Устройство двоично-десятичного (BCD) кодирования номера зачетной книжки студента

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Промышленная электроника»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Цифровая электроника»

на тему: «Устройство двоично-десятичного (BCD) кодирования номера зачетной книжки студента»

Исполнитель: студент гр. ПМ-31 Комаров А.А.

Руководитель: преподаватель Котова Ю.Е.

Гомель 2013

Содержание

Введение

1. Постановка задачи

2. Таблица истинности

3. Генератор импульсов

4. Счётчик импульсов

5. Схемы совпадения кодов

6. Регистры памяти

7. Минимизация булева выражения

Заключение

Литература

Введение

Одной из основных функций, выполняемой электронными схемами является обработка или преобразование информации, заданной в виде электрического сигнала - напряжения или тока. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой) или дискретной (цифровой) форме.

В настоящее время, подавляющее большинство электронных схем представлено в виде интегральных микросхем, которые подразделяются на два основных вида - аналоговые и цифровые. Цифровые электронные устройства работают в соответствии с логическими правилами, теоретической основой которых является алгебра логики, или булева алгебра.

Одним из перспективных путей в разработке электронной радиоизмерительной аппаратуры является группировка определенной части приборов в комплексы с максимально возможным числом общих блоков, например блока питания, отсчетного устройства, блока обработки информации и т. п. В измерительных комплексах можно применять как аналоговую, так и цифровую обработки и вывод информации.

Современные требования к измерительным приборам, главными из которых являются высокая точность, большая разрешающая способность, температурная и временная стабильности, могут быть удовлетворены преимущественно за счет применения цифровых способов обработки и представления информации.

Современный этап развития научно-технического прогресса характеризуется широким применением электроники и микроэлектроники во всех сферах жизни и деятельности человека. Важную роль при этом сыграло появление и быстрое совершенствование интегральных микросхем - основной элементной базы современной электроники. Цифровые интегральные микросхемы применяются в вычислительных машинах и комплексах, в электронных устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах, аппаратуре связи и передачи данных, медицинской и бытовой аппаратуре, в приборах и оборудовании для научных исследований и т. д.

Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по законам дискретной функции. Они применяются для построения ЭВМ, а так же цифровых узлов измерительных приборов, аппаратуры автоматического управления, связи и т. д.

Ускорение научно-технического прогресса во всех областях требует интенсивного развития таких направлений науки и техники, автоматизация, роботизация, микроэлектроника, вычислительная техника, освоение новых технологий и новых материалов.

Цифровая обработка данных с помощью автоматических устройств является результатом технического прогресса не только последних десятилетий. Еще в средние века были созданы примитивные по современным понятиям решающие устройства, которые могли выполнять такие несложные вычислительные действия, как сложение и вычитание. Эти вычислительные машины, работавшие на чисто механическом принципе, были столь велики по размерам и дороги, что, конечно же, тогда не могло быть и речи о той популярности, которой пользуются, например, современные карманные калькуляторы.

1. Постановка задачи

информация цифровой импульс сигнал

1) Составить таблицу истинности для четырех входных переменных A, B, C, D. В правой части таблицы должно быть n столбцов F₁, F₂, F₃,…F_n-1, где n- число цифр номера зачетной книжки, F_n- последняя цифра зачетной книжки. В каждом из n столбцов правой части 1 будет только в одной строке, соответствующей двоичному коду этой цифры.

2) Разработать схему генератора импульсов с частотой повторения 160 кГц с нестабильностью частоты 30%. Разработать схему устройства на КМОП микросхемах.

3) К выходу генератора импульсов подключить счетчик с числом разрядов, равным 4.

4) К выходам разрядов счетчика подключить n схем совпадения кодов, обеспечивающих формирование импульсов записи в моменты совпадения кодов 4 младших разрядов счетчика с интервалом времени, соответствующим каждой цифре номера зачетной книжки.

5) По каждому из этих n импульсов записи произвести запись четырехразрядного кода BCD каждой цифры номера зачетной книжки в соответствующий регистр памяти.

6) Для проверки знаний студентов первоначально таблицу истинности преобразовать, объединив в одном столбце правой части таблицы все единицы всех столбцов первоначальной правой части таблицы. По такой преобразованной таблице истинности заполнить карту Карно, произвести минимизировано и записать минимизированное булево выражение.

7) Разработать структурную схему по первоначальной таблице истинности.

8) Разработать принципиальную электрическую схему.

2. Таблица истинности

Составляем таблицу истинности для четырех входных переменных A, B, C, D. В правой части таблицы должно быть n столбцов F₁, F₂, F₃,…F_n-1, где n- число цифр номера зачетной книжки, F_n- последняя цифра зачетной книжки. В каждом из n столбцов правой части 1 будет только в одной строке, соответствующей двоичному коду этой цифры.

