Устройство управления синхронного цифрового автомата

Формат: doc

Дата создания: 12.04.2000

Размер: 75.92 KB

Скачать реферат


  1. Введение.

Характерная черта научно-технического прогресса, определяющего дальнейший мощный подъём общественно-технического производства: широкое внедрение достижений вычислительной и микропроцессорной техники во все отрасли народного хозяйства. Решение задач научно-технического прогресса требует применения средств вычислительной техники на местах экономистов, инженеров, экономического персонала.

В связи с постоянным возрастанием масштабов производства, усложнением экономических связей, требований научно-технической революции в народном хозяйстве всё больше возникают потребности в автоматизации и компьютеризации экономики страны, что является необходимым условием для выхода Украины на мировой рынок.

Особое значение получает разработка автоматических систем управления технологическими и производственными процессами и оснащения их роботами-манипуляторами, приборами управления и контроля.

Автоматизация и роботизация производства — замена человеческого труда трудом машин, автоматов и роботов позволяет во много раз повысить производительность труда и качество продукции. Внедрение автоматизации и роботизации позволяет во много раз повысить проводить различные работы в тех отраслях хозяйства, где использование человеческого труда является неприемлемым из-за опасности для жизни и здоровья рабочих. Кроме того, точность выполнения работы, производимой машиной намного выше точности работы, выполненной человеком, что делает необходимым применение роботов и автоматов при изготовлении миниатюрной и высокоточной продукции.

Но роботы и автоматы — всего лишь механизмы, приводимые в действие механической либо иным видом энергии. Очевидно, что для использования этих механизмов требуются специальные системы управления. До изобретения ЭВМ, эти функции возлагались либо на человека, либо на сложные и громоздкие механические системы, из-за чего редко удавалось достичь высокой точности, кроме того, это требовало больших затрат финансовых средств и энергии, что приводило к повышению себестоимости продукции.

Другой стороной научно-технического прогресса явилось развитие науки, которая является основой для роста новых технологий и видов производства, которые, в свою очередь, стимулируют развитие науки. Нетрудно понять, что с развитием науки, всё более усложняется суть явлений, рассматриваемых ею, а, поскольку практически любое явление можно анализировать при помощи математики, то усложняются и расчёты, выполняемые человеком.

Поэтому, ещё с древнейших времён человек старался облегчить процесс математических вычислений. Сначала для этих целей использовались 10 пальцев и подручные предметы, затем — счёты, и, наконец, с изобретения в XVII веке Блез Паскалем первой суммирующей и вычитающей машины, начинается история развития вычислительной техники. С разработкой в 1910 году первой ЭВМ удалось решить массу проблем, особенно в области математических и статистических расчётов, которые человек не мог осуществить с такой точностью и скоростью, которые обеспечивала вычислительная техника.

Первые поколения ЭВМ создавались а основе электронных ламп, затем — транзисторов, и, поэтому, из-за своей высокой стоимости не находили широкого применения.

Лишь в 1959 году, когда Р. Нойс изобрёл микросхему, значительно снизилась себестоимость, потребляемая мощность, габариты и сложность ЭВМ, что способствовало их популяризации и всеобщему распространению, особенно в сфере управления производством.

Достижения микроэлектронной технологии позволило значительно расширить возможности всех классов ЭВМ.

Простота и гибкость использования компьютеров, в большей мере обусловлена применением программного обеспечения, что позволяет быстро и с наименьшими затратами изменить предназначение ЭВМ.

До настоящего времени были разработаны 4 поколения ЭВМ, причём первые 3 уже не используются. Четвёртое поколение ЭВМ, созданное на основе сверхбыстрых БИС способно выполнять сотни миллионов операций в секунду.

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ ознаменовались созданием нового класса средств вычислительной техники — персональных компьютеров, в которых удачно сочетаются удобство, малые габариты, простота использования и широкая сфера применения со сравнительно низкой стоимостью.

Использование ПК во многих случаях позволяет повысить продуктивность и качество труда. Такие ЭВМ имеют довольно понятный интерфейс, благодаря чему работа с ними не требует особой подготовки. Широкий спектр программного обеспечения даёт возможность быстро изменить назначение данной ЭВМ.

Существует и быстро пополняется множество различных моделей персональных компьютеров. В новых моделях, которые предоставляются пользователю, возможности быстро расширяются, в первую очередь за счёт увеличения производительности процессоров, ёмкостей основной и внешней памяти, повышения качества и гибкости электронной графики, качества печати и т. д.

Сейчас, наряду с усовершенствованием персональных ЭВМ, широко ведутся разработки в области искусственного интеллекта, который позволил бы компьютеру самостоятельно принимать решения, не требуя при этом вмешательства человека.

Основой для разработки следующего (пятого) поколения ЭВМ станут всё большая миниатюризация и внедрение биотехнологий.

