Разработка управляющего устройства с жесткой логикой

 

 

ЗАДАНИЕ

 

на курсовую работу по дисциплине

«Аналоговая и цифровая электроника»

 

 

ТЕМА: Разработка управляющего устройства с жесткой логикой.

 

 

Разработать схему памяти, преобразователь кодов, схему начальных установок, генератор импульса.

 

 

ЦЕЛЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ: закрепить и углубить теоретические знания по дисциплине, а также дать навыки в разработке цифровых устройств на современной элементной базе.

 

Исходные данные

 

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	4	5	15	0	9	11	6	10	8	1

 

Серия ИМС – 134. Разрешенные элементы: ЛА3, ЛА4, ТМ2, ft,=2,1МГц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ 1. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 2. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОДОВ      2.1. Составление таблицы истинности      2.2. Определение булевых функций и их минимизация      2.3. Проверка правильности работы схемы формирователя      2.4. Определение числа логических элементов и триггеров 3. РАСЧЕТ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСОВ 4. РАСЧЕТ СХЕМ НАЧАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 5. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ СХЕМЫ ПРИЛОЖЕНИЯ:                                1. Схема автомата                                2. Спецификация                                3. Временные диаграммы

4 5 5 6 7 9 9 11 12 14   15      16      17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время, благодаря бурному развитию микроэлектроники, все более широкое применение находят цифровые устройства. Они проникли в вычислительную технику, спутниковую связь, радиолокацию, телевидение, системы радио и проводной связи. Важным фактором, определяющим широкое внедрение цифровых устройств, является их экономическая эффективность, которая, в первую очередь, определяется технологичностью и относительной простотой эксплуатации. В современной технике связи импульсные и цифровые устройства все больше вытесняют аналоговые. Поэтому эффективное применение и грамотная эксплуатация техники связи невозможна без знания принципов построения и понимания логики работы цифровых устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор структурной схемы

Формирование десяти четырехразрядных кодовых комбинаций, появляющихся на выходе в соответствии с заданием, можно осуществить с помощью устройства, структурная схема которого приведена на рис. 1.

Управляющее устройство содержит:

схему формирования кодов;

схему установки начального состояния;

генератор импульсов.

Схема формирования кодов предназначена для получения на выходах устройства управления кодовых последовательностей.

Схема установки начального состояния обеспечит установку перед началом работы первой заданной кодовой комбинации.

Генератор служит для формирования последовательности прямоугольных импульсов, следующих с заданной частотой, которые будут управлять схемой формирования кодов

2. Разработка схемы формирования кодов.                                                                                             

Схема формирования кодов может быть построена на основе десятичного счетчика импульсов с заданной последовательностью смены состояний. Основу такого счетчика составляют четыре D-триггера (рис. 2) и набор логических элементов.

Триггеры фиксируют на выходе кодовую комбинацию, а логические элементы  обеспечат  смену в заданной последовательности. Первая кодовая комбинация - 0000 устанавливается с помощью  специальной схемы установки начального состояния. В дальнейшем с приходом каждого импульса от генератора триггеры будут менять свои состояния в соответствии с заданием.

2.1. Составление таблицы истинности

Логику работы схемы формирования кодов представим таблицей  №1

 

Номер набора	Q3n	Q2n	Q1n	Q0n	Q3n+1	Q2n+1	Q1n+1	Q0n+1
4	0	1	0	0	0	1	0	1
5	0	1	0	1	1	1	1	1
15	1	1	1	1	0	0	0	0
0	0	0	0	0	1	0	0	1
9	1	0	0	1	1	0	1	1
11	1	0	1	1	0	1	1	0
6	0	1	1	0	1	0	1	0
10	1	0	1	0	1	0	0	0
8	1	0	0	0	0	0	0	1
1	0	0	0	1	0	0	1	0
2	0	0	1	0	Ф	Ф	Ф	Ф
3	0	0	1	1	Ф	Ф	Ф	Ф
7	0	1	1	1	Ф	Ф	Ф	Ф
12	1	1	0	0	Ф	Ф	Ф	Ф
13	1	1	0	1	Ф	Ф	Ф	Ф
14	1	1	1	0	Ф	Ф	Ф	Ф

 

 

 

 

Таблица определяет порядок смены состояний триггеров. Наборы 3, 4, 5, 7, 13, 15 не используются, поэтому их считаем факультативными.

 

Определение булевых функций и их минимизация

По табл. 2 для каждого выхода запишем булевы функции и факультативные наборы: Q3n+1 = Σ (5, 0, 9, 6, 10);

 Q2n+1 = Σ (4, 5, 11);

 Q1n+1 = Σ (5, 9, 11, 6, 1);

 Q0n+1 = Σ (4, 5, 0, 9, 8).

 

Запишем полученные булевы функции в алгебраической форме, используя с целью упрощения следующие обозначения: Q3n+1 = D3, Q2n+1 = D2, Q1n+1 = D1,  Q0n+1 = D0,

Q3n = A,  Q2n = B,  Q1n = C, Q0n = E.

Тогда получаем:

D3 = ABCE + ABCE + ABCE + ABCE + ABCE;

D2 = ABCE + ABCE + ABCE;                              (12)

D1 = ABCE + ABCE + ABCE + ABCE + ABCE;

D0 = ABCE + ABCE + ABCE + ABCE + ABCE.

Проведем  минимизацию полученных булевых функций (12) с применением карт Карно и Ф

учетом факультативных условий (рис. 11)

 

 

В результате оптимального объединения покрытий получаем булевы функции:

D3 =  CE + ACE + ABE + EAB;

D2 =  BC + CEB;                                                  (13)

D1 =  AB + ACE + CEB + CEA;

                                D0 =  CE + ABC

Для реализации булевых функций (13) требуются логические элементы 2И, 3И, 2ИЛИ, 3ИЛИ.

По заданию разрешено использовать только элементы 2И-НЕ, 3И-НЕ. Преобразуем полученные выражения (13) с помощью теоремы де Моргана к виду, удобному для реализации в базисе И-НЕ:

D3 =  CE * ACE * ABE * EAB;

D2 =  BC * CEB;                                                  (14)

D1 =  AB * ACE * CEB * CEA;

D0 =  CE * ABC.

Проверка правильности работы схемы формирователя

  Для проверки правильности работы формирователя, логика функционирования которого описывается системой уравнений (14), построим его упрощенную схему (рис. 12). Анализируя работу логических элементов, нетрудно показать, что кодовая комбинация 0010 преобразуется в 0110, а в следующем такте 0110 дает на выходе 1000, что соответствует заданию. Чтобы полностью убедиться в правильности работы схемы формирователя, проверим все десять кодовых комбинаций. Если схема работает в соответствии с заданием, то в процессе минимизации и приведении булевых функций к заданному базису не допущено ошибок и система уравнений (14) действительно описывает логику работы формирователя кодов.

Определение числа логических элементов и триггеров

Для построения схемы формирования кодов на элементах 2И-НЕ, 3И-НЕ, ТМ2 необходимо иметь:

 

D-триггеры – 4 шт.;

2И-НЕ          – 8 шт.;

3И-НЕ          – 6 шт.

 

Условное графическое изображение разрешенных микросхем приведено на рис. 13.

 
  

Как видно из рисунка в одном корпусе микросхемы

К133ЛА3 – 4 элемента 2И-НЕ;

К133ЛА4 – 3 элемента 3И-НЕ;

К133ТВ9 – 2 D-триггера.

Поэтому для построения схемы формирования кодов выбираем следующие микросхемы:

К133ЛА3 – 2 шт.;

К133ЛА4 – 2 шт.;

К133 ТВ9 – 2 шт.

3. Расчет схемы генератора импульсов

По заданию на выходе формирователя коды должны меняться с частотой 1,3 МГц. Для этого на синхровходы триггеров необходимо подавать последовательность прямоугольных импульсов с частотой 1,3 МГц.

Такие импульсы можно получить с помощью мультивибратора, собранного на логических элементах  2И-НЕ. Один из возможных вариантов такой схемы приведен на рис. 6.

Частота импульсов на выходе такого генератора определяется выражением                               ,

где С – величина емкости конденсатора в цепи обратной связи в фарадах;

       R− сопротивления резистора выбирают для микросхем ТТЛ-типа в пределах 300-500 Ом, а для КМОП-типа порядка 10 кОм [1].

 

 

Таким образом, для построения схемы генератора выбираем еще одну микросхему К133ЛА3 и производим расчет элементов цепи обратной связи. Прежде всего, определяем сопротивление резистора, исходя из допустимых значений, равным 390 Ом и выбираем резистор

ОМЛТ - 0,25 - 390 Ом  5%.

По заданной частоте определяем емкость конденсатора

С = 1/(2,2*R*f) =1/(2,2*390*2,1*106) = 555 пФ

КТ1 – 5 – 590 пФ ± 5%

Выбираем низковольтный высокочастотный полистирольный конденсатор

 

4. Расчет схемы начальной установки

После включения питания триггеры формирователя могут оказаться в произвольном состоянии. Для обеспечения нормальной работы устройства управления необходимо перед включением питания отключить от синхровходов триггеров генератор импульсов, поставив тумблер “ГЕНЕРАТОР” в положение - выключено. С помощью специальной кнопки установить триггеры в состояние, соответствующее первой заданной комбинации. Поскольку в задании первая комбинация 0000, а установочные входы триггеров инверсные, то для приведения триггеров в нулевое состояние необходимо на входы R подать 0. После установки (отпускания кнопки) на эти входы должна подаваться 1. Неиспользуемые установочные входы (в данном случае входы S) подключаем к источнику питания. После установки исходной кодовой комбинации тумблер SA1 поставить в положение включено.

В качестве формирователя импульсов от механических контактов кнопки можно использовать одну из двух схем, приведенных на рис. 7.

 

Схему формирователя импульсов (рис. 7, а) рекомендуется использовать в том случае, когда разрешено использовать логические элементы ЛА3 или ЛЕ5. Если формирователь кодов строится на логических элементах ЛН, ЛЛ и ЛИ, тогда используется схема, представленная на рис. 7, б. Поскольку в данной методичке рассматривается вариант курсовой работы, когда разрешены для применения логические элементы ЛА3, то будет использован первый вариант схемы. Для построения данной схемы необходимы два элемента 2И-НЕ. В данном случае нет необходимости брать еще один корпус К133ЛА3. При построении схемы формирователя останутся  неиспользованными два элемента 2И-НЕ. Используя эти элементы, построим схему RS-триггера с инверсными установочными входами рис. 7, а. Сопротивление резисторов R1, R2 для микросхем ТТЛ типа рекомендуется брать порядка 1 кОм (для микросхем 176 и 561 серий – 10 кОм), поэтому выбираем

ОМЛТ - 0,25 - 1 кОм  5%.

5. Описание принципа работы управляющего устройства

После окончания всех расчетов необходимо приступить к оформлению графических документов. Прежде всего, следует вычертить принципиальную схему и спецификацию элементов к ней, а также временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Примеры оформления графических документов приведены в приложениях 7, 8 и 9. Затем по принципиальной схеме с учетом принятых обозначений произвести описание работы автомата в следующей последовательности:

а) перечислить основные устройства схемы, указать  номера микросхем в соответствии со спецификацией элементов, на которых они построены;

б) порядок подготовки устройства к работе и установки исходного состояния;

в) запуск управляющего устройства;

г) описать работу схемы управляющего устройства по формированию на выходах заданных кодовых комбинаций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Спецификация

№ п\п

Позиционное обозначение

Наименование

Кол.

Примечание

1

С1

Конденсатор КТ1 – 5 – 590 пФ ± 5%

1

Микросхемы

2

D1 – D3

К133ЛА3  бко.348.004 ТУ

3

3

D4 – D6

К133ЛА4  бко.348.004 ТУ

3

4

D7 – D8

К133ТВ9  бко.348.004 ТУ

2

Резисторы

5

R1

ОМЛТ – 0,25 – 390 Ом ± 5 %

1

6

R2, R3

ОМЛТ – 0,25 – 1,0 кОм ± 5 %

2

7

SA1

Тумблер МКТ 1.1

1

8

SB1, SB2

Кнопка МКД 1.1

2

9

XS1, XS2

Разъем 3а 3.647.084

2

Изм.

Лист

№ док

Подпись

Дата

Разработал

Добров А.А.

Устройство управления   Перечень элементов

Литера

Лист

Листов

Проверил

Журбин Е.Г.

1

1

Н. контроль

Утвердил