Реферат проектирование цифровых устройств

Обновлено: 28.06.2024

Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания. В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектированием, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов. В действительности даже, казалось бы, самые простые элементы, необходимо включать по определенной схеме, знать назначения всех выводов. Необходимо знать, чем различаются элементы в пределах серии. Понимание внутренней логики микросхемы особенно важно именно для специалистов по автоматике и промышленной электронике, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. В условиях автоматики и радиотехники они часто выполняют функции, не запланированные в свое время их разработчиками, и грамотное использование микросхем в этих случаях прямо зависит от понимания логики их работы. Хорошее знание тонкостей функционирования схем узлов становится жизненно необходимым при поиске неисправностей, когда нужно определить, имеется ли неисправность в данном узле или же на его вход поступают комбинации сигналов, на которые схема узла не рассчитана. Составление тестов, а тем более разработка само проверяемых схем также требуют очень хороших знаний принципов работы узлов.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ и ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 1.1 Разработка структурной схемы устройства

В состав структурной схемы войдут следующие элементы:

· Схема подсчета тактовых импульсов

· Схема преобразования параллельного кода в последовательный

Структурную схему можно представить так, как отображено на рисунке 2.

Рисунок 1. Структурная схема

При поступлении переднего фронта измеряемого импульса детектор фронтов (ДФ) формирует управляющий сигнал на начало счета. Формируемые тактовым генератором (ТГ) импульсы поступают на схему подсчета тактовых импульсов (СУ). При поступлении заднего фронта измеряемого импульса ДФ формирует сигнал останавливающий .счет. При этом количество подсчитанных импульсов выводится на схему отображения (УО) и через схему преобразования параллельного кода в последовательный (ПК) в устройство обработки.

1.2 Разработка функциональной схемы устройства

Детектор фронтов состоит из двух ждущих мультивибраторов и триггера. Один ждущий мультивибратор предназначен для выделения заднего фронта импульса и сбрасывает триггер. Другой ждущий мультивибратор предназначен для выделения переднего фронта импульса и переключает триггер в единичное состояние и вырабатывает сигнал сброса счетчика. Оба мультивибратора вырабатывают импульсы длительности необходимой для надежного переключения триггера.

Схема отображения содержит регистр, дешифратор и индикаторы. Использование регистра позволяет избежать мерцания во время подсчета. Запись в регистр выполняется только по окончанию подсчета длительности импульса. Дешифратор необходим для преобразования двоично-десятичного кода в код обеспечивающий отображение соответствующей цифры.

Рисунок 2. Функциональная схема

В состав тактового генератора входит генератор прямоугольных импульсов заданной частоты и делитель частоты для сдвигового регистра.

Определим разрядность индикатора по формуле:

где - максимальное значение измеряемой величины; -точность измерения.

Разрядность регистра с параллельным вводом и последовательным выводом информации определим исходя из того, что для отображения каждого десятичного разряда требуется 4 бита:

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 2.1 Проектирование схемы детектора фронтов

Рисунок 6. Схема детектора фронтов

Ждущий мультивибратор можно реализовать на основе микросхемы К155АГ3. Она содержит два ждущих мультивибратора с возможностью перезапуска. Каждый мультивибратор содержит выходы и , вход сброса и два входа запуска: - прямой и - инверсный, с активным низким уровнем.

Длительность импульса (при ) вычислим по формуле:

Паразитная емкость вывода RT на землю около 50пФ, поэтому максимальное время выходного импульса 40нс.

Потребляемый микросхемой К155АГ3 ток составляет 66мА, стекающий коллекторный ток выводов может быть до 40мА.

Триггер можно реализовать на основе микросхемы К555ТР2. Она содержит 4 независимых RS - триггера, имеющих общую шину питания. У каждого триггера есть входы и , а также комплиментарный выход .

2.2. Генератор тактовых импульсов

Рисунок 7. Схема тактового генератора

где НОК - наименьшее общее кратное,

- точность измерения,

- скорость передачи.