Принцип работы любой ЭВМ основан на проведении операций над числами, представленными двоичными (реже — двоично-десятеричными или другими) кодами в виде совокупности низких и высоких уровней напряжений или токов. Также, но значительно реже, встречаются ЭВМ, оперирующие аналоговой информацией. Поэтому на аппаратном уровне ЭВМ представлена двумя видами схем — комбинационными логическими схемами и цифровыми автоматами, структура которых зависит от того, какую из составных частей ЭВМ они реализуют и от назначения ЭВМ в целом.

При проектировании ЭВМ и вычислительных систем значительное внимание придают выбору операционных блоков АЛУ для реализации заданных логических и арифметических операций

Развитие электронной вычислительной техники, информатики и применения их средств и методов в народном хозяйстве, научных исследованиях, образовании и иных сферах человеческой деятельности является на данный момент приоритетным направлением развития научно-технического прогресса. Это приводит к необходимости широкой подготовки специалистов по электронным вычислительным машинам, системам и сетям, программному обеспечению и прикладной математике, автоматизированным системам обработки данных и управления, а также другим направлениям, связанным с интенсивным использованием вычислительной техники. Всем этим специалистам необходимы достаточно глубокие знания принципов построения и функционирования современных электронных вычислительных машин, комплексов, систем и сетей, микропроцессорных средств, персональных компьютеров. Такие знания необходимы не только специалистам различных областей вычислительной техники, но и лицам, связанным с созданием программного обеспечения и применением ЭВМ в различных областях, что определяется тесным взаимодействием аппаратных и программных средств ЭВМ, тенденций аппаратной интеграции системных и специализированных программных продуктов, что позволяет достичь увеличения продуктивности, надёжности, функциональной гибкости, большей приспособленности вычислительных машин и систем к эксплуатационному обслуживанию.

Заданием на данный курсовой проект является проектирование для некоторого цифрового автомата устройства управления на основе жёсткой логики, формирующего на десяти выходных шинах последовательности цифровых управляющих сигналов по заданным кодам микрокоманд.

  1. Общая часть.

Преобразование информации в ЭВМ производится электронными схемами двух типов: комбинационными схемами и цифровыми автоматами (накапливающими или последовательностными схемами).

Более сложный класс преобразователей дискретной информации составляют цифровые автоматы. ЦА в отличие от комбинационной схемы имеет некоторое конечное число различных внутренних состояний.

Под воздействием входного слова ЦА переходит из одного состояния в другое и выдаёт выходное слово. Выходное слово в такте на выходе ЦА в общем случае определяется входным словом, поступившем на вход автомата в этот такт и внутренним состоянием автомата, которое явилось результатом воздействия на автомат входных слов в предыдущие такты.

Комбинация входного слова и текущего состояния автомата в данном случае определяет не только входное слово, но и то состояние, в которое автомат перейдёт к началу следующего такта.

В ЭВМ в качестве элементарных автоматов используются главным образом триггеры. Особенности построения цифровых устройств связаны со способом передачи информации между логическими элементами.

Основные понятия теории автоматов.

В данной части курсового проекта будут рассмотрены некоторые виды цифровых автоматов, принципы их построения и их различия, в зависимости от вида. Углубленная проработка данного вопроса необходима для оптимального решения задания курсового проекта.

Термин автомат, как правило, используется в двух аспектах. В первом случае, автомат это устройство, выполняющее некоторыефункции без непосредственного участия человека. Исходя из этого определения, можно сказать, что ЭВМ — автомат, так как после загрузки программы и исходных данных ЭВМ решает заданную задачу без участиячеловека. Во втором случае, термин "автомат" как математическоепонятие обозначает математическую модель реальных техническихавтоматов. В этом аспекте автомат представляется как "чёрный ящик", имеющий конечное число входов и выходов и некоторое множество внутренних состояний Q = {q1(t), q2(t) ... qn(t)}, в которые он под воздействием входных сигналов переходит скачкообразно, т. е. практически мгновенно, минуя промежуточное состояние. Но это условие идеализированно, поскольку очевидно, что реальный переходный процесс длится конечное время.

Автомат называется конечным, если множество его внутреннихсостояний и множество значений входных сигналов — конечныемножества.

В практике часто используется понятие цифрового автомата,под которым понимают устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации.

Входные сигналы в цифровых автоматах представляются ввиде конечного множества мгновенных сигналов. В целях упрощения рассмотрения процессов, происходящих в цифровых автоматах, поскольку все события (состояния) должны относиться к фиксированному моменту времени t, то теоретически считают, что входные сигналы не имеют длительности, но реально это не так. Условно также принимается, что число выходных сигналов y(t) конечно и они возникают в результате действия входных сигналов.При этом следует учитывать, что одновременно с появлениемвыходного сигнала происходит скачкообразный переход автоматаиз состояния q1(t) в состояние q2(t).

