Разработка генератора последовательности двоичных слов

 

 

Оптимальным вариантом в выборе функциональной схемы является построение ГК, БКС, БС на  основе ПЛМ. Микросхемы ПЛМ  позволяют объединить несколько  функциональных узлов в одном корпусе, что существенно сокращает аппаратные затраты.

3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ

3.1 Выбор элементной  базы

Выбор элементной базы является определяющим этапом проектирования, поскольку функциональные возможности, быстродействие, конструктивное исполнение, энергопотребление и стоимость элементов отражаются на технико-экономических показателях устройства.

В таблице 8 приведены для сравнения типовые электрические характеристики ИС общего назначения со средней степенью интеграции, в которой приняты обозначения:

          U_CC -номинальное напряжение питания;

P_CC/ЛЭ -мощность потребления типового логического элемента;

t_Pav -среднее время задержки распространения;

P_CC´ t_Pav -работа переключения;

F_max - максимальная частота переключения счетного триггера.

         Таблица 8

Техно-	Схемо-	Серия	Электрические параметры					Зарубеж-
логия	техника		UCC В	PCC/ЛЭ мВт	tPav нс	PCC´ tPav пДж	Fmax МГц	ный аналог
Бипо-	ТТЛ	К155, К133	5	10	10	100	35	SN74
лярная	ТТЛШ	КР531		19	3	57	125	SN54S/74S
		КР1531		4	2	8	130	74F (FAST)
		К555		2	9,5	19	45	SN54LS/74LS
		КР1533		1	4	4	100	SN54ALS/74ALS
	ЭСЛ	К500	-5,2	25	2	50	125	MC10000
		К1500	-4,5	40	0,75	30	300	F100K
Уни-	КМДП	К561	3…15	0,0025	45	0,1	10	CD4000A
поляр-		К176	5…10	на	10	0,025	30	54HC
ная		КР1561	3…18	1 МГц	3,5	0,008	125	74AC (FACT)
	ПТШ	К6500	4, -2,45	3…6	0,1	0,3…0,6	1000	10G000

 

Согласно техническому заданию тактовая частота генератора кодов составляет 1280 кГц, напряжение питания 5±0,25В и рабочий диапазон температуры окружающей среды – от 10°С до 60°С.

 

Условиям проектируемого устройства наиболее полно отвечают микросхемы серий К555, которые достаточно быстродействующие (t_зд.р 10 нс), обладают не самой высокой из приведённых потребляемой мощностью.

В принципиальной схеме функциональные узлы представляются конкретными микросхемами серии.

Так как генератор кодов принимает 10 состояний, то для его работы необходим двоично-десятичный счётчик. Таким счётчиком является реверсивный счётчик К555ИЕ6. УГО счётчика приведено на рисунке 22.

Рисунок 22 – УГО элемента К555ИЕ6

Приведём основные параметры счётчика в таблице 9.

      Таблица 9

В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,9	≤0,4	≤0,05	≤31	47	40

 

ПЛМ будет представлена микросхемой  КР556РТ2(рисунок 23), имеющей 16 входов, 48 конъюнкций и 8 выходов. Микросхема выполнена по схемотехнологии ТТЛШ.

 

Рисунок 23 – УГО элемента КР556РТ2

Основные  параметры ПЛМ приведены в  таблице 10.

                  Таблица 10

Информационная ёмкость, бит	t , нс	Icc, мА	, В	Выход	Р ,мВт
16 входов, 8 выходов, 48 конъюнкций	50	170	5±5%	ТС	≤900

 

 

 

 

Микросхема К555ИР23 (рисунок 24) - это восьмиразрядный параллельный регистр, который будет запоминать в устройстве предшествующую  комбинацию.

Рисунок 24 – УГО элемента К555ИР23

Основные  параметры микросхемы приведены  в таблице 11.

     Таблица 11

В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,4	≤0,4	≤0,02	≤45	40	45

Вычитатель и преобразователь кода будут строиться на двух микросхемах К555ИМ6 (четырёхразрядные сумматоры) и на одной микросхеме К555ИМ5, которая содержит два одноразрядных сумматора (рисунок 25). 

Рисунок 25 –  УГО элементов К555ИМ5 и К555ИМ6

Основные параметры  микросхем К555ИМ6 и К555ИМ5 приведены в таблице 12.

    Таблица 12

В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,7	≤0,8	≤0,04	≤39	24	24

 

УГО элементов К555ЛИ1, К555ЛИ6, К555ЛЛ1, К555ЛН1, К555ЛП5 приведены на рисунке 26.

 

Рисунок 26 –  УГО элементов К555ЛИ1, К555ЛИ6, К555ЛЛ1, К555ЛН1, К555ЛП5

 

Основные параметры микросхем  К555ЛИ1, К555ЛИ6, К555ЛЛ1, К555ЛН1, К555ЛП5 приведены  в таблице 13.

       Таблица 13

К555ЛИ1
В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,7	≤0,36	≤0,02	≤6,6	24	24
К555ЛИ6
В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,7	≤0,36	≤0,02	≤3,4	24	24
К555ЛЛ1
В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,7	≤0,36	≤0,02	≤8	22	22
К555ЛН1
В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,7	≤0,36	≤0,02	≤2,25	20	20
К555ЛП5
В	В	мА	мА	мА	нс	нс
≤0,5	≥2,7	≤0,86	≤0,04	≤10	30	30

 

3.2 Выбор схемы и  расчет генератора тактовых импульсов

 

ГТИ служит в устройстве для формирования синхросигналов с заданной частотой. Простой и надежный автогенератор импульсов можно построить на ИС триггера Шмита (ТШ), обладающего гистерезисной передаточной характеристикой. К ним относится, например, ИС К555ТЛ2 (рисунок 27) в серии ТТЛШ которая характеризуются нижним и верхним порогами переключения при питающем напряжении 5В: . Среднее время задержки распространения =22 нс. Входной ток низкого уровня ≤0,36 мА. Входной ток высокого уровня ≤0,02 мА. Средний ток потребления =8 мА.