Частота генерации определяется как:

Приняв , определим номинал резистора:

Примем значение из номинального ряда .

Для получения частот в 10000Гц и 1200Гц необходимо применить делители частоты. В качестве делителей удобно использовать счетчики К155ИЕ2 и К155ИЕ4. Для реализации деления на 5 используем счетчик К155ИЕ2 (DA3) подавая тактовые импульсы на вход C1 на выходе Q1 получим частоту деленную на 5. Для реализации деления на 6 используем счетчик К155ИЕ4.

2.3 Схема подсчета тактовых импульсов

Рисунок 8. Схема подсчета тактовых импульсов

2.4 Схема преобразования параллельного кода в последовательный

Рисунок 9. Схема преобразования

Для реализации схемы преобразования параллельного кода в последовательный выберем параллельно-последовательный регистр сдвига с параллельной записью данных К155ИР1. К155ИР1 - четырехразрядный сдвиговый регистр.

Если на вход подано напряжение низкого уровня, то разрешается работа тактовому входу С1. Отрицательные фронты последовательности тактовых импульсов сдвигают данные от последовательности входа S1 на выход Q0, затем на Q1,Q2,Q3, т.е. вправо.

Для построения 12 разрядного регистра сдвига необходимо соединить 3 регистра последовательно, причем выход Q3 предыдущего регистра соединяется со входом S1 последующего.

2.5 Схема управления

Рисунок 10. Схема управления

Для согласования отдельных узлов устройства необходима схема управления. В ее функции входит следующее:

· Управление записью данных в регистры сдвига

· Управление сдвигом данных записанных в регистры сдвига

· Прекращение передачи данных в устройство обработки после передачи 12 разрядов

Анализ вышесказанного, позволяет сделать следующие выводы о необходимых компонентах схемы управления:

1. Для управления сдвигом потребуется счетчик с пересчетом до 12

2. Для прекращения передачи потребуется электронный ключ на триггере

3. Для согласования по времени переключения логических элементов потребуются элементы задержки.

Предлагаемая схема управления изображена на рисунке 10.

Рисунок 11. Временные диаграммы работы устройства
3. Заключение

При выполнении данной курсовой работы были проведены расчет и построение узлов и комбинационных схем.

Учитывались основные параметры влияющие на работу цифрового устройства. Был произведен синтез структурной, функциональной и электрической принципиальной схем заданного устройства, выбраны и обоснованы критерии подбора интегральных микросхем, проведена их сравнительная оценка.

2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник, - Москва; металлургия, 1988,-352 с.

3. Орнадский П.П. Автоматические измерения и приборы. - К.; Техника,1990 - 448с.

4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Нильсон, В.И.Кулешова и др./ Под ред. С.В.Якубовского.-М.: Радио и связь, 1990.-496с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Алгоритм работы устройства

Раздел: Радиоэлектроника
Количество знаков с пробелами: 14616
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 8

1.1 Разработка структурной схемы устройства

В состав структурной схемы войдут следующие элементы:

· Схема подсчета тактовых импульсов

· Схема преобразования параллельного кода в последовательный

Структурную схему можно представить так, как отображено на рисунке 2.

Рисунок 1. Структурная схема

1.2 Разработка функциональной схемы устройства

Рисунок 2. Функциональная схема

Определим разрядность индикатора по формуле:

где - максимальное значение измеряемой величины; -точность измерения.

2.1 Проектирование схемы детектора фронтов

Рисунок 6. Схема детектора фронтов

Длительность импульса (при ) вычислим по формуле:

Паразитная емкость вывода RT на землю около 50пФ, поэтому максимальное время выходного импульса 40нс.

Потребляемый микросхемой К155АГ3 ток составляет 66мА, стекающий коллекторный ток выводов может быть до 40мА.

2.2. Генератор тактовых импульсов

Рисунок 7. Схема тактового генератора

где НОК - наименьшее общее кратное,

- точность измерения,

- скорость передачи.

