать способы реализации таких устройств в имеющемся элементном базисе.

1. Генератор импульсов

Генератор тактовых импульсов вырабатывает стабильную последовательность тактовых импульсов прямоугольной формы. Для обеспечения стабильности работы генератора будем использовать схему приведённую на рисунке 1.1.

Генератор импульсов состоит из четырёх логических элементов И-НЕ, резистора и конденсатора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Так как мы знаем выходную частоту генератора f=100 кГц, исходя из формулы найдём номиналы резистора и конденсатора:

Взяв резистор номиналом 220 Ом, мы получим номинал конденсатора равным 15 нФ. Для точной установки номинала конденсатора будем использовать два конденсатора: подстроечный конденсатор серии КПК2 и К70-6 с разбросом параметров 1%. Для наглядной демонстрации работы генератора на рисунке 1.2 представлена временная диаграмма.

2. Преобразователь кодов

Преобразователем кодов (кодопреобразователем) называется устройство для преобразования одного вида двоичного кода в другой. Преобразование одного кода в другой можно осуществлять последовательным соединением дешифратора и шифратора. В этом случае m-элементная комбинация преобразуется дешифратором в сигнал логической 1 на соответствующем выходе, а шифратор из этого сигнала формирует требуемую n-элементную комбинацию. Существует также метод построения преобразователя кодов (ПК), основанный на использовании свойства независимости входов и выходов дискретного устройства.

Необходимо построить преобразователь кодов, 8421 в код с избытком 3.

Таблица 2.1 ТИ преобразователя кодов

Получим функции выходов:

Упростим данные функции при помощи карт Карно рисунок 2.1:

Рисунок 2.1 Минимизация функций

Далее по полученным выражениям построим схему функционального блока, рисунок 2.2 и временную диаграмму, рисунок 2.3.

Рисунок 2.2 Преобразователь кодов

Рисунок 2.3 Временная диаграмма преобразователя кодов

Синтез функции на базе мультиплексора

Мультиплексоры могут быть использованы при синтезе логических функций. Часто это позволяет сократить число используемых для синтеза микросхем (корпусов) по сравнению с синтезом функций алгебры логики (ФАЛ) на обычных логических элементах. ФАЛ k переменных может быть реализована одной микросхемой мультиплексора с k управляющими и 2k - 1 информационными входами. В этом случае на информационные входы подаются константы 1 или 0 в зависимости от значения ФАЛ при соответствующем наборе переменных, подаваемых на управляющие входы.

Реализуем на базе мультиплексоров преобразователь кодов. Каждая функция будет представлена отдельным мультиплексором рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 Преобразователь на мультиплексорах

3. Регистра

Регистрами называются устройства, выполняющие функции приема, хранения, логической обработки и передачи информации. Информация в регистре хранится в виде числа (слова), представленного комбинацией сигналов "0" и "1". Каждому разряду числа, записываемому в регистр, соответствует свой разряд регистра. Обычно регистры выполняются на триггерах. Триггер с номером i является i-м разрядом регистра и представляет i-й разряд двоичного слова х1, х2, х3, ..., хn, где хi (i = 1, 2, 3,..., n) - двоичное значение переменной данного разряда, равное 0 или 1. Число возможных состояний n-разрядного регистра равно 2n. Для сокращения записи двоичного числа, отображающего состояние регистра, иногда используется восьмеричное и шестнадцатеричное представление двоичных чисел. При этом регистр разбивается условно на трех- или четырехразрядные подрегистры.

Классифицируются регистры по способу приема и выдачи кода числа (параллельные, последовательные, параллельно-последовательные), по количеству каналов передачи информации (парафазные и однофазные), по способу тактирования (однотактного и многотактного действия

В данном пункте необходимо синтезировать регистр, на входы которого поступают импульсы с дешифратора и тактового генератора. Тип элементов памяти JK.

Регистр 4-х разрядный рисунок 3.1 и его временная диаграмма рисунок 3.2. Построение временной диаграммы происходит с условием, что считывание с информационных импульсов происходит по переднему фронту импульсов с генератора. Органом управления является вход с генератора (ножка под номером 0 и инверсный ему 21). Прямой вход с генератора подает сигнал триггеру на запись, а инверсный на считывание информации.