П усть имеется цифровой автомат с одним входом:

Рис. 1. Абстрактный автомат с одним входоми одним выходом

Математической моделью цифрового автомата является абстрактный автомат, заданный совокупностью шести объектов:

1) конечное множество Х входных сигналов (входной алфавитавтомата):

Х={x1(t), x2(t) … хn(t)};

2) конечное множество Y выходных сигналов (выходной алфавит автомата):

Y={y1 (t), y2(t) … yk(t)};

3) произвольное множество Q состояний автомата:

Q={q1(t), q2(t) … qs(t)};

4) начальное состояние автомата q0, как элемент множества Q:

q0(t)Q;

5) функция(q, x) (функция перехода автомата из одного состояния в другое);

6) функция (q, х) (функция выходов автомата).

Через понятие "абстрактный автомат" реализуется некотороеотображение множества слов входного алфавита Х во множествослов выходного алфавита Y.

Понятие состояния автомата используется для описания систем,выходы которых зависят не только от входных сигналов в данныймомент времени, но и от некоторой предыстории, т. е. сигналов,которые поступили на входы системы ранее. Состояние автоматасоответствует некоторой памяти о прошлом, позволяя устранитьвремя как явную переменную и выразить выходные сигналы какфункцию состояний и входных сигналов.

Время для цифрового автомата имеет также важное значение. Для решения задач анализа и синтеза цифровых автоматов обычно вводится автоматное время. Функционирование автоматарассматривается через дискретные интервалы времени конечнойпродолжительности (интервал дискретности).

Существует два способа введения автоматного времени, покоторым цифровые автоматы делят на два класса. В синхронных автоматах моменты времени, в которых фиксируются изменениясостояний автомата, задаются специальным устройством — генератором синхросигналов, выдающим импульсы через равные промежутки времени (постоянный интервал дискретности). В асинхронных автоматах моменты перехода автомата из одного состояния вдругое заранее не определены и зависят от каких-то событий. В таких автоматах интервал дискретности является переменным.

Общая теория автоматов при сделанных выше допущенияхразбивается на две больших части — абстрактную теорию цифровых автоматов и структурную теорию автоматов. Различие между ними заключается в том, что в абстрактной теории мы отвлекаемся от структуры, как самого автомата, так и его входных и выходных сигналов.

Автоматы классифицируют по двум наиболее распространеннымпризнакам:

1. Объем памяти. Памятью автомата называют число его состояний.

2. Механизм случайного выбора. В детерминированных автоматах поведение и структура автомата в каждый момент времениоднозначно определены текущей входной информацией и состоянием автомата. В вероятностных автоматах они зависят от случайного выбора.

В теории автоматов установлено, что для осуществления различных преобразований информации совсем не обязательно каждыйраз строить новые автоматы: в принципе это можно сделать науниверсальном автомате с помощью программы и соответствующего кодирования.

В теории автоматов наиболее полно описаны синхронные автоматы. В зависимости от способа определения выходного сигнала всинхронных автоматах существует две возможности:

1) выходной сигнал y(t) однозначно определяется входнымсигналом x(t) и состоянием q(t-1) автомата в предшествующиймомент;

2) выходной сигнал y(t) однозначно определяется входнымсигналом x(t) и состоянием q(t) в данный момент времени. Следовательно, закон функционирования абстрактного автомата можетбыть задан следующим образом:

для автомата первого рода

q(t)=(q(t-1), х(t)),

y(t)=(q(t-1), x(t), t=1, 2…);

для автомата второго рода

q(t)=(q(y-1), x(t)),

y(t)=(q(t), x(t)), t=1,2...).

Для каждого автомата S второго рода существует эквивалентный ему абстрактный автомат R первого рода,функция выходов которого получается в результате подстановкифункции переходов автомата S в его сдвинутую функцию выходов:

1(q, x)=((q, х), x).

Для дальнейшего изложения примем, что произвольные автоматы первого рода будут называться автоматами Мили, а частный случай автоматов второго рода, для которыхсдвинутая функция выходов (q, х) не зависит от второй переменной хавтоматами Мура.

Закон функционирования автоматов Мура задается в виде:

q(t)=(q-1), x(t)),

y(t)=(q(t)).

В отличие от автомата Мили, выходной сигнал в автомате Муразависит только от текущего состояния автомата и в явном виде независит от входного сигнала.

Совмещенная модель автомата (C-автомат). Абстрактный C-автомат — математическая модель дискретного устройства, для которого заданы следующие параметры:

Q={q1 ... qs} множество состояний;

X={x1(t) ... xn(t)} входной алфавит;

Y={y1(t) ... yk(t)} выходной алфавит типа 1;

U={u1(t) ... um(t)} выходной алфавит типа 2;

:QXQ —функция переходов, реализующая отображение DQX в Q,

l:QXY —функция выходов, реализующая отображениеD1 QX наУ;

2:QU — функция выходов, реализующая отображениеD2 Q на U,

q0Q—начальное состояние автомата.