Таблица 2.1

Исходя из таблицы 2.1, получаем необходимые нам коды цифр зачетной книжки с номером «709074». Для удобства выделим их в отдельную таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Булево выражение, соответствующее таблице истинности, будет выглядеть следующим образом:

F=

3. Генераторы импульсов

Генераторы импульсов на логических элементах основаны на том, что логические элементы используются как усилители с коэффициентами усиления от 20 до 100. Так как разброс аналоговых параметров очень большой, то расчёт импульсных устройств на логических элементах. По условию необходимо разработать схему генератора импульсов с частотой повторения f = 160 кГц и относительной нестабильностью частоты на микросхемах КМОП - серии. Данному условию нестабильности частоты соответствуют генераторы, выполненные на логических элементах. Выберем схему генератора на трех инверторах с конденсатором в цепи обратной связи. Схема генератора и временные диаграммы его переключений приведены на рисунке.3.1.

а) б)

Рисунок 3.1 а) схема генератора с конденсатором в цепи обратной связи

б) временные диаграммы его переключений

Для КМОП микросхем R1 выбирают R1 = 10кОм …10 МОм. 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• R•C.

В качестве инверторов возьмём микросхему КМОП - серии К561ЛН2 - шесть инверторов в одной микросхеме. УГО приведено на рисунке 3.2.,основные предельно-допустимые и электрические параметры - таблица 3.1.

Рисунок 3.2 УГО К561ЛН2

Для схемы генератора мы используем только три первых инвертора (входы: 1,3,9; выходы: 2,4,6)

Таблица 3.1

Предельно-допустимые и электрические параметры К561ЛН2

Период выходных колебаний кратен 4-м RC:

Частота прямо пропорциональна периоду Т:

, тогда . (2.2)

Зададимся С=0.1 нФ, тогда резистор R равен:

. (2.3)

Выбираем C и R:

С=0.1 нФ: К10-17-2-0.1нФ5%,

R=15 кОм: МЛТ-0.125Вт-15 кОм 5%.

Необходимость использования серии 561 в генераторе обусловлена необходимостью подключения к выходу генератора большого числа входов микросхем, а микросхемы 561-й серии обладают достаточной для использования в данной работе нагрузочной способностью.

4. Счетчик импульсов

Разрядность двоичного параллельного цифрового кода N = 4.

Формирование двоичных кодов, соответствующих порядковым номерам цифры в номере зачетной книжки, будем осуществлять за один полный цикл работы устройства. Таким образом, когда на выходах формирователя кода будут все единицы, коды, соответствующие порядковым номерам цифры в номере зачетной книжки, пройдут все по одному разу и нужные из них запомнятся в соответствующих устройствах хранения.

Микросхема 561ИЕ10 содержит два независимых 4-разрядных двоичных счетчика с параллельным выходом. Для повышения быстродействия в ИС применен параллельный перенос во все разряды. Подача счетных импульсов может производиться либо в положительной полярности (высоким уровнем) на вход С, либо в отрицательной полярности (низким уровнем) на вход V. В первом случае разрешение счета устанавливается высоким уровнем на входе V, а во втором случае - низким уровнем на входе С.

Структурная схема и условное обозначение счетчиков типа ИЕ10 приведены на рисунке.4.1 и рисунке.4.2.

Рисунок 4.1 Структурная схема и условное обозначение счетчиков типа ИЕ10

Рисунок 4.2 Условное обозначение

Таблица 4.1

Предельно-допустимые и электрические параметры К561ИЕ10

Для того чтобы после выключения и повторного включения наша схема сбрасывала свои старые значения нужно рассчитать схему сброса по питанию:

Рисунок 4.3 Схема сброса по питанию для счетчика

Для КМОП импульс сброса по питанию лежит в пределах от 0.1 до 1 сек, Rв пределах от 10 кОм до 10 МОм

Задаемся резистором R2=1 МОм и импульсом сброса t_имп=1 сек, тогда

(4.1)

Выберем номиналы резистора R2 и конденсатора С2из ряда Е24:

С2: К73-17-1 мкФ5%;

R2: МЛТ- 0.125Вт - 1 МОм 5%.

5. Схема совпадения кодов

Устройство совпадения кодов построим следующим способом:

- будем использовать дешифратор, при этом выходные сигналы снимаем с выходов дешифратора, номера которых соответствуют номеру зачётной книжки студента. Этот способ универсален, так как сигнал можно снимать с любого из выходов дешифратора. В качестве дешифраторов будем использовать микросхему 561ИД1, структурная схема и цоколёвка которого представлены на рисунке 5.