 

 

                           а)               б)

Рисунок 27 -  ГТИ на основе триггера Шмитта: а)- УГО микросхемы К555ТЛ2,

б)- Схема ГТИ

Схема ГТИ на триггерах Шмитта включает времязадающую RC-цепь в обратной связи (рисунок 27 б). Работа устройства основана на процессе перезаряда и заряда емкости С.

После включения питания U_c(0)=0, поэтому на выходе ТШ (D1) устанавливается высокий уровень напряжения близкий к питанию U_cc (рисунок 28).

Рисунок 28 -  Временные диаграммы  напряжений

 

Ввиду разности потенциалов через резистор R протекает ток, заряжающий конденсатор С по экспоненте. Заряд продолжается, пока U_c не достигнет верхнего

 

порога переключения ТШ (точка 1 на рисунке 28). Тогда ТШ переключается и на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения, начинается процесс экспоненциального разряда конденсатора С через резистор R. Разряд продолжается до тех пор, пока U_c не достигнет нижнего порога переключения ТШ . После чего ТШ вновь переключится и на его выходе установится высокий уровень напряжения. Далее процесс повторяется.

Второй инвертор D2 в схеме выполняет  функции буфера для исключения влияния  нагрузки на частоту генерируемых импульсов.

После включения питания схема  приходит в рабочее состояние, когда  напряжение на конденсаторе С периодически изменяется между двумя порогами с частотой:

Работоспособность генератора на ИС К555ТЛ2 предполагает выполнение условия:

где I_IL – входной ток низкого уровня, предполагающего выбор сопротивления резистора R не более 1,5 кОм.

Выберем из ряда Е24 резистор сопротивлением 1кОм металлодиэлектрического типа (С2-23) с номинальной мощностью 0,125 Вт. Его рабочий температурный диапазон от -55 до 125 , что приемлемо для условия задания.  Частота ГТИ должна составлять 1280кГц. С помощью выражения (1) найдём емкость С

Из ряда Е24 выберем  номинал с емкостью 560 пФ. В устройстве будет использоваться конденсатор типа К10-17, керамический монолитный предназначенный для работы в цепях постоянного и переменного тока и в импульсных режимах. Его номинальное напряжение 50 В, а диапазон рабочей температуры от -60 до +125 В [2].

 

3.3 Расчет схемы начальной установки

Схема начальной установки (НУ) служит для формирования единственного импульса, который приведет устройство в исходное состояние. Разработать данный узел можно на основе триггера Шмитта, обладающего гистерезисной передаточной характеристикой (рисунок 29).

Рисунок 29 – Схема начальной установки

 

 

Схема состоит из триггера Шмитта (D1), времязадающей RC- цепи и кнопки (S). При подаче напряжения питания U_cc=5В, конденсатор начинает заряжаться до верхнего порога переключения триггера Шмитта , после чего на выходе триггера  устанавливается низкий уровень напряжения. После нажатия кнопки вход триггера Шмитта оказывается подключенным к нулевому потенциалу, что приводит к  его переключению. На выходе - высокий уровень напряжения. После приведения кнопки (S) в исходное состояние, конденсатор С опять заряжается до верхнего порога переключения триггера Шмитта. На выходе- низкий уровень напряжения. Длительность импульса должна быть больше, времени установления питающего напряжения, иначе триггер Шмитта не переключится. Примем длительность импульса =10 мс. Величину емкости C времязадающей RC- цепи, можно найти из выражения:

                

 

при кОм.

Из ряда Е24 выберем номинальное значение сопротивления 10 кОм.

 

Найдём значение емкости  С:

.

Из ряда Е24 выберем номинальное значение емкости 2мкФ.

Благодаря гистерезису в передаточной характеристике триггер Шмитта не реагирует на предварительно отфильтрованный дребезг механических контактов.

 

3.4 Описание схемы

Принципиальная схема генератора кодов приведена в приложении А. В ее состав входит:

1. Генератор тактовых импульсов (ГТИ), состоящий из триггеров Шмитта- элементы  D1.1, D1.2. И времязадающей R1C1-цепи.
2. Генератор кодов (ГК), состоящий из двоично-десятичного счетчика импульсов D3 и ПЛМ D5, а также элемента И D2.1
3. Блок контроля сбоя (БКС). Он содержит ПЛМ D5 и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D15.2 .
4. Регистр (РГ) D8
5. Блок вычитания  (БВ), состоящий из элементов НЕ D10, сумматоров D11, D12.
6. Преобразователь кода (ПК), состоящий из элемента НЕ D10.6, элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D14 и D15.1 и сумматоров D12, D13.
7. Блок сравнения (БС). В него входит элемент ПЛМ D5.
8. Счетчик. Он состоит из элемента И D2.2 и двоично-десятичного счетчика импульсов D4
9. Блок начальной установки, состоящий из элемента ИЛИ D9.1, триггера Шмитта D1.3, времязадающей R2C2 цепи и кнопки S1.