Р ис.2. Совмещённая модель автомата с одним входом и двумя выходами.

Абстрактный C-автомат можно представить в виде устройствас одним входом, на который поступают сигналы из входного алфавита X, и двумя выходами, на которых появляются сигналы извыходных алфавитов Y и U (рис. 2).

Отличие C-автомата от моделей Мили и Мура состоит в том, чтоон одновременно реализует две функции выходов 1 и 2, каждаяиз которых характерна для этих моделей в отдельности.

Примером ЦА могут служить многосчётчиковые бухгалтерские автоматы "Аската".

Автомат "Аската" относится к группе машин двухпериодного действия, — за первый период осуществляется набор цифр на клавиатуре, за второй — печать цифровых данных на бумаге и подсчёт чисел в счётчиках машины.

Технические характеристики и эксплуатационные данные автоматов: количество счётчиков, в зависимости от моделей — от 3 до 55, три из них — сальдирующие для сложения и сальдирования итогов и 52 — накапливающие счётчики (регистры), выполняющие вычитание до нуля. Отрицательное содержание этих счётчиков может быть записано дополнительным кодом. Все счетчики автомата имеют ёмкость 12-разрядного десятеричного арифметического числа. Максимальная ёмкость вводного устройства (цифровая клавиатура и наборная каретка) равна 10-разрядному числу. Программирование и управление автоматом осуществляется при помощи сменной шины управления, закреплённой на подвижной части каретки.

Итак, проанализировав вышеизложенную информацию можно определить возможную сферу применения проектируемого устройства: оно может быть использовано для формирования управляющих слов при исследовании какого-либо синхронного цифрового автомата, например на учебных лабораторных стендах, во-вторых, не исключена возможность применения данного устройства в системах автоматического управления технологическими процессами, где сигналы, снимаемые с выходной шины могут подаваться на различные механизмы и устройства, либо на входы ЦАП. Применение устройства в данной сфере удобно тем, что для начала процесса необходимо лишь запустить счётчик, а остальные операции будут производиться автоматически.

Кроме того, это устройство является наглядным примером возможностей использования автоматики и вычислительной техники в народном хозяйстве.

  1. Специальная часть.

3. 1. Определение задачи.

Из задания на курсовое проектирование определим суть задачи: для некоторого синхронного цифрового автомата необходимо спроектировать устройство управления на основе жёсткой логики, которое в соответствии с заданными кодами микрокоманд формирует на выходной десятиразрядной шине управляющую последовательность цифровых сигналов.

3. 2. Разработка структурной схемы проектируемого устройства.

Первым шагом проектирования устройства является разработка структурной схемы.

Цифровой автомат является синхронным цифровым устройством, сохраняющим своё значение в каждом такте. Следовательно, для запоминания состояния цифрового автомата в устройстве управления должно быть предусмотрено наличие запоминающих элементов — триггеров. Для формирования управляющих сигналов, которые выставляются на выходной шине устройства, в соответствие с кодом микрокоманды в состав УУ должна входить комбинационная логическая схема — шифратор.

Для обеспечения УУ автоматического последовательного переключения в 4 различные состояния, необходима схема, обеспечивающая формирование сигналов обратной связи, переводящие УУ в следующее состояние.

И сходя из определённых выше требований, структура УУ может выглядеть так:

3. 3. Разработка функциональной схемы устройства.

После определения структуры УУ и функций каждым элемента имеются все необходимые данные для разработки функциональной схемы устройства.

Из задания ясно, что УУ должно на выходной шине формировать управляющие последовательности кодов в соответствие с кодами микрокоманд. Следовательно, для разработки функциональной схемы необходимо определить коды микрокоманд и управляющих последовательностей по заданным преподавателем формулам.

Коды микрокоманд определяются по формулам:

Nmk1=Nж+20

Nmk2= Nmk1+2

Nmk3= Nmk2+2

Nmk4= Nmk3+2,

где Nж — номер студента по списку в журнале, Nmk1, Nmk2, Nmk3, Nmk4 — коды 4-х микрокоманд.

Итак, рассчитываем коды микрокоманд, исходя из того, что Nж=21:

Nmk1=21+20=41D=101001B,

Nmk2= 41+2=43D=101011B,

Nmk3= 43+2=45D=101101B,

Nmk4= 45+2=47D=101111B.

Состояния УУ фиксируются и сохраняются в параллельном 6-разрядном регистре, построенном на синхронных JK-триггерах, где вход J переводит триггер в состояние (Q=1,Q=0), а вход K — в состояние (Q=0,Q=1). Запись информации в триггер происходит при наличии сигналов либо на входеJ, либо на входе К триггера и лишь только в момент действия тактирующего импульса С (C=1). Также в триггерах имеются инверсные асинхронные входыS иR, которые используются при начальной установке триггеров в исходное состояние L1 (S=0), либо L0 (R=0). Поскольку входыR иS инверсные, то их срабатывание происходит в момент наличия на них сигнала, имеющего уровень L0. Так как эти входы асинхронны, то они позволяют устанавливать триггер в исходное состояние в любой момент времени, независимо от уровня тактового импульса C.

Сигналы обратной связи, определяющие следующее состояние регистра, формируются с помощью дешифраторов состояния регистра (ДС). Они выполняются на логических элементах И, причём единичный сигнал на выходе каждого ДС формируется в ответ на некоторую единственную входную комбинацию.

Начальное состояние регистра определяется кодом первой МК и фиксируется в регистре путем установки в состояние единицы соответствующих коду разрядов регистра. Установка производится сигналами логического нуля (L0) по асинхронным входамS. При этом на выходе дешифратора состояния регистра ДС1 формируется сигнал обратной связи, переводящий регистр в следующее заданное состояние, соответствующее коду микрокоманды Nmk2. В следующее состояние регистр переводится с подачей синхроимпульса. После этого формируется сигнал обратной связи уже на выходе дешифратора ДС2 и в регистр помещается код микрокоманды Nmk3 и т. д. Сигналом ДС4 регистр сбрасывается в состояние L0 по установочным входамR через инвертор, выполняющий также роль элемента задержки.

Шифратор представляет собой комбинационное устройство с шестью входами и десятью выходами, который преобразует коды состояния реги­стра в коды выходных управляющих сигналов.

Синхронизирующее устройство состоит из задающего генератора тактовой частоты ЗГ и ключа , обеспечивающего прохождение синхроимпульсов на регистр лишь после установки кодаNmk1. Ключевая схема состоит из асинхронного вспомогательного RS-триггера Т7 и элемента И. Триггер Т7 устанавливается в состояние L1 после подачи сигнала с ДС1 и отпирает ключ, выполненный на элементе И — сигналы с ЗГ поступают на тактовые входы регистра. Сигналом с ДС4 триггер сбрасывается в состояниеL0 и запирает ключ на элементе И, после чего прохождение СИ на тактовые входы регистра прерывается.

Как было определено выше, код первой микрокоманды Nmk1=101001B. Следовательно, начальное состояние устанавливается подачей сигнала нулевого уровня на S-входы триггеров Т1, Т4, Т6 (S1, S4, S6).

Н а входы дешифратора состояния регистра подаются сигналы прямых либо инверсных выходов триггеров, в зависимости от того, на каком из них в данный момент имеется уровень L0. Соответственно кодам состояния УУ, дешифраторы реализуют следующие функции:

Составим таблицу переходов:

Код состояния

Двоичный код состояния

Переход

Адрес подачи сигнала обратной связи

Начало

000000

041

Вх. S1, S4, S6

41

101001

4143

ДС1 – J2

43

101011

4345

ДС2 – J3, K2

45

101101

4547

ДС3 – J2

47

101111

470

ДС4 – R1, R2, R3, R4, R5, R6

Из записи двоичных кодов состояний 41 и 43, видно, что для перехода из состояния 41 в состояние 43 необходимо триггер второго разряда Т2 перевести в состояние L1 по входу J2. Сигналы обратной связи для остальных переходов определяются аналогичным образом. Следует отметить, что если на один из входов сигнал поступает несколько раз, то на этот вход ставится элемент ИЛИ с соответствующим количеством входов.

Далее необходимо разработать схему шифратора. На его вход подаются сигналы с выходов регистраQ1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, а на выходах формируются десятиразрядные кодовые управляющие последовательности.

Значения выходных сигналов определяются по формулам, заданной преподавателем. Формула имеет следующий вид:

УКП1=Nж+600,

УКП2= УКП1+1,

УКП3= УКП2+10,

УКП4= УКП3+100,

где УКП1, УКП2, УКП3, УКП4 — выходные кодовые последовательности. Определим их значения (как было указано выше, Nж=21):

УКП1=21+600=621D=1001101101B,

УКП2= 621+1=622D=1001101110B,

УКП3= 622+10=632D=1001111000B,

УКП4= 632+100=732D=1011011100B.

Составляем таблицу работы шифратора:

Код сост. рег.

X6

X5

X4

X3

X2

X1

Код упр. сигн.

