Интегральные микросхемы

 

Содержание

Введение

. Разработка дискретного устройства

.1 Генератор импульсов

.2 Синтез счетчика импульсов

.3 Синтез дешифратора и шифратора

.3.1 Синтез дешифратора

.3.2 Синтез шифратора

.4 Синтез мультиплексора

.5 Выбор микросхем

. Синтез абстрактного автомата

.1 Разработка асинхронного автомата

.2 Выбор микросхем

Заключение

Список литературы

генератор импульс дешифратор асинхронный

Введение

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется повсеместным внедрением принципиально новой техники. Ускорение научно-технического прогресса в значительной степени зависит от успехов современной микроэлектроники, являющейся современной элементной базой электронных устройств автоматики, телемеханики и связи.

Интегральные микросхемы значительно расширили диапазон применения электронных устройств на железнодорожном транспорте. Они создали возможность для совершенствования систем автоматического регулирования движения поездов, радиосвязи, учета и планирования технологических процессов на железнодорожном транспорте, автоматической локомотивной сигнализации и ряда других.

Развитие науки и ускорение технического прогресса немыслимо без совершенствования вычислительной техники, средств связи и систем сбора, передачи и обработки информации. Решение этого вопроса невозможно без создания цифровых систем и сетей связи.

Наиболее широкое распространение получили в настоящее время многоканальные системы с импульсно-кодовой модуляцией, обеспечивающие организацию по одной линии связи большого числа одновременно и независимо действующих каналов.

Цифровыми называются такие устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, соответствующим измеряемой величине.

Основными преимуществами цифровых систем связи по сравнению с аналоговыми являются высокая помехоустойчивость за счет передачи сообщений двоичными сигналам. Так как в цифровых системах передачи информационные параметры переносчиков в процессе модуляции принимают конечное количество разрешенных значений. Причем переход от одного разрешенного значения к другому осуществляется через конечные промежутки времени. Цифровые методы передачи позволяют значительно повысить помехоустойчивость и уменьшить накопление помех вдоль тракта передачи путем восстановления сигнала. Возможность использования сравнительно простых методов запоминания и хранения сообщений путем записи их в различного рода цифровых регистрах и запоминающих устройствах.

Поэтому, развитие и совершенствование систем автоматики, телемеханики и связи в значительной степени определяется широким внедрением цифровой техники. Для построения систем АТС и управления этими объектами используются управляющие логические устройства, представляющие собой последовательные или комбинационные схемы.

Исторически первыми были созданы релейно-контактные схемы ЛУ, которые и в настоящее время широко применяются в промышленности, особенно на железнодорожном транспорте. Затем появились ЛУ на бесконтактных элементах, которые в своем развитии прошли путь от диодных и ферротранзисторных схем до интегральных. Степень интеграции микросхем непрерывно повышается. Различают микросхемы малой, средней, большой и сверхбольшой интеграции.

ЛУ реализованные на микросхемах, делятся на две группы:

• с жесткой логикой;
• с программируемой логикой.

ЛУ с жесткой логикой отличаются тем, что при их реализации необходимо создавать проводные связи между отдельными элементами, что приводит к значительным габаритам, трудностями при изменении алгоритмов функционирования, сложностям диагностирования и ремонта.

Программируемые ЛУ, совершенствование которых осуществляется на основе микропроцессоров, в последние годы находят все более широкое применение. Использование программируемых ЛУ становится целесообразным уже в том случае, когда они реализуют задачу, эквивалентную схеме, содержащей 30 реле.

Таким образом, в настоящее время инженеру необходимо знать не только принципы работы дискретных устройств, но знать принципы построения таких устройств. Это необходимо для того, чтобы уметь находить неисправности, знать способы реализации таких устройств в имеющемся элементном базисе. Этой цели служит данный курсовой проект.

1. Разработка дискретного устройства

.1 Генератор импульсов

Генератор импульсов служит для генерации последовательности импульсов синхронизации, необходимые для работы любого дискретного устройства.[7,c.45]

Генератор собран на логических элементах микросхемы К155ЛН1. Для стабилизации взят распространённый кварц на 100кГц. Для облегчения запуска используется цепочка R1=220 Ом и C1=1600 пФ.

