Разработка управляющего устройства с жесткой логикой

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

«Аналоговая и цифровая электроника»

студенту  группы ЭОЭХ ФОДО

Гокову Владимиру  Николаевичу

 

ТЕМА: Разработка управляющего устройства с жесткой логикой

 

Разработать принципиальную схему  управляющего устройства, обеспечивающего формирование десяти четырехразрядных кодовых комбинаций, следующих в заданной последовательности. Схему построить на цифровых интегральных микросхемах одной серии с использованием разрешенных элементов.

 

ИСХОДНЫЕ  ДАННЫЕ

 

Вариант № 104
11	4	5	15	0	9	12	14	7	2

 

Разрешенные элементы:

Серия	ЛА3	ЛА1	ТВ9	Fт, МГц
133	+	+	+	2,4

 

 

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 4

2 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОДОВ 5

2.1 Составление таблицы истинности 6

2.2 Определение булевых функций и их минимизация 6

3  РАСЧЕТ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСОВ 8

4  РАСЧЕТ СХЕМЫ НАЧАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 9

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ТРИГГЕРОВ 10

6 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ СХЕМЫ 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 12

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 12

ПРИЛОЖЕНИЯ 13

1 Схема электрическая принципиальная устройства 13

2 Перечень элементов 14

3 Временные диаграммы 15

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, благодаря бурному  развитию микроэлектроники, все более  широкое применение находят цифровые устройства. Они проникли в вычислительную технику, спутниковую связь, радиолокацию, телевидение, системы радио и проводной связи. Важным фактором, определяющим широкое внедрение цифровых устройств, является их экономическая эффективность, которая, в первую очередь, определяется технологичностью и относительной простотой эксплуатации. В современной технике импульсные и цифровые устройства все больше вытесняют аналоговые. Поэтому эффективное применение и грамотная эксплуатация техники невозможна без знания принципов построения и понимания логики работы цифровых устройств.

1 ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Формирование десяти четырехразрядных кодовых комбинаций, появляющихся на выходе в соответствии с заданием, можно осуществить с помощью устройства, структурная схема которого приведена на рис. 9.

Управляющее устройство содержит:

схему формирования кодов;

схему установки начального состояния;

генератор импульсов.

Схема формирования кодов предназначена для получения на выходах устройства управления кодовых последовательностей.

Схема установки начального состояния обеспечит установку перед началом работы первой заданной кодовой комбинации.

Генератор служит для формирования последовательности прямоугольных импульсов, следующих с заданной частотой, которые будут управлять схемой формирования кодов.

2 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОДОВ

Схема формирования кодов может  быть построена на основе десятичного  счетчика импульсов с заданной последовательностью смены состояний. Основу такого счетчика составляют четыре D-триггера (рис. 1) и набор логических элементов.

Триггеры фиксируют на выходе кодовую  комбинацию, а логические элементы  обеспечат  смену в заданной последовательности. Первая кодовая комбинация - 0000 устанавливается с помощью  специальной схемы установки начального состояния. В дальнейшем с приходом каждого импульса от генератора триггеры будут менять свои состояния в соответствии с заданием.

 

2.1 Составление таблицы истинности

Логику работы схемы формирования кодов представим таблицей (табл. 1).

                                                                  Таблица 1

Номер набора	Q3n	Q2n	Q1n	Q0n	Q3n+1	Q2n+1	Q1n+1	Q0n+1
11	1	0	1	1	0	1	0	0
4	0	1	0	0	0	1	0	1
5	0	1	0	1	1	1	1	1
15	1	1	1	1	0	0	0	0
0	0	0	0	0	1	0	0	1
9	1	0	0	1	1	1	0	0
12	1	1	0	0	1	1	1	0
14	1	1	1	0	0	1	1	1
7	0	1	1	1	0	0	1	0
2	0	0	1	0	1	0	1	1
1	0	0	0	1	Ф	Ф	Ф	Ф
3	0	0	1	1	Ф	Ф	Ф	Ф
6	0	1	1	0	Ф	Ф	Ф	Ф
8	1	0	0	0	Ф	Ф	Ф	Ф
10	1	0	1	0	Ф	Ф	Ф	Ф
13	1	1	0	1	Ф	Ф	Ф	Ф

 

Таблица определяет порядок  смены состояний триггеров. Наборы 1, 3, 6, 8, 10, 13 не используются, поэтому их считаем факультативными.

