Конструирования логического (комбинационного) блока

В таблице 1  приведены условные обозначения и таблицы истинности некоторых логических элементов. Таблицы истинности показывают, каким будет сигнал на выходе (0 или 1) при той или иной комбинации сигналов на входе.

 

Таблица 2 - Логические операции, обозначение элементов и таблицы истинности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На основе логических элементов можно реализовать  любой из комбинационных узлов. Однако следует иметь в виду, что некоторые из таких узлов сейчас реализованы в виде микросхем.

Проведя анализ полученных МДНФ можно утверждать, что для  построения схемы электрической  функциональной будут использованы логические элементы 2И-НЕ, 3И-НЕ и 4И-НЕ. Схему можно реализовать с использованием шины, где входные переменные A,B,C,D поступают по цепям с одной стороны шины, а с другой стороны выходят цепи, идущие непосредственно к логическим элементам схемы.

 

 

2.3 Реализация функции F₁ на мультиплексоре

 

 

Назначение  мультиплексоров (от англ. multiрlех — многократный) — коммутировать в желаемом порядке информацию, поступающую с нескольких входных шин на одну выходную. С помощью мультиплексора осуществляется временное разделение информации, поступающей по разные каналам.

Мультиплексоры обладают двумя группами входов и одним, реже двумя  взаимодополняющими выходами. Одни входы информационные, а другие служат для управления. К ним относятся адресные и разрешающие (стробирующие) входы. Если мультиплексор имеет n адресных входов, то число информационных входов будет 2ⁿ. Набор сигналов на адресных входах определяет конкретный информационный вход, который будет соединен с выходным выводом. Так, для передачи на выход данных от канала номер 9 следует на входе установить двоичный код адреса -1001.

Мультиплексоры способны выбирать, селектировать заданный определенный канал. Поэтому их иногда называют селекторами. Используется и двойное название: селекторы-мультиплексоры.

Разрешающий (стробирующий) вход управляет одновременно всеми  информационными входами независимо от состояния адресных входов. Запрещающий сигнал на этом входе блокирует действие всего устройства. Наличие разрешающего входа расширяет функциональные возможности мультиплексора, позволяя синхронизировать его работу с работой других узлов. Разрешающий вход употребляется также для наращивания разрядности мультиплексоров.

Рассмотрим  мультиплексор - селектор данных типа «1 из 8», условное обозначение, которого показано на рисунке 6. С левой стороны селектора имеется восемь информационных входов, пронумерованных цифрами от 0 до 7, и три селекторных входа в нижней части селектора данных, обозначенных А, В и С.  Выход селектора - W.

Рисунок 6 - Условное обозначение мультиплексора (селектора) данных «1 из 8»

 

Основное назначение мультиплексора (селектора данных) - пересылка данных с определенного входа (от 0 до 7) на выход (W). Выбор того входа, с которого пересылаются данные, определяется двоичным кодом, поступающим на селекторные входы.

Для реализации комбинационной схемы, заданной функцией F1, на мультиплексоре воспользуемся методом расширения алфавита настройки, для чего необходимо использовать адресные входы в качестве входов данных и, для данного случая, вынести одну переменную(D) для подачи на информационные входы в качестве литерала.

Реализуем функцию F1 на мультиплексоре.

Составим таблицу истинности для функции F1.

 

Таблица 3 – Реализация функции F1 на мультиплексоре

A	B	C	D	F	DX
0	0	0	0	0	D0 = 0
0	0	0	1	0
0	0	1	0	1	D1 =1
0	0	1	1	1
0	1	0	0	0	D2 = 0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	0	D3 = 0
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1	D4 = 1
1	0	0	1	1
1	0	1	0	1	D5 = D̅
1	0	1	1	0
1	1	0	0	1	D6 = 1
1	1	0	1	1
1	1	1	0	0	D7 = D
1	1	1	1	1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно таблице строим функциональную схему:

 

                                  

 

 

                  D̅                 

                 D                   

                      

                 A

                  B

                  C

Рисунок 7 – Реализация функции F1 на мультиплексоре

  

Для реализации функции F1 на мультиплексоре используем микросхему 74151, представляющую собой селектор-мультиплексор на 8 каналов со стробированием.

Рисунок 8 – Микросхема 74151

Схема электрическая  принципиальная построения функции F1 на микросхеме 74151 изображена на соответствующем чертеже.

 

3 Конструкторско-программный раздел

 

 

3.1 Выбор элементной базы для схемы электрической принципиальной

 

 

В качестве элементной базы были выбраны микросхемы серии 7400. Данная серия интегральных микросхем на ТТЛ-логике известна как первое широко распространённое семейство интегральных микросхем с ТТЛ-логикой. Серия 7400 содержит сотни устройств, обеспечивающих функции от базовых логических операций, триггеров, счётчиков, до шино-передатчиков специального назначения и арифметико-логических устройств. Сегодня поверхностно-монтируемые КМОП версии 7400 серии используются в потребительской электронике и в качестве согласовывающей логики в компьютерах и промышленной электронике. Быстрейшие элементы выполняются только для поверхностного монтажа. Устройства в DIP-корпусах много лет широко использовались в промышленности, теперь их применяют для быстрого прототипирования и обучения, оставаясь доступными для многих устройств. Используемые интегральные микросхемы серии 7400 показаны в перечне элементов.