Y10

Y9

Y8

Y7

Y6

Y5

Y4

Y3

Y2

Y1

41

1

0

1

0

0

1

621

1

0

0

1

1

0

1

1

0

1

43

1

0

1

0

1

1

622

1

0

0

1

1

0

1

1

1

0

45

1

0

1

1

0

1

632

1

0

0

1

1

1

1

0

0

0

47

1

0

1

1

1

0

732

1

0

1

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Таким образом, получение табличное задание логических функций Y10...Y1. Для их реализации их можно представить в алгебраической форме и, по возможности минимизировать с помощью диаграмм Вейча.

Однако, после детального рассмотрения таблицы можно прийти к выводу, что некоторые из функций являются весьма простыми и не требуют дальнейшей минимизации. Так, видно, что состояние выходного сигнала Y10соответствует состоянию входных сигналов X1, X4 и X6. Примем Y10=X1. Далее, видно, что выходной сигнал Y9 не меняется на протяжении всех тактов и имеет значение L0, тогда Y9=0. Сигнал Y7всегда равен сигналуY10: Y7= Y10. Из сопоставления сигналовY8 и Y6видно, чтоY6=Y8и Y6=0в случае сброса устройства, тогда: Y6=Y8X1. Также можно утверждать, что Y5=X3.

Переключательные функции же для сигналов Y1, Y2, Y3, Y4 и Y8необходимо минимизировать при помощи карт Карно. Для этого необходимо составить карту Карно размером 88 ячеек, поскольку значения выходных сигналов зависят от 6-ти переменных, то X3X2X1откладывают по столбцам, а X6X5X4 — по строкам.

Строим карту Карно для переменной Y1:

011
010
000
001
101
100
110
111
011
x
x
x
x
x
x
x
x
010
x
x
x
x
x
x
x
x
000
x
x
0
x
x
x
x
x
001
x
x
x
x
x
x
x
x
101
0
x
x
1
0
x
x
0
100
x
x
x
x
x
x
x
x
110
x
x
x
x
x
x
x
x
111
x
x
x
x
x
x
x
x
K1=X3X2 X1;
Y1= K1=X3X2 X1.
Строим карту Карно для сигнала Y2:

011
010
000
001
101
100
110
111
011
x
x
x
x
x
x
x
x
010
x
x
x
x
x
x
x
x
000
x
x
0
x
x
x
x
x
001
x
x
x
x
x
x
x
x
101
1
x
x
0
0
x
x
0
100
x
x
x
x
x
x
x
x
110
x
x
x
x
x
x
x
x
111
x
x
x
x
x
x
x
x
K1=X3 X2;

Y2= K1=X3X2.

С троим карту Карно для сигнала Y3:
011
010
000
001
101
100
110
111
011
x
x
x
x
x
x
x
x
010
x
x
x
x
x
x
x
x
000
x
x
0
x
x
x
x
x
001
x
x
x
x
x
x
x
x
101
1
x
x
1
0
x
x
1
100
x
x
x
x
x
x
x
x
110
x
x
x
x
x
x
x
x
111
x
x
x
x
x
x
x
x

K1= X2;

K2=X3X2 X1;

Y3 = K1+ K2= X2+X3X2 X1.

Строим карту Карно для переменной Y8и минимизируем её:

011
010
000
001
101
100
110
111
011
x
x
x
x
x
x
x
x
010
x
x
x
x
x
x
x
x
000
x
x
0
x
x
x
x
x
001
x
x
x
x
x
x
x
x
101
0
x
x
0
0
x
x
1
100
x
x
x
x
x
x
x
x
110
x
x
x
x
x
x
x
x
111
x
x
x
x
x
x
x
x

K1= X3 X2;

Y1= K1= X3 X2.

Следует отметить, функции Y1и Y3 имеют общий минтермX3X2 X1, поэтому Y3 можно выразить как Y3= X2+ Y1.

Т аким образом получены следующие логические функции всех выходных сигналов шифратора, имеющие вид:

Т еперь, по полученным логическим функциям можно построить шифратор.

3. 3. Разработка принципиальной схемы устройства.

После построения функциональной схемы устройства необходимо реализовать его на стандартных элементах, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью.

Для разработки принципиальной схемы необходимо использовать стандартные промышленные микросхемы, такие как: JK-триггеры с инверсными асинхронными входами, а также простейшие логические микросхемы, содержащие элементы, реализующие основные функции булевой алгебры: логические элементы И, ИЛИ, а также элемент ИЛИ-НЕ, реализующий функцию Пирса и инверторы. Для индикации состояний устройства применены светодиоды и семисегментный светодиодный индикатор. В качестве средств управления УУ применяются микропереключатели и микрокнопки. В связи с многообразием различных серий стандартных микросхем, в составе которых содержатся вышеуказанные необходимые микросхемы, отличающихся по своим техническим характеристикам, и технологии изготовления при неизменности своих функциональных возможностей, более подробно осветим вопрос выбора и обоснования элементной базы.

3. 4. Подбор элементной базы.