2.2 Определение булевых функций и их минимизация

По табл. 1 для каждого выхода запишем булевы функции и факультативные наборы:  Q₃ⁿ⁺¹ = Σ (5, 0, 9, 12, 2);

Q₂ⁿ⁺¹ = Σ (11, 4, 5, 9, 12, 14);

Q₁ⁿ⁺¹ = Σ (5, 12, 14, 7, 2);

Q₀ⁿ⁺¹ = Σ (4, 5, 0, 14, 2);

Ф = Σ (1, 3, 6, 8, 10, 13).

Запишем полученные булевы функции в алгебраической форме, используя с целью упрощения  следующие обозначения:

Q₃ⁿ⁺¹ = D3, Q₂ⁿ⁺¹ = D2, Q₁ⁿ⁺¹ = D1,  Q₀ⁿ⁺¹ = D0,

Q₃ⁿ = A,  Q₂ⁿ = B,  Q₁ⁿ = C, Q₀ⁿ = E.

Тогда получаем:

 

 

 

 

Проведем  минимизацию  полученных булевых функций с  применением карт Карно и учетом факультативных условий (рис. 2)

D3				B
						A
					Ф
	E		Ф	1	Ф	1
			1		1	Ф
C				Ф	1	Ф

D2				B
						A
					Ф	1
	E		Ф	1	Ф	1
			1	1		Ф
C			1	Ф		Ф

 

D1				B
						A
				1	Ф
	E		Ф	1	Ф
			1			Ф
C			1	Ф	1	Ф

D0				B
						A
					Ф
	E		Ф	1	Ф
				1	1	Ф
C			1	Ф	1	Ф

 

Рис.2

 

В результате оптимального объединения  покрытий получаем булевы функции:

 

 

 

 

 

Для реализации схемы формирования кодов необходимо 12 элементов 2И-НЕ и 3 элемента 3И-НЕ.

 

3 РАСЧЕТ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСОВ

На  выходе формирователя коды должны меняться с частотой 2,4 МГц. Для этого на синхровходы триггеров необходимо подавать последовательность прямоугольных импульсов с частотой 2 МГц. Такие импульсы можно получить с помощью мультивибратора, собранного на логических элементах  2И-НЕ (см. рис. 3).

Частота импульсов  на выходе такого генератора определяется выражением:

,

где С – величина емкости  конденсатора в цепи обратной связи  в фарадах;

      R− сопротивления резистора выбирают для микросхем ТТЛ-типа в пределах 300-500 Ом.

Таким образом, для построения схемы генератора выбираем еще одну микросхему К134ЛА3 и производим расчет элементов цепи обратной связи. Прежде всего, определяем сопротивление резистора, исходя из допустимых значений, равным 390 Ом и  выбираем резистор

ОМЛТ - 0,25 - 390 Ом ± 5%.

По  заданной частоте определяем емкость  конденсатора

С = 1/(2,2·R·f) =1/(2,2·390·2,4·10⁶) = 486 пФ.

Выбираем  низковольтный высокочастотный  полистирольный конденсатор

К71-5-470 пФ ± 5%.