Рисунок 1.1.1 - Тактовый генератор с кварцевой стабилизацией

Рисунок 1.1.2 - Времяимпульсная диаграмма работы генератора тактовых импульсов

Исходя из того, что частота кварца 100 кГц, период импульсов будет равен с.

1.2 Синтез счетчика импульсов

Счётчиком называют устройство, на выходе которого сигналы в определённом коде отображают число импульсов, поступивших на счётный вход (пришедших с генератора импульсов). По заданию необходимо разработать двоичный, вычитающий счетчик с коэффициентом счета 9. В качестве устройств памяти необходимо использовать JK- триггеры.

Разработаем счетчик с параллельным тактирующим входом.

Для разработки данного счетчика составим таблицы состояний для разрядов счётчика. Данные таблицы имеют следующий вид:

• во втором столбце - текущее состояние выходов счетчика до подачи на вход тактового импульса;
• в третьем столбце - последующее состояние выходов счетчика после подачи на его вход тактирующего импульса;
• в четвертом столбце - состояния на информационных входах JK - триггеров, которые должны быть на J- и K- входах триггеров, чтобы с приходом тактирующего импульса триггеры переключились в следующее состояние.

Реализуем данный алгоритм работы счетчика на логических элементах «И-ИЛИ-НЕ».

Для минимизации функций информационных воздействий на входы триггеров воспользуемся методом Мак-Класки.

Таблица 1 - Таблица состояний разрядов счетчика

№Текущее состояниеПоследующее состояниеСигналы на информационных входах J - K триггеров.Qn4Qn3Qn2Qn1Qn+14Qn+13Qn+12Qn+11J4K4J3K3J2K2J1K1810000111~11~1~1~7011101100~~0~0~16011001010~~0~11~5010101000~~00~~14010000110~~11~1~3001100100~0~~0~12001000010~0~~11~1000100000~0~0~~10000010001~0~0~0~

Таблица 2 - Таблица переходов триггера.

Тип переходаВход JВход K0®00~0®11~1®0~11®1~0

K4 = 1J4 = 3 = J3 =

K2 = J2 =

K1 = 1J1 =

.3 Синтез дешифратора и шифратора

.3.1 Синтез дешифратора

Дешифратором (декодером) называется устройство, распознающее различные кодовые комбинации. Сигналы четырехэлементной комбинации подаются на входы дешифратора. В зависимости от вида кодовой комбинации на входе сигнал логической единицы появится только на одном определённом выходе, а на всех других будет сигнал логического нуля. Таким образом, каждой кодовой комбинации на входе соответствует свой выход.[1, с.74]

Нам необходимо синтезировать декодер преобразующий двоичную комбинацию в соответствующее десятичное число. Для этого воспользуемся таблицей.

Таблица 1.3-таблица соответствия двоичных комбинаций десятичным числам

Десятичное числоQ4Q3Q2Q1000001000120010300114010050101601107011181000Теперь запишем логические выражения, определяющие значения выходных переменных:

Схема декодера приводится в приложении 1.3.1

.3.2 Синтез шифратора

Шифратором (кодером) называется устройство, производящее преобразование сигнал логической единицы на одном из входов в соответствующую кодовую комбинацию на выходной шине. Шифраторы, например, используют в устройствах ввода информации в цифровые системы. В таких устройствах при нажатии выбранной клавиши подаётся сигнал на определённый вход шифратора и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее данной клавише.

Нам необходимо построить шифратор для представления десятичного числа в двоичном коде «с избытком 3». Для этого воспользуемся выше приведенной таблицей 1.3, в которой приведено соответствие между значениями на входе и выходе и получим следующие логические выражения:

Схема шифратора приведена в приложении 1.3.2.

.4 Синтез мультиплексора

В качестве преобразователя параллельной формы представления числа в последовательную будем использовать мультиплексор.

