Разработка генератора последовательности двоичных слов

 

Работа устройства начинается с подачи питающего напряжения. Тактовый импульс с ГТИ попадает на вход (прямого счета) двоично-десятичного счетчика импульсов D3 через конъюнктор D2.1. Поэтому на выходах счетчика, которые соединены с адресными входами (A0, А1,А2,А3) ПЛМ, с каждым тактом будут последовательно появляться комбинации 0000,0001…1001. В связи с этим на выходе (DO0,DO1,DO2,DO3,DO4) ПЛМ будут формироваться двоичные числа 00000,00111,11100,01101,10111,01001,11001,01011,11010,01000. Со следующим тактом это двоичное число записывается в регистр D8 и появляется на выходах устройства Х₀X₁Х₂Х₃Х₄ .Поскольку на ПЛМ реализован БКС, то ее выходы DO0,DO1,DO2,DO3,DO4 соединены с входами A4, А5,А6,А7, А8 соответственно. Если в результате сбоя сформировалось незапланированное двоичное число, то на выходе DO5 появится “1”, которая инвертируется элементом D15.2. Таким образом на входе конъюнктора D2.1 оказывается “0”. Поэтому следующий тактовый импульс не пройдет на вход счетчика импульсов, и незапланированная комбинация не запишется в регистр D8. Счетчик пребывает в состоянии останова. Далее происходит вычитание незапланированного числа из числа, сформированного в предшествующем такте. После поразрядного инвертирования элементом D10 незапланированной комбинации два числа складываются сумматорами D11, D12. К сумме добавляется “1”, для того чтобы получаемая комбинация была в дополнительном коде. Далее полученную разность необходимо представить в прямом коде для последующего ее вывода на выходах Y₀,Y₁,Y₂,Y₃,Y₄. Для этого элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D14 и D15.1 поразрядно инвертируют разность или пропускают ее без изменения в зависимости от того был ли перенос (он инвертируется элементом D9.6) из старшего разряда комбинации при суммировании. То есть если полученное число с переносом (число положительное),  то инвертирования не происходит и число, складываясь с нулем, не изменяется. Если полученное число без переноса (число отрицательное), то происходит поразрядное инвертирование комбинации, после чего к ней прибавляется перенос. На выходе устройства имеем разность Y₀...Y₄ в прямом коде без учета знака. Далее разность сравнивается с числом 6. Поскольку БС реализован на ПЛМ, то на ее входы

 

А9, А10,А11,А12,А13 поступают сигналы соответственно (эти сигналы являются аргументами функции). На выходе DO6 ПЛМ появится “1”, если разность окажется больше 6. Одновременно с остановом счетчика импульсов D3 запускается счетчик D4, который соединен  выходами Q2, Q1, Q0 с входами конъюнктора D6. Если разность больше 6 и на выходах Q2, Q1, Q0  “110”, то происходит сброс счетчика D3. После этого на его выходе образуется комбинация 0000, т.е. устройство вернулось к исходному состоянию. Если разность не больше 6, то работу устройства можно возобновить с помощью схемы НУ. При нажатии на кнопку на выходе элемента D1.3 формируется одиночный импульс, который сбрасывает счетчик D3 и приводит устройство в начальное состояние.

 

 

3.5 Расчёт длительности  переходных процессов

Длительность переходных процессов  от момента выработки очередного тактового импульса до момента установления нового состояния устройства определяется с целью оценки быстродействия устройства и для выявления сбойных ситуаций, когда сигнал в цепи обратной связи не успевает поступить на вход устройства до момента выработки следующего тактового импульса. При этом устройство может оказаться в неопределенном состоянии. Неопределенное состояние характеризуется, в частности, возникновением паразитной генерации в замкнутом по цепи обратной связи устройстве. В проектируемом устройстве обратной связью охвачен ГК через БКС. Необходимо чтобы сигнал с БКС при незапланированной комбинации оказался на входе элемента D2.1 раньше, чем очередной тактовый импульс с ГТИ. Рассчитаем время, через которое сигнал окажется на входе конъюнктора:

Таким образом, должно выполняться  условие t_p< T, где T=1/f-период тактовых импульсов ГТИ. Таким образом, - условие выполняется, значит, при заданной тактовой частоте обеспечивается устойчивое функционирование.

 

3.6 Расчет конденсаторов развязки  по цепи питания

Применение конденсаторов развязки необходимо для уменьшения импульсных помех. Обычно применяют индивидуальные конденсаторы развязки керамического типа для устранения помех из-за «быстрых» бросков тока в цепи питания, которые устанавливаются рядом с каждой микросхемой, и групповые конденсаторы развязки электролитического типа для исключения «медленных» колебаний питающего напряжения. Емкость конденсатора индивидуальной развязки выбирают из условия

(2),     

где:  - максимальное значение переменной составляющей тока потребления;

   - длительность импульса  тока;

- допустимое значение импульсной  помехи.

В качестве берут, как правило, 1/3 от значения тока короткого замыкания по выходу микросхемы, который для микросхем серии К555 можно найти как

,

где: Е = 5 В - напряжение питания;

- напряжение коллектор-эмиттер  выходного насыщенного транзистора в микросхеме;

- сопротивление токоограничительного  резистора в микросхеме.

Тогда из (2) следует:

.

Выберем конденсаторы индивидуальной развязки типа К10-17, а их номинал С_ир равным 0,01 мкФ.

Емкость конденсатора групповой развязки выбирается из условия

 

Где L_ш и R_ш – соответственно индуктивность и сопротивление шины питания. Так как конструкция устройства в рамках курсового проекта не разрабатывается, то указанные параметры не могут быть определены точно. По этой причине емкость С_Р можно выбирать в пределах 1…10мкФ, как это обычно и применяется в практических устройствах на двухслойных печатных платах.

 

 

 

3.7 Определение потребляемой мощности

Расчет мощности потребления выполняется  путем суммирования мощностей отдельных  элементов схемы:

Исходя  из того, что P=IU:

Значения потребляемой мощности могут различаться для двух состояний цифрового элемента, для этого в расчет принимается среднее арифметическое значение мощности.

 

 

3.8 Оценка показателей  надежности

Основными показателями надежности устройства служат вероятность безотказной работы P(t),  вероятность неисправной работы Q(t),  наработка на отказ Т_о  и коэффициент готовности К_г. Исходными данными для расчета этих показателей служат значения интенсивности отказов l_i для каждого входящего в устройство элемента. Взятые из справочников значения l_i приведены в таблице 14.

 

                                                                     Таблица 14

Тип элемента	Количество	Значение l
Конденсатор К53-14	1	0,035×10-6
Конденсатор К10-17	16	0,03×10-6
Резистор С2-23	3	0,05×10-6
Микросхемы  К555ИЕ6, К555ИР23, К555ТЛ2, К555ИМ6,К555ИМ5	7	0,019×10-6
Микросхемы К555ЛИ1,К555ЛИ6,К555ЛЛ1,К555ЛН1,К555ЛП5	6	0,0152×10-6
Микросхема КР556РТ2	1	0,026×10-6
Печатная плата	1	0,05×10-6
Паянное соединение	250	0,01×10-6

 

Общая интенсивность отказов определяется формулой:

,

и составляет

 

Определим вероятность  безотказной работы устройства в  течение 1000 час:

Тогда вероятность неисправной работы будет

Наработка на отказ составляет

.

Значение коэффициента готовности зависит от времени ремонта  данного устройства Т_р, которое для простого устройства не превышает 0,5 час. Тогда коэффициент готовности будет

что следует признать удовлетворительным.

 

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

В настоящее время экспериментальная  проверка функционирования электрических  схем проводится с привлечением средств  вычислительной техники. Моделирование работы схемы с помощью специальных программ гораздо дешевле и быстрее, чем создание и испытание опытного образца. Для проверки функционирования схемы специализированного генератора кодов в данном курсовом проекте применялась программа Electronics Workbench версии 4.1.

На рисунке 30 приведена схема  генератора кодов на ПЛМ и его функционирование.

Рисунок 30 – Моделирование  генератора кодов

На основании временных диаграмм можно сделать вывод, что схема  функционирует правильно.

На рисунке 31 приведена схема БКС на ПЛМ и проверка её функционирования.

 

Рисунок 31 – Моделирование БКС.

 

 На рисунке 33 приведена схема  блока сравнения на ПЛМ и проверка его функционирования.

Рисунок 33 –  Моделирование блока сравнения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В соответствии с заданием на курсовое проектирование разработано устройство-генератор последовательности двоичных слов. На основе сравнительного анализа были выбраны наиболее оптимальные варианты исполнения блоков устройства. Определены основные показатели функционирования, технические характеристики и произведена оценка надежности устройства. Проверка правильности функционирования блоков устройства была проведена в моделирующей программе Electronics Workbench 4.1.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Фрике К. Вводный курс цифровой электроники. – М.: Техносфера, 2004. – 432 с.
2. Чулков В. А. Схемотехника ЭВМ: Методические указания по выполнению курсового проекта. – Пенза.: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 206. – 68с.
3. Нефедов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.5. – М.: КУБК-а, 1997. – 608с.: ил.
4. Все отечественные микросхемы: Справочник. – 2 изд., переработанное  и дополненное – М.: Издательский дом «Додека XXI», 2004. – 400с.