 

4 РАСЧЕТ СХЕМЫ НАЧАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

После включения питания  триггеры формирователя могут оказаться  в произвольном состоянии. Для обеспечения  нормальной работы устройства управления необходимо перед включением питания  отключить от синхровходов триггеров генератор импульсов, поставив тумблер SA1 «ГЕНЕРАТОР» в положение - выключено. С помощью специальной кнопки SB1 установить триггеры в состояние, соответствующее первой заданной комбинации. Поскольку в задании первая комбинация 1011, а установочные входы триггеров инверсные, то для приведения триггеров, формирующих сигналы А, С, Е в единичное состояние необходимо на входы S подать 0, а для триггера, формирующего сигнал В необходимо 0 подать на вход R. После установки (отпускания кнопки) на эти входы подается 1. Неиспользуемые установочные входы (в данном случае вход S триггера «В» и входы R триггеров «А, С, Е») подключаем к источнику питания. После установки исходной кодовой комбинации тумблер SA1 поставить в положение включено.

В качестве формирователя  импульсов от механических контактов  кнопки используем схему, приведенных  на рис.4.

Рис. 4

Для построения данной схемы  необходимы два элемента 2И-НЕ. Сопротивление резисторов R1, R2 для микросхем ТТЛ типа рекомендуется брать порядка 1 кОм (для микросхем 176 и 561 серий – 10 кОм), поэтому выбираем

ОМЛТ - 0,25 - 1 кОм ± 5%.

 

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ТРИГГЕРОВ

1. Для построения схемы формирования кодов на элементах 2И-НЕ, 4И-НЕ, ТВ9 в  серии микросхем 133 необходимо иметь:
1. 133ЛА3 (4´2И-НЕ) – 3шт;
2. 133ЛА1 (2´4И-НЕ) – 2шт (один элемент 4И-НЕ не используется);
3. 133ТВ9 (2´JK-триггера) – 2шт.
2. Для построения схемы генератора импульсов необходимо иметь:
1. Три элемента 2И-НЕ.
3. Для построения схемы установки начальных значений необходимо иметь:
1. Два элемента 2И-НЕ.
4. Для реализации инверсных сигналов на входах К триггеров необходимо иметь 133ЛА1 (4´2И-НЕ) – 1шт.

Схемы по пунктам 2, 3 могут быть реализованы  на базе корпуса 133ЛА3 (четыре элемента) и оставшегося одного элемента 4И-НЕ микросхемы 133ЛА1.

Таким образом, для разработки устройства необходимо:

• 133ЛА3 – 5шт на принципиальной схеме приведенной в приложении 1 обозначены DD3 – DD7;
• 133ЛА1 – 2шт на принципиальной схеме приведенной в приложении 1 обозначены DD8 – DD9;
• 133ТВ9 – 2шт на принципиальной схеме приведенной в приложении 1 обозначены DD1 – DD2.

 

6 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ СХЕМЫ

После включения питания триггеры формирователя  могут оказаться в произвольном состоянии. Для обеспечения нормальной работы устройства управления необходимо перед включением питания отключить  от синхровходов триггеров генератор импульсов, поставив тумблер SA1 «ГЕНЕРАТОР» в положение – выключено. С помощью специальной кнопки SB1 установить триггеры в состояние, соответствующее первой заданной комбинации. Поскольку в задании первая комбинация 1011, а установочные входы триггеров инверсные, то для приведения триггеров, формирующих сигналы А, С, Е  в единичное состояние необходимо на входы S подать 0 (DD1 контакт 4, DD2 контакты 4, 10), а для триггера, формирующего сигнал В необходимо 0 подать на вход R (DD1 контакт 14). После установки (отпускания кнопки) на эти входы подается 1. Неиспользуемые установочные входы: вход S триггера B (DD1 контакт 10) и входы R триггеров А, С, Е (DD1 контакт 14 и DD2 контакты 14, 15) подключаем к источнику питания. При этом на контактах 5, 7 DD1 и контактах 5, 9 DD2 формируется 1, а на контактах 6, 9 DD1 и контактах 6, 7 DD2 формируется 0, что соответствует комбинации на выходе 1011 (11 в десятичной системе исчисления).