Мультиплексор является устройством, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу. Мультиплексор имеет несколько информационных входов (Dо,D1,...), адресные входы (A0, A1) и один выход Q. Каждому информационному входу присваивается номер, называемый адресом. Мультиплексор выбирает один из входов, адрес которого задается двоичным кодом на адресных входах, и подключает его к выходу.[1,c.78]

Таким образом, подавая на адресные входы адреса различных информационных входов, можно передавать цифровые сигналы с этих входов на выход Q. Число информационных входов Nинф и число адресных входов Nадр связаны соотношением Nинф?2Nадр. В данном курсовом проекте мультиплексор имеет четыре информационных входа. Следовательно, число адресных входов равно двум.

Функционирование мультиплексора определяется таблицей 9.

Таблица 9 - Таблица функционирования мультиплексора

Адресные входыВыходА1А2Y00D401D310D211D1

Следовательно, логическое выражение для выхода Y мультиплексора будет иметь вид:

Для последовательного изменения адресного кода от состояния 00 до 11 мы должны синтезировать двоичный, суммирующий счётчик с коэффициентом счёта ксч = 4. Составим таблицу изменения состояний триггеров счётчика.

Таблица 10 - Таблица изменения состояний триггеров счётчика

№A1A2000101210311

Согласно полученной таблице построим схему счётчика. Функциональная схема счётчика, управляющего адресными входами мультиплексора, представлена на рисунке 11.

Схема мультиплексора приведена в приложении 1.5.

1.5 Выбор микросхем

В качестве JK-триггера выберем микросхему К555ТВ9. Микросхема K555ТВ9 содержит 2 независимых JK-триггера, имеющих общую цепь питания. У каждого триггера имеются JK-информационные входы и входы синхронизации С. Триггеры также содержат инверсные асинхронные S и R входы для установки в «1» и «0» соответственно. У микросхемы К555ТВ9 вывод 8 - общий, 14 - питание.

В качестве логических элементов будем использовать микросхемы К155ЛЛ1 («2ИЛИ», 3 шт.), К155ЛИ1 («2И», 2 шт.), К155ЛИ3 («3И», 2 шт.), К555ЛИ6 («4И», 5 шт.), К155ЛН1 («НЕ», 2 шт.). У этих микросхем вывод 7 - общий, 14 - питание. Используемые в дискретном устройстве микросхемы показаны на рис. 1.6.1.

Рисунок 1.5.1 - Разводка микросхем

2. Синтез абстрактного автомата

.1 Разработка асинхронного автомата

Автоматом называется дискретное устройство, способное принимать различные состояния, под воздействием входных сигналов переходить из одного состояния в другое и вырабатывать выходные сигналы.

Математической моделью дискретного устройства, обладающего памятью, является абстрактный автомат, который задается совокупностью пяти конечных множеств:

S = {A, Z, W, d, x },

где А = {а0,а1... аМ} - множество состоянии автомата, причем

а0 - начальное состояние;

Z = {Z1,Z2... Zf} - множество входных сигналов;

W = {W1,W2... WС} - множество выходных сигналов;

d - функция переходов, обеспечивающая выработку последующего состояния aS автомата в зависимости от существующего состояния аM и входного воздействию Zf ;

x - функция выходов, обеспечивающая выработку выходного сигнала автомата в зависимости от его состояния и входного сигнала Zf.

Абстрактный автомат имеет один входной и один выходной каналы, и каждой букве входного алфавита Z ставит в соответствие букву или слово выходного алфавита W. Наибольшее распространение получили автоматы Мили и Мура. Закон функционирования автомата Мили:

a( t + 1) = d ( a( t ) ; Z( t )) ;

W( t ) = x ( a( t ) ; Z( t ) ).

Работу автомата Мура определяется следующими уравнениями:

a( t + 1 ) = d((a(t),Z(t));

W( t ) = x ( a( t ) ), где t = 0,1,2...