Рисунок 3.1 Схема регистра на JK триггерах

Рисунок 3.2 Временная диаграмма регистра

генератор преобразователь мультиплексор

4. Мультиплексор

Мультиплексор - это устройство, предназначенное для коммутации одного из информационных входов D0, D1, ..., Dn, адрес которого задается на управляющих входах А1, А2, ..., Аk (причем n=2k _ 1) на выход Q, при подаче сигнала синхронизации на вход С (если последний имеется).

Каждый из входов данных имеет свой номер, который задается на информационных входах.

Набор переменных, поступающих на управляющие входы, задает двоичное число Ni вида x1x2x3…xk. При подаче сигнала на вход С выходная переменная мультиплексора Q повторяет переменную информационного входа DNi с номером Ni, задаваемым двоичным кодом на управляющих входах. При отсутствии синхронизирующего сигнала (С = 0) связь между информационными входами и выходом отсутствует (Q = 0).

При необходимости коммутации n направлений в одно и наличии мультиплексоров с n входами каждому направлению присваивают свой номер от 0 до n. Кодовые комбинации номеров поступают на управляющие входы мультиплексора, а сигналы коммутируемых линий - на информационные входы, причем линия с номером Ni подается на вход Ni. Если число входов мультиплексора больше числа коммутируемых линий, часть входов со старшими номерами не будет использоваться. На неиспользуемые входы подается константа 0.

В данном пункте необходимо синтезировать мультиплексор на адресные входы которого поступают сигналы с делителя, а на информационные с регистра. Задействовано 2 адресных входа и 4 входов данных. Это нам позволит применить стандартную микросхему, что сократит в свою очередь применение обычных логических элементов.

Функционирование мультиплексора определяется таблицей:

Таблица 4.1 Таблица истинности мультилексора

Рисунок 4.1 Схема мультиплексора

Рисунок 4.2 Временная диаграмма мультиплексора

5. Делитель частоты

Делитель частоты - это устройство, которое при подаче на входы периодической импульсной последовательности, формирует на входе такую же импульсную последовательность, но имеющую частоту повторения импульсов в определённое число раз меньшую, чем частота повторения импульсов входной последовательности.

В данном курсовом проекте требуется построить делитель частоты на 8, Деление частоты на 4 можно осуществить, включив последовательно 2 JK- триггера.

Принципиальная схема делителя частоты приведена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 Схема делителя частоты

6. Счетчик импульсов

Счетчиком называется устройство, подсчитывающее число импульсов и представляющее собой последовательное устройство с одним двоичным входом и определенным числом внутренних состояний, отождествляемых с некоторым числовым кодом. Значение числового кода является одновременно выходным словом счетчика, представляющим результат счета. Возможна более широкая трактовка счетчика как генератора числовых кодов (например, в программных устройствах, в том числе в ЭВМ).

По направлению счета счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. В суммирующем счетчике каждый очередной импульс на входе увеличивает значение кода на единицу, а в вычитающем счетчике - уменьшает на единицу.

Реверсивный счетчик может работать как суммирующий или как вычитающий счетчик в зависимости от управляющих сигналов, определяющих направление счета.

По заданию необходимо разработать суммирующий двоично-десятичный параллельно-последовательный счетчик импульсов с коэффициентом счета К=18. Для синтеза схемы применяются JK-триггеры и логические элементы базиса И-НЕ.

Минимизация функций алгебры логики производится с помощью карт Карно. Количество триггеров равно 5. По таблице 6.1 определим состояния выходных сигналов счетчика в таблице 6.2.

Таблица 6.1 Таблица состояний JK-триггера

Таблица 6.2 Таблица истинности счетчика

Выполним упрощение при помощи карт Карно рисунок 6.1 и полученные функции переведем в базис И-НЕ.

.

В качестве счетчика, считающего старшие разряды, будем использовать одиночной JK триггер, т. к. коэффициент счета 18.

По полученным выражениям построим схему счетчика рисунок 6.3

Рисунок 6.1 Карты Карно

Рисунок 6.2 Временная диаграмма счетчика

Рисунок 6.3 Схема счетчика

7. Дешифратора

Дешифратором (декодером) называется устройство, распознающее различные кодовые комбинации, т. е. преобразующее двоичное число в сигнал логической единицы на одном из выходов, соответствующем десятичной цифре поданной на вход двоичной комбинации. Число входов дешифратора определяется числом символов кодовой комбинации n, а число выходов m = 2n.

Дешифраторы по принципу построения делятся на одноступенчатые (линейные) и многоступенчатые. Одноступенчатые дешифраторы выполняют прямое преобразование входных сигналов, поданных в двоичном (параллельном) коде, в выходной сигнал на одном из выходов.

Необходимо построить дешифратор для перевода двоичных чисел от 0 до 9 в базисе И-НЕ .

Построим таблицу истинности (таблица 7.1).

Таблица 7.1 Таблица истинности дешифратора

Получаем функции каждого выхода путем записи КНФ для каждого из выходов и приведем к базису И-НЕ:

После преобразования по полученным упрощенным выражениям построим схему дешифратора рисунок 7.1 и его диаграмму рисунок 7.2.

Рисунок 7.1 Схема дешифратора на базисе И-НЕ

Рисунок 7.2 Временная диаграмма дешифратора

8. Выбор микросхем

В качестве D-триггера выберем микросхему К561ТB1. Микросхема K561ТВ1 содержит 2 независимых D-триггера, имеющих общую цепь питания. У каждого триггера имеются S- и R- информационные входы и входы синхронизации С. Триггера также содержат D вход для установки в «1» и «0» соответственно. У микросхемы К561ТВ1 вывод 8 - общий, 16 - питание.

В качестве логических элементов И-НЕ будем использовать микросхемы К561ЛЕ5, К561ЛЕ10, К561ЛЕ15. У этих микросхем вывод 7 - общий, 14 - питание. Используемые в дискретном устройстве микросхемы показаны на рис. 1.

К561ТВ1 К561ЛЕ5 К561ЛЕ10 К561ЛЕ15 К561ЛЕ35

Рисунок 8.1 Разводка микросхем

Заключение

В результате выполнения курсового проекта была разработана принципиальная схема дискретного устройства (ДУ), имеющего следующую структуру: генератор импульсов, счетчик с коэффициентом счёта 18, преобразователь кода, дешифратор, делитель частоты, регистр, мультиплексор. В качестве элементов памяти использовал JK-триггеры. Дискретное устройство реализовано в базисе И - НЕ.

Список использованных источников

1. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Дискретные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1988. - 255 с.

2. Браммер Ю.А. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. для студентов электрорадиоприборостроительных сред. спец. учеб. заведений. / Ю.А. Браммер, И.Н. Пащук - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003. - 351 с.: ил.

3. Бочков К.А., Березняцкий Ю.Ф. Анализ функциональной структуры и синтез дискретных устройств: Лабораторный практикум по дисциплине “Теория дискретных устройств”. Ч.I-III. / Белорус. гос. ун-т трансп. Гомель: БелГУТ, 2001.

4. Березняцкий Ю.Ф. Задание и минимизация функций алгебры логики: Пособие для практических занятий по дисциплине “Теория дискретных устройств”. - Гомель: БелГУТ, 2004. - 44 с.

5. Мулярчик С.Г. Интегральная схемотехника (функционально-логический уровень). - Мн: Изд-во БГУ, 1983. - 189 с.: ил.

6. Автоматизация систем электроснабжения: Учебник для вузов ж. - д. трансп. / Ю.И. Жарков, В.Я. Овласюк, Н.Г. Сергеев, Н.Д. Сухопрудский, А.С. Шилов; Под ред. Н.Д. Сухопрудского. - М.: Транспорт, 1990. - 359 с.

7. Интегральные микросхемы: Справочник / Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др.; - М.: Радио и связь, 1983. - 528 с.: ил.

8. Бирюков С.А. Генераторы и формирователи импульсов на микросхемах КМОП // «Радио», 1995, №7. с. 36-37, № 9. с. 54-55.

9. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru