Формирователь кода

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Анализ поставленной задачи

Разработка структурной схемы. Расчет основных параметров устройства

Разработка функциональной схемы

Выбор элементной базы. Разработка принципиальной схемы устройства. Расчет временных параметров

Построение временных диаграмм работы схемы

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

формирователь код сигнал частота

Введение

В разрабатываемом курсовом проекте будет разработан формирователь кода, который при нажатии на одну из 12 кнопок производит формирование на выходе последовательный сигнал, частота которого обратно пропорциональна коду нажатой кнопки.

Для проектируемого устройства должна быть разработана его структурная, функциональная и принципиальная схемы, произведен расчет временных параметров и разработаны временные диаграммы работы.

Анализ поставленной задачи

В соответствии с исходными данными, должен быть разработан формирователь импульсов, имеющий на входе 12 кнопок, а на выходе сигнал, частота которого обратно пропорциональна коду нажатой кнопки.

Схема управления выходной частотой в зависимости от поступившего кода представляет собой управляемый делитель опорной частоты. Входными данными для схемы являются импульсы опорной частоты и код нажатой клавиши, который должен влиять на частоту импульсов на выходе.

Формула преобразования частоты будет следующей

fвых = fоп / k,(1.1)

где k - коэффициент деления - код нажатой кнопки,

fоп - частота опорного сигнала,

fвых - частота выходного сигнала.

Так как на выходе формируется не отдельный сигнал, а последовательность сигналов с преобразованной частотой, то необходимо хранить коэффициент деления все время, пока формируется выходной сигнал и изменять его только при нажатии на другую кнопку - изменении коэффициента деления.

Обратная пропорциональность частоты выходного сигнала относительно номера нажатой кнопки подразумевает, что чем больше номер нажатой кнопки, тем больше частота выходного сигнала, то есть при нажатии на кнопку 12 частота выходного сигнала минимальная, а при нажатии на кнопку 1 - максимальная. Такую зависимость можно получить или за счет использования дополнения номера нажатой кнопки до 12 или за счет обратного соответствия номера нажатой кнопки и сформированного кода, то есть, например, при нажатии на кнопку 1 формируется код, соответствующий при прямом соответствии коду кнопки 12.

Функции, выполняемые формирователем импульсов:

- прием номера нажатой кнопки и преобразование его в двоичный код;

- хранение кода нажатой кнопки;

- формирование импульсов опорной частоты;

- формирование импульсов в соответствии с принципом обратной пропорциональности номеру нажатой кнопки.

В соответствии с номером нажатой кнопки формируется его двоичный код, хранящийся в дальнейшем на время формирования выходного сигнала с заданной частотой.

Если для формирования обратной пропорциональности использовать принцип дополнения номера нажатой кнопки до 12, то потребуется производить дополнительно сравнение текущего количества прошедших импульсов и числа 12. Если же использовать обратное соответствие номера нажатой кнопки и сформированного кода, то никаких дополнительных действий производить нет необходимости, так как код нажатой кнопки будем обратно пропорционален номеру нажатой кнопки, но прямо пропорционален количеству последовательности импульсов, которая должна быть пропущена.

Пропорциональность кода нажатой кнопки и частоты выходного сигнал можно обеспечить за счет формирования одиночного импульса на выходе формирователя после прохождения заданных кодом нажатой кнопки количества опорных импульсов. Тем самым будет обеспечена обратная пропорциональность номера нажатой кнопки коду нажатой кнопки и частоте выходного сигнала.

Максимальный код нажатой клавиши - число 12. Для представления этого десятичного числа в двоичном коде требуется 4 разряда, так как 23<12<24.

Делитель частоты целесообразно реализовать с помощью счетчика поступивших опорных импульсов, разрешая прохождение на выход схемы только импульсам, порядковый номер которых кратен коду нажатой кнопки. Тем самым на выходе сформируется последовательность импульсов с частотой следования, пропорциональной коду нажатой кнопки и обратно пропорциональной номеру нажатой кнопки.

Разработка структурной схемы. Расчет основных параметров устройства

Как было определено при анализе поставленной задачи, разрабатываемое устройство должны выполнять следующие функции:

- прием номера нажатой кнопки и преобразование его в двоичный код;

- хранение кода нажатой кнопки;

- формирование импульсов опорной частоты;

- формирование импульсов в соответствии с принципом обратной пропорциональности номеру нажатой кнопки.

Следовательно, устройство должно содержать блоки, обеспечивающие формирование сигнала высокого уровня от нажатой кнопки, преобразование его в соответствующий обратный код, хранение кода нажатой копки, формирование импульсов опорной частоты, определение временного интервала между выходными импульсами, формирование выходных импульсов.

Структурная схема будет включать в себя следующие элементы:

- блок кнопок;

- блок определения нажатия;

- генератор опорной частоты (ГОЧ);

- блок шифрации;

- блок хранения кода;

- блок счета.

Структурная схема формирователя импульсов приведена в приложении А.

Блок кнопок включает себя 12 кнопок, имеет 12 выходов. Нажатие на любую из кнопок приводит к формированию на выходе, соответствующему номеру нажатой кнопки, сигнала высокого уровня. Выходы блока поступают на входы блока шифрации и блока определения нажатия.

Блок определения нажатия принимает на свои входы выходы всех двенадцати кнопок и формирует на своем выходе сигнал высокого уровня в том случае, если хотя бы на один вход получен сигнал высокого уровня, то есть, если хотя бы на одном входе есть сигнал высокого уровня (нажата кнопка), то на выходе тоже будет сигнал высокого уровня.

Генератор опорной частоты (ГОЧ) обеспечивает формирование на своем выходе последовательность прямоугольных импульсов с заданной частотой (длительностью сигнала). Запуск формирования импульсов генератором производится положительным перепадом сигнала с выхода блока определения нажатия. В дальнейшем формирование последовательности импульсов производится ГОЧ постоянно. Выход генератора тактирует работу блока счета.

Блок шифрации служит для преобразования номера нажатой кнопки в соответствующий код. В данном случае, номер преобразуется в обратный код, то есть код кнопки с номером 1 будет 1100 (12), а для кнопки с номером 12 выходной код будет 0001 (1). Таким образом будет сформирован принцип обратной пропорциональности частоты выходного сигнала относительно номера нажатой кнопки.

Блок хранения кода служит для хранения кода нажатой кнопки. Код нажатой кнопки поступает с выходов блока шифрации, а запись производится сигналом с выхода блока определения нажатия. Выходы поступают на входы блока счета.

Схема записи служит для формирования сигнала записи на соответствующий вход счетчика задержки. Сигнал записи формируется при наличии сигнала высокого уровня с выхода схемы определения нажатия либо с выход «=0» счетчика.

Блок счета служит для формирования заданного кодом нажатой кнопки временного интервала между выходными импульсами, то есть обеспечением заданной обратной пропорциональности номеру нажатой кнопки частоты выходного сигнала. Принимает на информационные входы записанный в блоке хранения кода код нажатой кнопки, на управляющий вход «запись» - сигнал с выхода либо блока определения нажатия, либо сигнал с выхода «=0» блока счета. Выбор управляющего сигнала производится обобщающим элементом ИЛИ. На вход декрементирования состояния принимаются импульсы с выхода ГОЧ. Сигнал высокого уровня на выходе «=0» будет сформирован при равенстве содержимого нулю.

Принцип работы устройства

В исходном состоянии ГОЧ не формирует выходных импульсов, поэтому на выходе устройства импульсы отсутствуют.

Нажатие на любую из кнопок блока кнопок формирует на ее выходе единичный сигнал. Блок шифрации на основании поступившего единичного сигнала формирует на выходе код номера входа, по которому поступил единичный сигнал. Блок определения нажатия, получив на один из входов единичный сигнал, формирует на своем выходе сигнал высокого уровня. Перепад уровня выходного сигнала запускает работу ГОЧ, который начинает формировать на своем выходе последовательность выходных импульсов, и записывает сформированный блоком хранения код в блок хранения кода. Высоким уровнем сигнала блок определения нажатия записывает код, хранящийся в блоке хранения кода, в блок счета. Как только сигнал высокого уровня с выхода блока определения нажатия будет снят (кнопка отпущена), блок счета начинает принимать тактовые импульсы с выхода ГОЧ и уменьшать записанное в нем значение. Как только значение в блоке счета станет равным нулю, на его выходе «=0» сформируется сигнал высокого уровня, который и будет выходным сигналом устройства. Сигнал высокого уровня с выхода блока счета будет параллельно и сигналом записи в блок счета данных с блока хранения кода. Таким образом получится, что блок счета, выработав выходной сигнал через заданное кодом нажатой кнопки число импульсов опорной частоты, вновь запишет в себя этот же код и сформирует следующий выходной импульс через это же число импульсов опорной частоты. То есть, на выходе будет сформирована последовательность выходных импульсов, частота которых обратно пропорциональна коду нажатой кнопки относительно опорной частоты.

Разработка функциональной схемы

Проще всего построить 12-тиразрядный шифратор с помощью ПЗУ, на адресные входы которой подаются выходы кнопок, а на информационных выходах формируется код, соответствующий адресу, который будет иметь единицу в соответствующем разряде.

Разработаем таблицу загрузки ПЗУ в соответствии с режимом его использования - код на выходе ПЗУ обратно пропорционален номеру нажатой кнопки. При определении значений необходимо учитывать, во-первых, что счетчик уменьшает значение по первому же счетному импульсу, и, во-вторых, сигнал «=0» формируется сразу при уменьшении значения до нуля. То есть, например, если необходимо пропустить один импульс, то код должен быть равен 0010 (2), так как первый импульс уменьшит его до 0001 (1), а второй до 0000 (0) и сигнал уже будет сформирован.

Таблица 3.1 - Таблица загрузки ПЗУ

На основании разработанной структурной схемы и в соответствии с вышесказанным строится функциональная схема, приведенная в приложении Б.

Выходы блока кнопок, включающего в себя 12 кнопок, поступают на адресные входы ПЗУ ROM и входы элемента ИЛИ. Выходы данных ПЗУ поступают на входы регистра хранения кода RG. Выход элемента ИЛИ поступает на управляющий вход мультивибратора1, формирующего одиночный выходной импульс заданной длительности при положительном перепаде сигнала на своем входе. Выход мультивибратора1 поступает на входы записи RG и счетчика Ст2. В регистр, а затем и в счетчик, записывается код нажатой кнопки, сформированный ПЗУ. Данные в регистр и счетчик должны записываться по уровню сигнала, а не по импульсу, следовательно, длительность выходного сигнала мультивибратора должна быть не меньше времен установки регистра и счетчика в сумме.

Генератор G постоянно формирует на своем выходе последовательность тактовых импульсов заданной частоты - параметры сигнала будут определены при выборе элементной базы. Они поступают на декрементирующий вход счетчика.

Сброс счетчика производится сигналом «Сброс», при этом на его выходе «=0» формируется сигнал низкого уровня, который, пройдя через инвертор, устанавливает счетчик в режим записи, в котором он не принимает счетные импульсы.

Выходом устройства является выход мультивибратора2, который формирует одиночный импульс заданной длительности при формировании на выходе счетчика «=0» сигнала низкого уровня.

Функционирование устройства.

Для приведения устройства в исходное состояние необходимо подать сигнал «Сброс», который сбросит значение в счетчике. Счетчик в сброшенном состоянии на выходе «=0» формирует сигнал низкого уровня, который в инвертированном состоянии переводит его в режим записи. Тогда импульсы с выхода генератора, постоянно им формируемые, счетчиком приниматься не будут. В то же время в регистре не записано ничего, то есть на его выходах нулевой код. А при записи нулевого кода в счетчик состояние его выхода «=0» не изменяется.

В исходном состоянии устройство будет находиться до момента нажатия на любую из кнопок.

При нажатии на любую кнопку на выходе элемента ИЛИ формируется сигнал высокого уровня, передний фронт которого запустит мультивибратор. На его выходе формируется одиночный импульс, поступающий на входы записи регистра и счетчика.

На основании адреса, поступившего на входы ПЗУ, на его выходах формируется код, который записывается в регистр, а с выходов регистра в счетчик. Значение в счетчике изменяется, поэтому на выходе «=0» формируется сигнал высокого уровня, который снимает сигнал записи с входа счетчика. Поэтому, как только импульс записи с выхода мультивибратора1 закончится, счетчик перейдет в режим счета.

На основании поступающих тактовых импульсов с выхода генератора счетчик будет уменьшать записанное в него значение. Как только оно станет равно нулю счетчик на выходе «=0» сформирует сигнал низкого уровня. Перепад сигнала из высокого уровня в низкий запустит мультивибратор 2, который на своем выходе сформирует одиночный выходной импульс устройства. Потенциал сигнала переведет счетчик в режим записи и он запишет данные с выходов регистра. После этого сигнал «=0» вновь будет сброшен, следовательно, счетчик вновь перейдет в режим счета. А так как данные в регистре не изменились, то время между выходными импульсами будет одинаковым и обратно пропорциональным коду нажатой кнопки.

Изменение частоты выходного сигнала произойдет при нажатии на другую кнопку, а прекращение работы устройства - при подаче сигнала «Сброс».

Выбор элементной базы. Разработка принципиальной схемы устройства. Расчет временных параметров

ПЗУ, согласно ранее проведенным исследованиям, должно иметь организацию 4к х 4 (12 адресных входов и четыре информационных выхода). Наиболее близкой к необходимой организации является микросхема К596РЕ1, представляющее собой ПЗУ организацией 8к х 8 с временем выборки 60нс. Имеет излишний адресный вход и четыре излишних информационных выхода, поэтому старшие разряды не используются.

12-тивходовой элемент ИЛИ реализован с помощью микросхем К1533ЛЛ1 (четыре элемента 2ИЛИ) с временем задержки не более 7нс.

Счетчик реализуется с помощью микросхемы КР1533ИЕ7, представляющей собой четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик с предустановкой и выходами переноса и заема. Максимальное время установки 18нс.

Регистр реализован микросхемой К1533ИР22, представляющей собой восьмиразрядный регистр с потенциальным управлением. Запись данных происходит при высоком уровне управляющего напряжения. Записываемые данные подаются напрямую на выходе регистра, а записываются при подаче сигнала низкого уровня. Время задержки сигнала не более 13нс.

Для формирования последовательности тактовых импульсов используется управляемый напряжением генератор К531ГГ1, формирующий на выходе меандр с частотой, определяемой соотношением

fо = 0,0005/Ст, (4.2)

где fо - частота выходного сигнала,

Ст - емкость подключенного конденсатора.

Примем частоту выходного равной 5кГц (длительность периода 0,2мс). Тогда С1 = 0,1мкФ.

Подача сигнала высокого уровня на вход EI запрещает генератору формирование выходных импульсов.

Формирователи импульса записи и выходного импульса реализован микросхемой КР1533АГ3, представляющей собой мультивибратор с повторным запуском. Формирование выходного прямоугольного импульса с длительностью, определяемой внешней времязадающей RC-цепью из соотношения

Т = 0,7 * R * C (4.1)

произойдет либо при подаче перепада сигнала из единицы в ноль на инверсный вход, либо при подаче перепада сигнала из нуля в единицу на прямой вход. Выходной сигнал не может быть прерван никакой комбинацией сигналов до тех пор, пока не пройдет заданное времязадающей цепью время. Время срабатывания не более 80нс.

Произведем выбор времязадающих RC-цепей для выходного элемента. Очевидно, что длительность выходного сигнала должна быть меньше длительности периода импульсов с выхода генератора. Длительность тактового импульса, как было определено ранее, составляет 0,2мс = 200мкс, то есть длительность полупериода составляет 100мкс.

Для удобства выбора элементов примем длительность полупериода тактового импульса равной 70мкс, тогда, в соответствии с (4.1), RC=1*10-6. Выбираем R1 = 1 МОм и С2 = 100 пФ.

Произведем выбор времязадающих RC-цепей для элемента управлению записью. Очевидно, что длительность этого сигнала должна быть не меньше, чем сумма времен срабатывания ПЗУ, регистра и счетчика и составит 60нс+18нс+13нс = 91нс.

Для удобства выбора элементов примем длительность полупериода тактового импульса равной 700нс, тогда, в соответствии с (4.1), RC=1*10-8. Выбираем R2 = 10 кОм и С3 = 100 пФ.

Принципиальная схема устройства приведена в приложении В.

Кнопки SB1-SB12 подключены к адресным входам ПЗУ DD4 и скомбинированному элементу 12-ИЛИ DD1-DD3.3. Информационные выходы ПЗУ соединены с входом регистра DD5, выходы которого поступают на входы предустановки счетчика DD7. Сигнал разрешения предустановки поступает с выхода В счетчика или с инверсного выхода мультивибратора DD6.1, обобщающихся элементом 2И DD4.1, низкий уровень сигнала на выходе которого будет при низком уровне сигнала на любом из входов. Напряжение записи в регистр DD5 также поступает с инверсного выхода мультивибратора DD6.1. Предустановка в счетчик производится при низком уровне сигнала на управляющем входе. Запись в регистр производится высоким уровнем сигнала с прямого выхода мультивибратора DD6.1.

Генератор DD8 включен в режиме постоянного формирования выходного меандра. Его выход поступает на декрементирующий вход счетчика DD7.

Формирование выходного импульса обеспечивается мультивибратором DD6.2 подачей сигнала низкого уровня на его инвертирующий вход с выхода В счетчика.

Принцип работы устройства.

Генератор DD8 постоянно формирует счетные импульсы, поступающие на счетный вход счетчика. Нажатие на кнопку сброса SB13 сбрасывает состояние счетчика в ноль и на его выходе В гарантированно будет сигнал низкого уровня, который, поступая на входы элемента И DD9.1 формирует на его выходе сигнал низкого уровня, который переводит счетчик в режим записи, в котором он игнорирует счетные импульсы. Так как на выходе регистра нулевое значение, то в счетчик постоянно записывается ноль, который не меняет состояние его выхода В. Устройство находится в исходном состоянии, сигнал на выходе отсутствует.

Нажатие на любую кнопку формирует на адресных входах ПЗУ адрес ячейки с кодом нажатой кнопки. который формируется на информационных выходах ПЗУ. На выходе DD3.3 сформируется сигнал высокого уровня, который запустит мультивибратор DD6.1. На его прямом выходе формируется сигнал высокого уровня и подается на вход записи регистра DD5. На инверсном выходе формируется сигнал низкого уровня, который формирует на выходе элемента 2И DD4.1 сигнал низкого уровня, то есть переводит счетчик в режим записи данных, присутствующих на входах предустановки. Так как данные в счетчике после записи кода не равен нулю, то на выходе В счетчика сформируется сигнал высокого уровня. После окончания одиночного импульса с выхода мультивибратора DD6.1 на обоих входах элемента 2И DD9.1 будут сигналы высокого уровня, следовательно и на его выходе будет сигнал высокого уровня, который переведет счетчик в режим счета и он начнет принимать последовательность импульсов с выхода генератора DD8, уменьшая при этом свое состояние. Как только значение в счетчике станет равным нулю, на его выходе В сформируется сигнал низкого уровня, который, во-первых, запустит формирующий выходной одиночный импульс мультивибратор DD6.2, во-вторых, сформирует на выходе элемента 2И DD9.1 сигнал низкого уровня, который переведет счетчик в режим записи. На выходах регистра записан код последней нажатой кнопки, поэтому он вновь запишется в счетчик. Следовательно, сигнал низкого уровня на выходе В счетчика будет сброшен и он вновь перейдет в режим счета.

Если во время работы устройства нажать другую кнопку, то ее код запишется в регистр и счетчик сигналами с выхода мультивибратора DD6.1 и изменит частоту выходного сигнала.

Если нажать на кнопку SB13, то она сбросит состояние счетчика, запретив тем самым прохождение тактовых импульсов на его счетный вход.

Построение временных диаграмм

Временные диаграммы строятся для принципиальной схемы формирователя импульсов.

Временная диаграмма приведена в приложении Г.

На временной диаграмме рассмотрена работа функционирование схемы при нажатии на кнопку «9».

Следовательно, выходной сигнал должен формироваться через каждые три импульса тактовой частоты.

Сброс происходит нажатием на кнопку SB13, которая сбрасывает счетчик и переводит его в режим записи. Тактовые импульсы генератором DD8 формируются постоянно.

Нажатие на кнопку SB9 формирует на ее выходе сигнал высокого уровня, который формирует на выходах ПЗУ DD4 код 0000100, а на выходе DD3.3 сигнал высокого уровня, запускающий мультивибратор DD6.1. Сигнал высокого уровня с его выхода записывает код 00000100 в регистр DD5 и обеспечивает запись кода 0100 в счетчик DD7. Изменение значения в счетчике на отличное от нуля формирует сигнал высокого уровня на выходе В счетчика, а окончание одиночного импульса на выходе мультивибратора DD6.1 выводит счетчик из режима записи и он начинает принимать счетные импульсы. Как только значение в счетчике станет равным нулю на его выходе В сформируется низкий уровень сигнал. По перепаду сигнала на выходе мультивибратора DD6.2 сформируется одиночный выходной импульс, а по потенциалу сигнала счетчик перейдет в режим записи и запишет код 0100 с выхода регистра. После этого сигнал В вновь будет установлен и счетчик вновь перейдет в режим счета. Таким образом, выходной импульс будет формироваться через каждые три тактовых импульса, то есть частота выходного сигнала будет обратно пропорциональна коду нажатой кнопки.

Заключение

В курсовой работе разработан формирователь кода, который при нажатии на одну из 12 кнопок производит формирование на выходе последовательности импульсов, с частотой, обратно пропорциональной коду нажатой кнопки.

Разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства, построены временные диаграммы работы.

Список использованной литературы

Угрюмов У.П. «Цифровая схемотехника», СПб.: БХВ-Петербург, 2001г.

Справочник: Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике. - М.:Радио и связь, 1987.

Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника ЭВМ и МПК».

Размещено на Allbest.ru