При выборе микросхем для реализации принципиальной схемы разработанного устройства был проведен анализ параметров микросхем различных серий и структур, выпускаемой отечественной промышленностью.

На сегодняшний день выпускается множество серий цифровых микросхем, основным различием которых является тип применяемой логики. Вообще различают такие основные технологии: резисторно-связная логика (РСЛ), эмиттерно-связная логика (ЭСЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и др.

В результате проведенного анализа было принято решение о целесообразности применения в данном устройстве микросхем технологии ТТЛ, поскольку функциональный набор микросхем данной структуры содержит все необходимые элементы для разработанной схемы. Ещё одно достоинство этой структуры состоит в том, что напряжение питания для всех серий микросхем ТТЛ одинаково, что упрощает решение вопроса питания всего устройства.

Следующим этапом подбора элементной базы являлся анализ непосредственно серий микросхем ТТЛ по их основным параметрам. В нижеследующей таблице приведены характеристики основных параметров микросхем различных серий:

Параметры

Серии

К134

К155

К531*

К555*

Напряжения питания, В

5

5

5

5

Время задержки распространения сигнала, нс

33

10

3

10

Потребляемая мощность, мВт

1

10

20

2

Емкость нагрузки, пФ

50

15

15

15

Энергия переключения, пДж

33

100

60

20

Нагрузочная способность,

10

10

10

20

После проведенного анализа было принято решение о применении для разработанного устройства микросхем серии К555. Такое решение основано на наибольшей нагрузочной способности, наименьшей энергии переключения и малой потребляемой мощности, что делает применение этой серии по сравнению с аналогами серий К134, К155 и К531 наиболее экономичным.

Далее приведены основные технические характеристики, принципиальные схемы и количество необходимых микросхем, примененных в данном устройстве.

JK-триггер с инверсными асинхронными входами.

П рименён в блоке триггеров. Микросхема К555ТВ9 в количестве 3 штук.

Тип корпуса

238.16-1

Мин. вых. напр. высокого уровня

2,7 В

Макс. вых. напр. низкого уровня

500мВ

Макс. вх. ток высокого уровня

80мкА

Макс. вх. ток низкого уровня

800мкА

Макс. ток потребления

8мА

Напр. питания

Технология

ТТЛШ

Элемент 2ИЛИ.

П рименяется в схеме шифратора. Микросхема К555ЛЛ1. Содержит 4 элемента 2ИЛИ. Необходимое количество — 1 штука.

Тип корпуса

201.14 - 1

Напряжение питания

Макс. ток низкого уровня

4,4мА

Макс. ток высокого уровня

1,6мА

Макс. вых. напряжение низкого уровня

0,5В

Мин. вых. напряжение высокого уровня, В

2,7

Макс. вх. ток низкого уровня

0,36мА

Тип корпуса

201.14-1

Технология

ТТЛШ

Макс. вх. ток высокого уровня

0,02мА

Диапазон рабочих температур

-10 - + 70С

Масса

1г.

Элемент 4И.

Применяется в качестве дешифратора состояния регистра. Микросхема К555ЛИ6. Необходимое количество — 4 штуки. 1 микросхема содержит 2 элемента . Соединение элементов для получения необходимой функции осуществляется следующим образом:

П ринципиальная схема микросхемы имеет следующий вид:

Тип корпуса

201.14-8

Мин. вых. напр. высокого уровня

2,7 В

Макс. вых. напр. низкого уровня

500мВ

Макс. вх. ток высокого уровня

20мкА

Макс. вх. ток низкого уровня

360мкА

Макс. ток потребления

2,4мА

Напр. питания

Элемент НЕ.

П рименяется в схемах шифратора, а также как элемент задержки (на выходе ДС4) и в других целях. Микросхема К555ЛН1. Необходимое количество — 1 штука. 1 микросхема содержит 6 элементов НЕ с открытым коллектором. Принципиальное обозначение схемы представлено ниже:

Технология

ТТЛШ

Тип корпуса

201.14-8

Мин. вых. напр. высокого уровня

2,7 В

Макс. вых. напр. низкого уровня

500мВ

Макс. вх. ток высокого уровня

20мкА

Макс. вх. ток низкого уровня

400мкА

Макс. ток потребления при высоком уровне вых. напр.

2,4мА

Макс. ток потребления при низком уровне вых. напр.

6,6мА

Напр. питания

Элемент 2И.

П рименяется в схеме шифратора и в качестве ключа в схеме ЗГ. Микросхема К555ЛИ1. Содержит 4 элемента . Для построения схемы необходимы 2 микросхемы. Ниже приведены принципиальная схема и технические характеристики микросхемы.

Технология

ТТЛШ

Тип корпуса

201.14 - 1

Напряжение питания

5

Макс. ток низкого уровня

не более 8,8

Макс. ток высокого уровня

не более 4,4

Макс. вых. напряжение низкого уровня

не более 0,5

Мин. вых. напряжение высокого уровня, В

не менее 2,7

Макс. вх. ток низкого уровня

не более -0,36

Макс. вх. ток высокого уровня

не более 0,02

Диапазон рабочих температур

-10 - + 70С

Масса

1г.

Асинхронный RS-триггер.

Применяется в ключевой схеме ЗГ. Микросхема К555ТР2. Содержит 4 асинхронных RS-триггера с инверсными входами. Необходимое количество — 1 штука. Сигналы будем подавать на входы второго триггера (R2иS2).Принципиальная схема микросхемы и её технические характеристики таковы:

Т ехнология

ТТЛШ

Тип корпуса

238.16-2

Мин. вых. напр. высокого уровня

2,7 В

Макс. вых. напр. низкого уровня

500мВ

Макс. вх. ток высокого уровня

20мкА

Макс. вх. ток низкого уровня

400мкА

Макс. ток потребления

7мА

Напр. питания

Диапазон рабочих температур

-10 - + 70С

Питание к микросхемам, К555ЛЛ1, К555ЛИ1, К555ЛН1, К555ЛИ6 подводится: общий — 7, +5В — 14;

к микросхемам К555ТВ9, К555ТР2 — общий — 8, +5В — 16.

Также для контроля и управления работой устройства использованы:

Светоизлучающие диоды АЛ 307;

Семисегментный светодиодный индикатор АЛС324;

Переключатель МТ1;

Кнопка МП1.

4. Расчётная часть.

На этом этапе проектирования будет произведён расчёт надёжности устройства, которая является одним из важнейших параметров функционирования любого электронного устройства.

В целом надёжность устройства определяется надёжностью каждого элемента отдельно. Под надежностью понимают свойство того или иного объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующие нормальную работоспособность объекта.

Отказом называется полная или частичная утрата работоспособности прибором. Главной частью понятия надёжности является понятие безотказности. Безотказностью называют свойство прибора сохранять работоспособность в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации.

Увеличение уровня интеграции интегральных микросхем ведет к повышению надежности устройств за счет сокращения главным образом паяных и контактных соединений, надежность которых на один-два порядка ниже по сравнению с надежностью соединений в корпусе ИС. Причем по мере совершенствования технологии число отказов ежегодно падает на 50-70 %. Современные полупроводниковые ИМС выдерживают эксплутационные нагрузки в следующих пределах: по температуре от -196 до +200С по вибропрочности и виброустойчивости - до 100 в диапазоне частот (2...5)*103 Гц. Надежность обеспечивается техническими и организационно-техническими мерами. Технические меры обеспечения надежности содержат два основных направления: обеспечение надежности ИС и конструкций РЭА. Организационно-технические меры включают в себя проектные мероприятия.

Количественная оценка надежности производиться с помощью различных параметров. Чаще всего используется интенсивность отказов .

Данные о надежности ИМС определяются по формуле:

=10-10(413+6,66Х+1,03У)[Ч-1];

где Х — число элементов в МС, У — число выводов в ИМС.

Если время выражать в часах, то единица будет час в минус первой степени. Таким образом, интенсивность отказов определяется как относительное число элементов, отказавших за один час работы. Также необходимо учесть надежность соединений:

соединения контактные 10-7 ч-1;

соединение пайкой 10-9 ч-1;

провода печатные или обычные в расчете на 1мм —10-9 ч-1.

Для определения надежности спроектированного устройства необходимо знать надежность всех использованных микросхем. Воспользовавшись формулой определяют отдельно надежность каждой микросхемы:

К555ЛИ1: =10-10(413+6,664+1,034) 4,410-8 ч-1;

К555ЛЛ1: =10-10(413+6,664+1,034) 4,410-8 ч-1;

К555ЛН1: =10-10(413+6,666+1,036) 4,410-8 ч-1;

К555ТВ9: =10-10(413+6,662+1,034) 4,410-8 ч-1;

К555ТР2: =10-10(413+6,664+1,034) 4,410-8 ч-1;

К555ЛИ6: =10-10(413+6,662+1,032) 4,410-8 ч-1.

Для получения надежности всей схемы необходимо сложить все полученные результаты по расчетам надежности микросхем, получив тем самым общий показатель интенсивности отказов данного проектируемого устройства:

=4,4*10-8*2+4,4*10-8+4,4*10-8+4,4*10-8*3+4,4*10-8+4,4*10-8* *4=52,8*10-8=5,28*10-7ч-1.

Поскольку надежность проводов, дорожек печатного монтажа и соединения пайкой выше надежности микросхем на один-два порядка, то ею можно пренебречь, общая надежность узла полностью определяется величиной надежности ИМС и радиоэлементов.

*

* Микросхемы ТТЛШ технологии.