Частота генерации определяется как:

Приняв , определим номинал резистора:

Примем значение из номинального ряда .

2.3 Схема подсчета тактовых импульсов

Рисунок 8. Схема подсчета тактовых импульсов

2.4 Схема преобразования параллельного кода в последовательный

Рисунок 9. Схема преобразования

2.5 Схема управления

Рисунок 10. Схема управления

Для согласования отдельных узлов устройства необходима схема управления. В ее функции входит следующее:

· Управление записью данных в регистры сдвига

· Управление сдвигом данных записанных в регистры сдвига

· Прекращение передачи данных в устройство обработки после передачи 12 разрядов

Анализ вышесказанного, позволяет сделать следующие выводы о необходимых компонентах схемы управления:

1. Для управления сдвигом потребуется счетчик с пересчетом до 12

2. Для прекращения передачи потребуется электронный ключ на триггере

3. Для согласования по времени переключения логических элементов потребуются элементы задержки.

Предлагаемая схема управления изображена на рисунке 10.

Рисунок 11. Временные диаграммы работы устройства

При выполнении данной курсовой работы были проведены расчет и построение узлов и комбинационных схем.

2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник, - Москва; металлургия, 1988,-352 с.

3. Орнадский П.П. Автоматические измерения и приборы. - К.; Техника,1990 - 448с.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

Сумской Государственный Университет

Кафедра Автоматики и Промышленной Электроники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ФЗ 51.6.090803.574ПЗ

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ и ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 5

1.1 Разработка структурной схемы устройства 5

1.2 Разработка функциональной схемы устройства 6

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 8

2.1 Проектирование схемы детектора фронтов 8

2.2. Генератор тактовых импульсов 9

2.3 Схема подсчета тактовых импульсов 10

2.4 Схема преобразования параллельного кода в последовательный 11

2.5 Схема управления 12

3. Заключение 15

Список ЛИТЕРАТУРЫ 16

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Алгоритм работы устройства 17

ВВЕДЕНИЕ

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ и ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

1.1 Разработка структурной схемы устройства

В состав структурной схемы войдут следующие элементы:

Детектор фронтов

Схема подсчета тактовых импульсов

Тактовый генератор

Схема преобразования параллельного кода в последовательный

Схема отображения

Структурную схему можно представить так, как отображено на рисунке 2.

Рисунок 1. Структурная схема

1.2 Разработка функциональной схемы устройства

Рисунок 2. Функциональная схема

Определим разрядность индикатора по формуле:

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

2.1 Проектирование схемы детектора фронтов

Рисунок 6. Схема детектора фронтов

Ждущий мультивибратор можно реализовать на основе микросхемы К155АГ3. Она содержит два ждущих мультивибратора с возможностью перезапуска. Каждый мультивибратор содержит выходы , вход сброса и два входа запуска:

) вычислим по формуле:

подключается между выводами 14 и 15 а также 6 и 7; резисторы

, а также комплиментарный выход

2.2. Генератор тактовых импульсов

Рисунок 7. Схема тактового генератора

Примем значение из номинального ряда

2.4 Схема преобразования параллельного кода в последовательный

Рисунок 9. Схема преобразования

Для построения 12 разрядного регистра сдвига необходимо соединить 3 регистра последовательно, причем выход Q3 предыдущего регистра соединяется со входом S1 последующего.

2.5 Схема управления

Рисунок 10. Схема управления

Для согласования отдельных узлов устройства необходима схема управления. В ее функции входит следующее:

Управление записью данных в регистры сдвига

Управление сдвигом данных записанных в регистры сдвига

Прекращение передачи данных в устройство обработки после передачи 12 разрядов

Анализ вышесказанного, позволяет сделать следующие выводы о необходимых компонентах схемы управления:

Для управления сдвигом потребуется счетчик с пересчетом до 12

Для прекращения передачи потребуется электронный ключ на триггере

Для согласования по времени переключения логических элементов потребуются элементы задержки.

Предлагаемая схема управления изображена на рисунке 10.

По заднему фронту изменяемого импульса с выхода детектора фронтов на входную схему задержки поступает положительный импульс. Со схемы задержки этот импульс поступает на вход формируется логический ноль и через элемент задержки поступает на вход регистров сдвига, что переводит регистры в режим сдвига. После поступления заднего фронта импульса на вход С2 регистров сдвига происходит запись в эти регистры с выхода схемы подсчета. В это время триггер уже установлен в единичное состояние и логическая единица с выхода

3. Заключение

При выполнении данной курсовой работы были проведены расчет и построение узлов и комбинационных схем.

Список ЛИТЕРАТУРЫ

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник, - Москва; металлургия, 1988,-352 с.

Орнадский П.П. Автоматические измерения и приборы. - К.; Техника,1990 - 448с.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Нильсон, В.И.Кулешова и др./ Под ред. С.В.Якубовского.-М.: Радио и связь, 1990.-496с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
1.1 Разработка структурной схемы устройства
1.2 Разработка функциональной схемы устройства
2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
2.1 Проектирование схемы детектора фронтов
2.2. Генератор тактовых импульсов
2.3 Схема подсчета тактовых импульсов
2.4 Схема преобразования параллельного кода в последовательный
2.5 Схема управления
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АЛГОРИТМ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

ВВЕДЕНИЕ
Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания. В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектированием, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов. В действительности даже, казалось бы, самые простые элементы, необходимо включать по определенной схеме, знать назначения всех выводов. Необходимо знать, чем различаются элементы в пределах серии. Понимание внутренней логики микросхемы особенно важно именно для специалистов по автоматике и промышленной электронике, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. В условиях автоматики и радиотехники они часто выполняют функции, не запланированные в свое время их разработчиками, и грамотное использование микросхем в этих случаях прямо зависит от понимания логики их работы. Хорошее знание тонкостей функционирования схем узлов становится жизненно необходимым при поиске неисправностей, когда нужно определить, имеется ли неисправность в данном узле или же на его вход поступают комбинации сигналов, на которые схема узла не рассчитана. Составление тестов, а тем более разработка само проверяемых схем также требуют очень хороших знаний принципов работы узлов.

Схема преобразования параллельного кода в последовательный состоит из преобразования кода 8421 в код 8421+3 и сдвигового регистра обеспечивающего преобразование параллельного кода в последовательный.
В состав тактового генератора входит генератор прямоугольных импульсов заданной частоты и делитель частоты для сдвигового регистра.
Определим разрядность индикатора по формуле:
где - максимальное значение измеряемой величины; -точность измерения.
Разрядность регистра с параллельным вводом и последовательным выводом информации определим исходя из того, что для отображения каждого десятичного разряда требуется 4 бита:

Для работы счетчика и сдвигового регистра необходим генератор тактовых импульсов. Схема генератора приведена на рисунке 7. Он построен на двух элементах И-НЕ микросхемы К155ЛА3. Частота генерации определяется из соотношения:
где НОК - наименьшее общее кратное,
- точность измерения,
- скорость передачи.
Частота генерации определяется как:

Приняв, определим номинал резистора:

Примем значение из номинального ряда .
Для получения частот в 10000Гц и 1200Гц необходимо применить делители частоты. В качестве делителей удобно использовать счетчики К155ИЕ2 и К155ИЕ4. Для реализации деления на 5 используем счетчик К155ИЕ2 (DA3) подавая тактовые импульсы на вход C1 на выходе Q1 получим частоту деленную на 5. Для реализации деления на 6 используем счетчик К155ИЕ4.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При выполнении данной курсовой работы были проведены расчет и построение узлов и комбинационных схем.
Учитывались основные параметры влияющие на работу цифрового устройства. Был произведен синтез структурной, функциональной и электрической принципиальной схем заданного устройства, выбраны и обоснованы критерии подбора интегральных микросхем, проведена их сравнительная оценка.

Читайте также: