Проектирование управляющих устройств

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВПО «СамГТУ»)

Факультет автоматики и информационных технологий

Кафедра «Электронные системы и информационная безопасность»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»

«Проектирование управляющих устройств»

Вариант 5

Самара, 2016

Введение

Цифровые микросхемы первоначально разрабатывались для построения электронно-вычислительных машин, получивших в дальнейшем название компьютеры. То есть первое их предназначение было заменить человека при выполнении рутинной вычислительной работы. Сейчас, наверное, никто и не вспомнит, что слово "калькулятор" еще каких-нибудь шестьдесят лет назад обозначало не маленький карманный прибор, а профессию большого числа людей, которые занимались расчетами по заданным математическим формулам.

Однако вскоре после начала массового производства цифровых микросхем выяснилось, что они очень удобны для управления какими-либо объектами. При этой управляемая схема обычно может находиться только в двух состояниях. Например, схема может быть включена или выключена, светодиод может светиться или не светиться, соединение в телефонной станции может присутствовать или отсутствовать, радиостанция может находиться в режиме передачи или приема. Это означает, что большинство технических устройств прекрасно описываются (и управляются) двоичными сигналами. При выполнении задачи управления для описания состояния объекта достаточно двух значений: напряжение высокое или низкое (положительное или отрицательное), ток протекает или не протекает.

Это свойство цифровых сигналов позволило избавиться от многих неприятных моментов аналоговых схем. Например, ошибка при прохождении через цифровую схему не увеличивается (в отличие от шумов аналоговых схем), а в ряде случаев даже может быть исправлена. Сами цифровые схемы при правильном их применении не вносят ошибок. Эти свойства цифровых микро-схем привели к бурному развитию цифровой техники.

Кроме перечисленных достоинств цифровые микросхемы при массовом производстве оказались чрезвычайно дешевы, а вскоре превзошли другие технические решении и по габаритам, и по массе. В результате цифровые микросхемы практически полностью вытеснили применявшиеся ещё с ХIХ века для управления приборами электромагнитные реле и перфокарты. Использование цифровых микросхем резко повысило надежность устройств управлении объектами.

Приведенные выше преимущества цифровых микросхем привели к тому, что в дальнейшем цифровая техника стала использоваться для решения других задач. Например, для формирования высокостабильных колебаний в радио-технических изделиях или в качестве эталонных интервалов времени в электронных и электромеханических часах. В этих устройствах, как и в устройствах управления, не стоит задача формировании сигнала строго определенной формы. Единственным условием является стабильность частоты генерируемого колебания. В результате в современном мире полностью изменилась технология изготовления генераторного оборудования и часовая промышленность.

С течением времени стали разрабатываться методы и теория применения цифровых микросхем дляформировании аналоговых сигналов. И здесь тоже основным фактором была возможность заранее рассчитывать уровень шумов устройства. При этом уровень шума зависит только от сложности схемы и не зависит (ну, или почти не зависит) от количества схем, через которые проходит сигнал. Эта особенность приводит к возможности передавать сигнал на любое расстояние (или производить любое количество копий записанного сигнала).

Постоянный прогресс в технологии производства цифровых микросхем позволяет снижать потребление энергии этими микросхемами и увеличивать сложность алгоритмов обработки сигналов. В результате область применения цифровых методов обработки аналоговых сигналов постоянно расширяется, как в область все более высоких частот, так и в области, ранее не охватываемые радиотехникой (например, цифровая фотография).

Отметим, что уровни логических сигналов не уменьшаются при распространении сигнала по цифровой схеме. Это означает, что цифровые микросхемы принципиально должны обладать усилением. В то же самое время логические уровни на выходе цифрового устройства точно такие же, как и на входе, т. е. они не возрастают при прохождении через логический элемент. Это обеспечивается тем, что на выходе цифровой микросхемы происходит ограничение сигнала, т. е. цифровые микросхемы работают в ключевом режимы: транзистор цифровой микросхемы может быть только открыт или закрыт. В результате на идеальном транзисторе рассеивания энергии не происходит ни в том, ни в другом состоянии. Это означает, что в цифровых микросхемах можно достичь коэффициента полезного действия близкого к 100%.

Параметры цифровых микросхем

Цифровые микросхемы или микроблоки, их элементы или компоненты обозначаются на принципиальных схемах условно-графическим обозначением в соответствии с ГОСТ 2.743-91. Условно-графическое обозначение микросхемы имеет форму прямоугольника, к которому подводят линии выводов. Оно может содержать три поля: основное и два дополнительных, которые располагают слева и справа от основного (рис. 1.1). В первой строке основного поля помещают обозначение функции, выполняемой элементом. В последующих строках основного поля располагают информацию по ГОСТ 2.743-91.

В дополнительных полях помещают информацию о назначениях выводов (метки выводов, указатели), дополнительные поля на условно-графическом изображении цифровых микросхем могут отсутствовать. Входы на условно-графическом изображении цифровых микросхем располагают слева, а выходы - справа. Номера выводов микросхем помещают над линией вывода ближе к изображению микросхемы.

Точно так же, как и аналоговые схемы, цифровые схемы должны описываться некоторыми параметрами. Аналоговые схемы характеризуются напряжением питания, при котором они могут работать. Цифровые микросхемы тоже обладают этим параметром. В настоящее время наиболее распространены цифровые микросхемы с напряжением питания +5 В и +3,3 В. однако существуют микросхемы, способные работать в диапазоне напряжений от 2 до 6 В. Минимальное напряжение питания, при котором работают современные цифровые микросхемы составляет 0,7 В.

Основные логические функции и элементы

Практически все цифровые устройства без памяти (комбинаторные устройства) могут быть построены на основе трех простейших логических элементов. Все более сложные схемы реализуются из этих простейших логических элементов как из кубиков.

Функция «НЕ», инвертор

Простейшим логическим элементом является инвертор, который просто изменяет значение входного си гнала на прямо противоположное значение. Его функция записывается в следующем виде:

F(x) =,

где черта над входным значением обозначает изменение его на противоположное. То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведенной в табл. 2.1. Так как входу этого логического элемента лишь один, его таблица истинности состоит только из двух строк.

Условно-графическое изображение инвертора приведено на рис. 2.2.

Функция «И», логическое умножение.

Следующим простейшим логическим элементом является, реализующая операцию логического умножения «И»:

F()= ,

Где символ ^ обозначает функцию логического умножения (конъюнкцию). Иногда эта же функция записывается в другом виде:

F()== = .

Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию "2И", на принципиальных схемах приведено на рис. 2.3, с этого момента схемы, выполняющие функцию "И", будут приводиться именно в та-ком виде.это изображение не зависит от конкретной принципиальной схемы устройства, реализующей функцию логического умножения.

Функция «ИЛИ», логическое сложение

Следующим простейшим элементом является схема, реализующая операцию логического сложения «ИЛИ»:

F( , )= ,

Где символ ? обозначает функцию логического сложения (дизъюнкцию).

Цифровые схемы последовательного типа

Последовательностные устройства - это цифровые устройства с памятью. В них выходной сигнал определяется не только текущим состоянием входа, но и рядом предыдущих значений. Обычно в состав последовательностных устройств входят комбинационные устройства и запоминающие ячейки.

Последовательностные устройства позволяют изменять свое состояние в определённые, строго фиксированные моменты времени. Это позволяет учитывать времена задержки прохождения цифровых сигналов через комбинационные цифровые устройства. При этом обычно определяется наибольшее время распространения и изменение состояния цифрового устройства производится с периодом, большим или равным этому времени.

Простейшее последовательностное устройство - это триггер. Его особенностью является способность бесконечно долго находиться в одном из двух устойчивых состояний. Приняв одно состояние за ноль, другое за единицу, можно считать, что триггер хранит один бит информации.

Триггеры

Триггеры предназначены для запоминании двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (т. е. памяти, информация в которой хранится только на время вычислений). Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счетчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.

RS-триггеры

RS-триггер получил название по имени своих входов. Вход S(от англ. Set- установить) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние. Вход R(от англ. Reset- сбросить) позволяет сбрасывать выход триггера Q (от англ. Quit- выход) в нулевое состояние.

