Разработка электронной схемы на цифровых интегральных микросхемах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Разработка структурной схемы и описание её работы

2. Разработка объединённой таблицы истинности для пяти входных переменных А - Е, отражающих номер буквы по алфавиту и её минимизация с помощью карт Карно

3. Разработка схемы электрической принципиальной и расчёт её узлов

3.1 Разработка и расчёт генератора импульсов

3.2 Разработка многоразрядного счётчика

3.3 Разработка схемы формирования импульса записи

3.4 Разработка выходных регистров памяти (запоминающих устройств)

3.5.Расчёт схемы сброса по питанию

4. Расчёт энергетических параметров схемы

Заключение

Список использованной литературы

Перечень элементов

Введение

Широкое внедрение цифровой техники в промышленную электронику, а также радиолюбительское творчество связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, или вероятность отказа равна вероятности отказа одного паяного соединения, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции. В результате на интегральных микросхемах стало возможным собирать сложнейшие устройства, изготовить которые в радиолюбительских условиях без применения микросхем было бы совершенно невозможно. Все вышесказанное приводит к тому, что постепенно цифровая техника вытесняет аналоговую, особенно в сфере вычислений. Так известно, что использование операционных усилителей для математических вычислений во многих случаях менее целесообразно, чем оцифровка аналогового сигнала с необходимой точностью и выполнение вычислений с помощью цифровых устройств. Цифровые микросхемы нашли применение в вычислительных машинах и комплексах, в электронных устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах, аппаратуре связи и передачи данных, медицинской и бытовой аппаратуре, в приборах оборудования для научных исследований и т.д. В данном курсовом проекте предлагается разработать схему на цифровых интегральных микросхемах с целью привития навыков использования существующей элементной базы цифровых микросхем и закрепления пройденного теоретического курса.

1. Разработка структурной схемы и описание её работы

В данной работе необходимо спроектировать электронную схему на цифровых ИМС. Схема должна осуществлять генерацию пятибитного кода неполного алфавита русского языка, а также выводить последовательности этих кодов в соответствии с наименованием и количеством букв фамилии исполнителя, с целью последующей обработки и отображения на буквенно-цифровом индикаторе.

Поставленную задачу можно решить, используя структурную схему представленную на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема устройства

Схема содержит следующие блоки:

- генератор прямоугольных импульсов с частотой f=160 кГц;

- формирователь двоичного кода, преобразует последовательность импульсов в параллельный двоичный код;

- устройство совпадения, выдаёт строб импульс при совпадении входного кода с заданным;

- устройство запоминания, запоминает код по строб. импульсу устройства совпадения;

2. Разработка объединённой таблицы истинности для пяти входных переменных А - Е, отражающих номер буквы по алфавиту и её минимизация с помощью карт Карно

Таблица 1. Объединённая таблица истинности

Из таблицы 1 получаем коды букв фамилии:

Таблица 2. Коды букв фамилии

Составляем булево выражение по таблице 2:

Заполняем карты Карно (рис. 2):

Рисунок 2. Карты Карно

После упрощения булева выражения с помощью карт Карно получаем:

3. Разработка схемы электрической принципиальной и расчёт её узлов

3.1 Разработка и расчёт генератора импульсов

Рисунок 4. а) схема генератора с конденсатором в цепи обратной связи, б) временные диаграммы его переключений

Так по заданию у нас применяются микросхемы КМОП-серии, то выбираем R1 = 10кОм. Резистор R1 выполняет две функции: смещает рабочую точку логического элемента ЛЭ1 на крутой участок передаточной характеристики, обеспечивая этим мягкое самовозбуждение, и вместе с конденсатором C служит времязадающим элементом. Длительность каждого полупериода колебаний Т1 и Т2 примерно равна 2• R1•C.

При входном напряжении меньшем, чем напряжение переключения Uперекл входной ток возрастает почти до 1мА, следовательно, среднее входное сопротивление здесь порядка 1 кОм и это низкое входное сопротивление логического элемента, действуя параллельно времязадающему резистору R1, уменьшает время заряда конденсатора C в полупериод Т2 на 10-20% (по сравнению с Т1). Для выравнивания полупериодов Т1 и Т2 иногда параллельно резистору подключают цепочку из диода VD и резистора R2, где R2 выбирают в 5 …10 раз большим, чем R1. Выбираем R2=10R1=100кОм.

Рассчитаем номиналы элементов, необходимых для работы генератора импульсов с заданной по условию частотой:

;

;

По справочнику выбираем резисторы R1 и R2:

R1: МЛТ- 0.125 - 10кОм 5%;

R2: МЛТ- 0.125 - 100кОм 5%;

По справочнику выбираем конденсатор С:

C: КМ-6А -50 В - 156пФ 2%;

В качестве инверторов будем использовать микросхему К564ЛН2, содержащую 6 инверторов.

Рисунок 5.- МС К564ЛН2

3.2 Разработка многоразрядного счётчика

В качестве многоразрядного счётчика будем использовать микросхему К564Е2.

Микросхема К564ИЕ2 - пятиразрядный счетчик, который может работать как двоичный в коде 1-2-4-8-16 при подаче лог. 1 на управляющий вход А, или как декада с подключенным к выходу декады триггером при лог. 0 на входе А. Во втором случае код работы счетчика 1-2-4-8-10, общий коэффициент деления - 20. Вход R служит для установки триггеров счетчика в 0 подачей на этот вход лог. 1. Первые четыре триггера счетчика могут быть установлены в единичное состояние подачей лог. 1 на входы SI - S8. Входы S1 - S8 являются преобладающими над входом R.

Микросхема К564ИЕ2 встречается двух разновидностей. Микросхемы ранних выпусков имеют входы СР и CN для подачи тактовых импульсов положительной и отрицательной полярности соответственно, включенные по ИЛИ. При подаче на вход СР импульсов положительной полярности на входе CN должна быть лог. 1, при подаче на вход CN импульсов отрицательной полярности на входе СР должен быть лог. 0. В обоих случаях счетчик переключается по спадам импульсов.

Другая разновидность имеет два равноправных входа для подачи тактовых импульсов (выводы 2 и 3), собранных по И. Счет происходит по спадам импульсов положительной полярности, подаваемых на любой из этих входов, причем на второй из этих входов должна быть подана лог. 1. Можно подавать импульсы и на объединенные выводы 2 и 3. Исследованные автором микросхемы, выпущенные в феврале и ноябре 1981 г., относятся к первой разновидности, выпущенные в июне 1982 г. и июне 1983 г., - ко второй.

Если на вывод 3 микросхемы К564ИЕ2 подать лог. 1, обе разновидности микросхем по входу СР (вывод 2) работают одинаково.

При лог. 0 на входе А порядок работы триггеров соответствует временной диаграмме, приведенной на рис.4.2.1. В этом режиме на выходе Р, представляющем собой выход элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходам 1 и 8 счетчика, выделяются импульсы отрицательной полярности, фронты которых совпадают со спадом каждого девятого входного импульса, спады - со спадом каждого десятого.

При соединении микросхем К564ИЕ2 в многоразрядный счетчик входы СР последующих микросхем следует подключать к выходам 8 или 16/10 непосредственно, на входы CN подавать лог. 1. В момент включения напряжения питания триггеры микросхемы К564ИЕ2 могут установиться в произвольное состояние. Если при этом счетчик включен в режим десятичного счета, то есть на вход А подан лог. 0, а это состояние более 11, счетчик зацикливается между состояниями 12-13 или 14-15. При этом на выходах 1 и Р формируются импульсы с частотой, в 2 раза меньшей частоты входного сигнала. Для того чтобы выйти из такого режима, счетчик необходимо установить в нулевое состояние подачей импульса на вход R. Можно обеспечить надежную работу счетчика в десятичном режиме, соединив вход А с выходом 4. Тогда, оказавшись в состоянии 12 или большем, счетчик переходит в режим двоичного счета и выходит из <запретной зоны>, устанавливаясь после состояния 15 в нулевое. В моменты перехода из состояния 9 в состояние 10 на вход А с выхода 4 поступает лог. 0 и счетчик обнуляется, работая в режиме десятичного счета.

Рисунок 6. Временная диаграмма работы МС К564ИЕ2

Для индикации состояния декад, использующих микросхему К564ИЕ2, можно использовать газоразрядные индикаторы, управляемые через дешифратор К155ИД1. Для согласования микросхем К155ИД1 и К564ИЕ2 можно использовать микросхемы К564ПУЗ либо К564ПУ4 или транзисторы р-n-р.

Рисунок 7. УГО МС К564ИЕ2

3.3 Разработка схемы формирования импульса записи

Схема формирования импульсов записи будет состоять из двух дешифраторов К564ИД1.

МС К564ИД1 представляет собой дешифратор на 10 выходов. Микросхема имеет 4 входа для подачи кода 1-2-4-8. Выходной сигнал лог. 1 появляется на том выходе дешифратора, номер которого соответствует десятичному эквиваленту входного кода, на остальных выходах дешифратора при этом лог. 0. При подаче на входы кодов, соответствующих десятичным числам, превышающим 9, активизируются выходы 8 или 9 в зависимости от сигнала, поданного на вход 1 - при лог. 0 на этом входе лог. 1 появляется на выходе 8, при лог. 1 - на выходе 9. Микросхемы не имеют специального входа стробирования, однако для построения дешифраторов с числом выходов более 10 можно использовать для стробирования вход 8 микросхем, так как выходной сигнал может появиться на выходах 0-7 лишь при лог. 0 на входе 8.