Рис. 5 а) структурная схема. б) Цоколевка

Микросхема К561ИД1 - универсальный дешифратор. Он применяется для преобразования входного четырехразрядного двоично-десятичного в десятичный или четырехразрядного двоичного в октальный. Дешифратор К561ИД1 имеет десять выходов (при октальном используются восемь выходов), а также четыре входа A - D(для получения октального кода необходимы только три A - C). Вход D, если на нем напряжение высокого уровня, используется как запрещающий при октальном преобразовании. Если вход D не используется, на него следует подать ноль напряжения. Все состояния дешифратора ИД1 перечислены ниже.

6. Регистры памяти

Для запоминания кодов соответствующих цифрам номера зачетной книжки будем использовать регистры памяти. Таким образом, необходимое количество регистров памяти будет равно количеству неповторяющихся цифр номере зачетной книжки. Для кратковременного хранения кодов, соответствующих двоичным кодам цифр номера зачётки русского алфавита выбираем регистр К561ИР6.

Микросхема К561ИР6 -- 8-разрядный, двунаправленный шинный регистр со входами и выходами как параллельными, так и последовательными. Структурная схема и цоколевка регистра К561ИР6 показаны на рисунке6.1. Регистр имеет: последовательный вход данных SI, тактовый вход С, вход ЕА разрешения линиям А, входы переключения асинхронного и синхронного режимов A/S, а также параллельного и последовательного -- P/S. Имеется также вход управления А/В, на который подается сигнал, разрешающий прием данных от 8-разрядных шин А или В. Каждый из восьми разрядов регистра имеет два двунаправленных входа-выхода данных (всего 16). В зависимости от сигнала на входе А/В выбираются для работы с данными 8 линий А или 8 линий В.

Условное графическое обозначение (УГО) регистра К561ИР6 приведено на рисунке 6.2, основные предельно-допустимые и электрические параметры - таблица 6.1.

Рисунок 6.1 Двунаправленный шинный регистр К561ИР6: а - схема; б - цоколёвка

Таблица 6.1

Основные предельно-допустимые и электрические параметры К561ИР6

Таблица 6.2

Режимы работы К561ИР6

Рисунок 6.2 УГО К561ИР6 (12 - общий, 24 - +U_ип)

Устройство запоминания записывает пятиразрядный двоичный код каждой буквы фамилии в соответствующий регистр памяти по приходу импульса записи от устройства совпадения кодов.

7. Минимизация булева выражения

При разработке логических схем можно минимизировать необходимое число элементарных схем. Схему можно упростить с помощью правил булевой алгебры. Другой способ оптимизации основан на применении карт Карно - графического метода, который легко усваивается и оказывается гораздо проще чисто алгебраического.

Используя данные, полученные в пункте 1, запишем булево выражение для четырех входных переменных:

F=

Тогда карты Карно для данной функции будут выглядеть следующим образом:

Таким образом, булево выражение примет вид:

F=

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта в соответствии с заданием было разработано цифровое устройство, осуществляющее двоично-десятичное кодирование цифр номера зачетной книжки студента.

В качестве элементной базы, а также в соответствии с заданием была выбрана серия ИМС К561. Данная серия получила большое распространение благодаря широкому функциональному ряду микросхем, и хорошим эксплуатационным параметрам:

1) потребляемый ток в статическом режиме составляет десятки нА;

2) широкий диапазон питающих напряжений;

3) коэффициент разветвления ограничен в основном только паразитной емкостью монтажа;

К сожалению, серия К561 наряду с перечисленными достоинствами обладает таким недостатком, как малое быстродействие, ограниченное для большинства микросхем частотой f?1 МГц. Последнее не явилось причиной отказа от данной серии в нашей работе, так как по условию задания максимальные частоты в отдельных точках схемы на порядок меньше допустимой. Так по условию номинальная частота генератора fг = 160 кГц. Максимальное время, необходимое схеме для прохождения полного цикла преобразования, с появлением параллельных данных на выходах всех регистров составляет:

Tпр= N/fг

где N - общее число разрядов счетчиков

При проектировании схемы делался акцент на использование минимального числа корпусов микросхем и максимально полное их использование. Работа выполнена в полном объеме без отклонений от условия задания.

Литература

1. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. М.: Радио и связь, 1990.

2. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник. Богданович М.И. и др. Мн.: Беларусь, 1991.

3. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд., исправленное. М.: Радио и связь, 1989.

4. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. Л. Энергоатомиздат. 1986.

5. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели РЭА: Справочник. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко. Мн.: Беларусь. 1994.

Размещено на Allbest.ru