Выбор требуемых микросхем  осуществляется по схеме электрической  функциональной. Исходя из данной схемы  определяется необходимое количество различных элементов базиса «И-НЕ», в свою очередь элементы с большим количеством входов могут быть задействованы в качестве элементов с меньшим количеством входов, если это приводит к минимизации схемы электрической принципиальной, а также уменьшает количество типоразмеров используемых интегральных схем.

Для элементов базиса «И-НЕ» возможны следующие способы  фиксации неиспользуемых входов:

- подача значения логической  единицы на неиспользуемый вход;

- подача значения какого-либо  используемого сигнала параллельно на неиспользуемый вход.

Выбор любого из способов определяется на этапе разработки схемы электрической принципиальной и зависит от ряда конструкторско-технологических факторов.

Согласно анализу схемы электрической функциональной, в схеме электрической принципиальной необходимо будет использовать X микросхемы 7400 и Y микросхем 7410. Также необходим источник питания +5В и буферный формирователь. Параметры микросхем приведены ниже.

Микросхема 7410 (аналог - …..)реализует 3 логических элемента 3И-НЕ и имеет следующие характеристики:

 

Таблица 4 –  Характеристики микросхемы 7410

Номинальное напряжение питания	5В
Входное напряжение низкого  уровня	До 0,8 В
Входное напряжение высокого уровня	От 2,0 В
Выходной ток низкого  уровня	До 20 мА
Выходной ток высокого уровня	До -2 мА

 

Расположение логических элементов в микросхеме 7410:

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 –  Микросхема 7410

Микросхема 7410 (аналог …..) реализуют 4 логических элемента 2И-НЕ и имеет следующие характеристики:

 

Таблица 5 –  Характеристики микросхемы 7400

Номинальное напряжение питания	5 В
Входное напряжение низкого  уровня	До 0,8 В
Входное напряжение высокого уровня	От 2,0 В
Выходной ток низкого  уровня	До 4,4 мА
Выходной ток высокого уровня	До 1,6 мА

 

Расположение  логических элементов в микросхеме 7400:

Рисунок 10 –  Микросхема 7400

 

При проектировании устройства также используется микросхема усиливающего буфера. Его использование  необходимо в связи с подключением к одной шине-источнику двух и  более потребителей, иначе падение  напряжений на входах микросхем может привести к неправильному считыванию информации и, соответственно, неправильной работе всего устройства. Используем четырнадцати контактную микросхему, содержащую 6 буферов в корпусе DM7407. Основные свойства представлены в таблице:

Таблица 6  –  Характеристики микросхемы 7407

 

Номинальное напряжение питания	5 В
Входное напряжение высокого уровня	От 2 В
Входное напряжение низкого уровня	До 0,8 В
Выходное напряжение высокого уровня	До 30 В
Выходной ток  низкого уровня	До 40 мА

 

 

Составление схемы  электрической принципиальной на базе микросхем серии 7400 осуществляется в соответствии с правилами и  нормами составления электрических  схем, сама же схема представлена на чертеже.

 

 

3.2 Компьютерное моделирование.

 

 

Компьютерное  моделирование представляет собой симуляцию работы составленной электрической принципиальной схемы в программе Electronics Workbench (EWB) либо в других программах, позволяющих создание виртуальных электрических схем.

EWB позволяет  достаточно легко и быстро собирать схемы разной степени сложности. Наглядность представления способствует лучшему усвоению материала, а кроме того, позволяет получить первичные навыки работы с инженерным программным пакетом. На примере EWB Вы, по существу, знакомитесь с компьютерными методами проектирования и анализа схем, все шире используемыми в современной инженерной практике.

 

3.2.1 Используемые компоненты Electronics Workbench

 

Для операций с компонентами на общем поле Electronics Workbench выделены две области: панель компонентов и поле компонентов (рисунок 12).

Рисунок 12 – Панель компонентов Electronics Workbench

Панель компонентов  состоит из пиктограмм полей компонентов, поле компонентов - из условных изображений компонентов.

Щелчком мышью на одной  из одиннадцати пиктограмм полей компонентов, расположенных на панели, можно открыть соответствующее поле. Расположение элементов в полях ориентировано на частоту использования компонента.

В библиотеки элементов  программы Electronics Workbench входят аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые компоненты. Нами будут использованы логические компоненты.

Все компоненты можно  условно разбить на следующие  группы:

• базовые компоненты;
• источники;
• линейные компоненты;
• ключи;
• нелинейные компоненты;
• индикаторы;
• логические компоненты;
• узлы комбинационного типа;
• узлы последовательного типа;
• гибридные компоненты.