Таблица истинности RS-триггера

Статические D-триггера

В RS-триггерах для записи логического нули и логической единицы требуются разные входы, что не всегда удобно. При записи и хранении данных один бит может принимать значение как нуля, так и единицы. Для передачи и приема бита достаточно одного проводника. Как мы уже видели ранее, сигналы установки и сброса триггера не должны появляться одновременно, поэтому можно объединить эти входы в оды н при помощи инвертора, как это показано на рис. 8.7.

Такой триггер получил название D-триггер (защелка). Название происходит от английского слова delay - задержка. Конкретное значение времени задержки цифрового сигнала `D' определяется частотой следования импульсов синхронизации `С'. Условно-графическое обозначение Д-триггера на принципиальных схемах приведено на рис. 8.8.

Регистры

Регистром в цифровой технике называется последовательное или параллельное соединение нескольких триггеров. Регистры обычно строятся на основе D-триггеров. При этом для построения регистров могут использоваться как динамические, так и статические D-триггеры (триггеры-защелки). Количество триггеров в составе регистра определяет его разрядность. В качестве отдельных микросхем обычно используются четырех- или восьмиразрядные триггеры.

Счётчики

Счетчики используются для построения таймеров или для выборки инструкций из ПЗУ в микропроцессорах. Они могут использоваться как делители частоты в управляемых генераторах частоты (синтезаторах). При использовании в цепи ФАПЧ счетчики могут быть использованы для умножения частоты как в синтезаторах опорных частот, так и в микропроцессорах. С их помощью можно формировать импульсы строго определенной длительности.

Вывод

Мы рассмотрели особенности работы триггеров - основных элементов цифровых устройств. Теперь мы знаем, какие бывают разновидности цифровых триггеров и особенности применения каждого из этих видов. Кроме того, мы познакомились с еще одним видом последовательностных устройств, который широко применяется в цифровой и микропроцессорной технике, - регистрами. Именно эти устройства позволяют запоминать многоразрядные двоичные числа, поэтому они являются составными частями 6oлее сложных цифровых устройств. Не менее важными последовательностными устройствами являются цифровые счетчики различных видов. Без них невозможно построение устройств управления - контроллеров н устройств преобразования частоты, которые широко применяются в технике связи.

Техническое задание

Задание 1

Используя только элементы «и-не» построить функциональную схему синхронизируемого дешифратора, имеющего четыре входа Х1, Х2, Х3, Х4 и десять выходов У1-У10.Выходной сигнал дешифратора должен иметь значение логического «0».

Решение микросхема триггер дешифратор

Дешифратор - устройство, активирующее тот выход, двоичный адрес которого подан на входы. Однако в данном случае дешифратор имеет инверсные выходы; на указанном выходе появляется 0, на остальных выхода х - 1.

Предлагается собрать дешифратор, используя логические элементы «и-не». Такой элемент подает на свой единственный выход 0, если на все входы подаются 1, либо 1 во всех других случаях.

Построим схему дешифратора.

Задание 2

Построить схему электрическую принципиальную управляющего автомата Мили для следующей микропрограммы:

Решение

Произведем разметку графа

Отметки а0..а5 соответствуют состояниям устройства. Таким образом, устройство имеет 6 состояний.

Составляем граф переходов

Минимальная степень двойки, превышающая число состояний, равна 3 (23>6). Значит, код будет трехзначный.

Построим теперь таблицу функционирования комбинационного узла

Запишем логические выражения для выходных значений комбинационного узла

J1 Y2 Y5 = A0

J2 K1 Y10 Y12 = A1

J1 = A2 X2 X1

K2 = A2 X?1, X2

J3 K2 = A2 X?2

J3 K2 K1 Y3 Y6 = A3

J1 Y4 Y8 = A4

K3 Y7 Y11 = A5 X3

K3 K1 = A5 X?3

Выведем логические выражения для каждого выходного сигнала

J1 = A0 A2 X1 X2 A4

J2 = A1

J3 = A2 X?2 A3

K1 = A1 A3 A5 X?3

K2 = A2 X?1 X2 A2 X?2 A3

K3 = A5 X3 A5 X?3= A5

Y2 Y5 = A0

Y10 Y12 = A1

Y3 Y6 = A3

Y4 Y8 = A4

Y7 Y11 = A5 X3

Построим схему

Размещено на Allbest.ru