Автомат может задаваться несколькими способами, однако все они должны конкретизировать функции переходов и выходов. Задание автомата табличным способом заключается в построении таблиц переходов (ТП) и выходов (ТВ), в которых показываются внутренние состояние и состояния выходов автомата в соответствии с функциями переходов и выходов. Графическое представление автомата осуществляется с помощью графа, вершины которого соответствуют внутренним состояниям автомата. Переходы из одного состояния в другое показывают стрелками, соответствующими ветвям графа.

Для синтеза данного автомата использовался графический метод. Зададим в соответствии с заданием таблицу переходов и таблицу выходов (соответственно табл. 2.1.1, табл. 2.1.2).

Таблица 2.1.1ТВ

Aа1а2SS011S111S200S300S400

Таблица 2.1.2ТП

Aа1а2SS0S1S0S1S2S1S2S0S3S3S3S4S4S4S2

Закодируем внутренние состояния, входные и выходные воздействия автомата:

S0 = 011; S1 = 001; S2 = 010; S3 = 110; S4 = 100 = a1; x = a2; y=1; y = 0

Для кодирования используем число переменных исходя из соотношения: k£2N, где k-количество состояний автомата,

N- количество переменных.

Таблица 2.1.3ТВ

x01S0111100111010001100010000

Таблица 2.1.4ТП

X01S011001<011>001010<001>010011110110<110>100100<100>010

Т. о. для синтеза автомата понадобится три JK-триггера. Составим граф автомата (рис. 2.1.1).

Рисунок 2.1.1-Граф абстрактного автомата.

По построенному графу составим функции возбуждения входов и выхода автомата.

Минимизируем данные функции методом карт Карно. Для простоты подбора микросхем запишем полученные функции в базисе ИЛИ-НЕ для дальнейшей реализации автомата в этом базисе:

По заданию нам необходимо получить синхронный автомат, для этого ко всему выше описанному добавим схему синхронизации, собранную на JK-триггерах.

Принципиальная схема абстрактного синхронного автомата изображена в приложении.

.2 Выбор микросхем

В качестве JK-триггера выберем микросхему К561ТB1. Микросхема K561ТВ1 содержит 2 независимых JK-триггера, имеющих общую цепь питания. У каждого триггера имеются J- и K- информационные входы и входы синхронизации С. Триггера также содержат S и R входы для установки в «1» и «0» соответственно. У микросхемы К561ТВ1 вывод 8 - общий, 16 - питание.

В качестве логических элементов ИЛИ-НЕ будем использовать микросхемы К561ЛЕ5, К561ЛЕ10. У этих микросхем вывод 7 - общий, 14 - питание. Используемые в дискретном устройстве микросхемы показаны на рис. 2.2.1.

Рисунок 2.2.1-Разводка микросхем.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта разработал принципиальную схему дискретного устройства (ДУ), имеющего следующую структуру: генератор импульсов, двоичный вычитающий счетчик с коэффициентом счёта 9, дешифратор, шифратор, мультиплексор. В качестве элементов памяти использовал JK-триггеры. Дискретное устройство реализовано в базисе ИЛИ - НЕ.

Синтезировал синхронный автомат по таблицам переходов и выходов, в качестве элементов памяти использовал JK-триггеры. Для синтеза использовал графический метод.

Список литературы

1. Сапожников В. В. и др. Дискретные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. Транспорта.-М: Транспорт, 1988.-255 с.
2. Нефёдов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: справочник, Т.-3. - М.: КУбК-А, 1997
3. Зельдин Е. А. Импульсные устройства на микросхемах
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник
5. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы и коммутирующие устройства: справочник
6. В.Л. Шило, Популярные цифровые микросхемы: Московская радио-библиотека. Москва, Металлургия, 1989 г. - 352 с
7. С.А. Бирюков, Цифровые устройства на МОП- интегральных микросхемах: Массовая радио библиотека. Москва: Радио и связь, 1990г.- 128с.

Содержание Введение . Разработка дискретного устройства .1 Генератор импульсов .2 Синтез счетчика импульсов .3 Синтез дешифратора и шифратора

Больше работ по теме: