Синтез составного дискретного устройства

 

ВВЕДЕНИЕ

Современные системы автоматики, телемеханики и связи (АТ и С) имеют преимущественно электронное, микроэлектронное и микропроцессорное исполнение. Подавляющее большинство выпускаемых промышленностью и разрабатываемых систем АТ и С являются дискретными.

В настоящее время дискретные устройства получили весьма широкое распространение во всех сферах человеческой деятельности – от бытовых приборов до техники, отвечающей за безопасность на железнодорожном транспорте. Применение их не ограничивается выполнением базовых элементарных функций, многие ДУ являются интегрированными в состав более сложных устройств. Применение дискретных устройств в железнодорожной автоматике и телемеханике (ЖАТ) позволяет в полной мере реализовать функции систем ЖАТ.

Целью настоящего курсового проекта является синтез составного  дискретного устройства. Синтез дискретного устройства (ДУ) будем выполнять по частям, производя раздельный синтез электрических схем проектируемых узлов и блоков ДУ с последующей увязкой блоков в единую схему.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИИ  И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Дискретное устройство включает в свой состав следующие блоки: генератор тактовых импульсов (ГИ), счетчик импульсов (СТ), дешифратор (ДС), шифратор (СД), последовательно-параллельный регистр (RG), параллельный регистр (RG) и устройство сравнения (УС). Структурная схема ДУ приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема ДУ

Произведем расстановку количества выводов на шину с раздельных блоков ДУ.  Генератор импульсов формирует последовательность импульсов с заданной частотой следования, разрядность шины составит 1. Импульсы генератора поступают на параллельный вычитающий счетчик СТ и последовательно-параллельный регистр RG. Пять разрядов счетчика СТ подают свои значения на дешифратор ДС.

 Минимальное значение  на счетчике составит 00000, максимальное -11000. Количество десятичных выходов, эквивалентных поданному на входы двоичному коду будет равно 24. Шифратор формирует код 3а+2, максимальное значение составит 01010. Разрядность шифратора будет равна 5.

Рисунок 2 – Распределение выводов ДУ

 

 

 Данные с шифратора  поступают на параллельный регистр; передача данных осуществляется по фронту внешнего сигнала тактирования с генератора импульсов. Сигнал с регистра RG передается в устройство сравнения. Также ко входу устройства сравнения подключаются 5 разрядов последовательно-параллельного регистра . Устройство сравнения анализирует поступившие сигналы. В случае совпадения на выходе схемы присутствует логическая единица.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.СИНТЕЗ БЛОКОВ  ДИСКРЕТНОГО УСТРОЙСТВА

2.1 Синтез генератора  импульсов

Генератор импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы с заданной частотой. Схема генератора приведена на рисунке 3. Частота импульсов определяется значением емкости конденсатора С1. Резистор R1, включенный параллельно инвертору на базе элементов ИЛИ-НЕ, является обратной отрицательной связью, обеспечивает цепь заряда-разряда конденсатора С1.

Элемент D1.3 является буферным, разделяя таким образом цепь заряда-разряда и цепи синхронизации.

Рисунок 3 – Схема генератора импульсов

 

Элемент D1.3 является буферным, разделяя цепь заряда-разряда конденсатора и линию выхода. Частота следования импульсов примем 100кГц. Значение сопротивления R1 составит 300 Ом, для задания частоты 100кГц С1 должно составить 0,1мкФ. На выходе генератора присутствует сигнал со скважностью ½.

Рисунок 4 – Временная диаграмма работы генератора

 

 

 

2.2 Синтез счетчика  импульсов

Построим вычитающий счетчик с параллельным переносом на JK - триггерах и Ксч = 24. Логические связи между триггерами реализуем в базисе «ИЛИ-НЕ». Для синтеза данного счетчика необходимо построить таблицу истинности, в которую включаются столбцы текущих и последующих состояний триггеров счетчика, столбцы определения функций возбуждения (вызывающих переключения) триггеров и столбец номера входного импульса. Количество триггеров счетчика определяется по той же формуле, что и для асинхронных счетчиков. Заполнение столбцов функций возбуждения триггеров осуществляется на основе переходов для JK -триггера (таблица 1).

Столбцы текущих состояний в таблице истинности счетчика (таблица 1.19) показывают код десятичного числа в столбце с номером входного импульса, а столбцы последующих состояний – уменьшенный на единицу код десятичного числа столбца с номером входного импульса.

Таблица 1 – Таблица переходов JK - триггера

Q	J	K
0 ® 0	0	~
0 ® 1	1	~
1 ® 0	~	1
1 ® 1	~	0

 

Количество триггеров для Ксч = 24 будет равно k=int[log224]=5. Заполним таблицу истинности счетчика. В последней строке таблицы зададим переход триггеров в исходное состояние (код 11000), что равносильно автоматической установке счетчика в начальное положение. Поскольку счетчик должен быть вычитающим, то в столбце с номером входного импульса десятичное число все время уменьшается на единицу. Таблицу истинности строится для определения функций возбуждения JK триггеров таким образом, чтобы они вызвали реализацию триггерами алгоритма вычитания в двоичной интерпретации.

После того как текущие и последующие состояния триггеров заполнены, приступим к определению функций Ji и Ki для каждого из триггеров счетчика.

 

Таблица 2 – Таблица истинности вычитающего счетчика с Ксч=24

№ п.п	Текущие состояния триггеров					Последующие состояния триггеров					Функции возбуждения
	Q1	Q2	Q3	Q4	Q5	Q1	Q2	Q3	Q4	Q5	J1	K1	J2	K2	J3	K3	J4	K4	J5	K5
24	1	1	0	0	0	1	0	1	1	1	~	0	~	1	1	~	1	~	1	~
23	1	0	1	1	1	1	0	1	1	0	~	0	0	~	~	0	~	0	~	1
22	1	0	1	1	0	1	0	1	0	1	~	0	0	~	~	0	~	1	1	~
21	1	0	1	0	1	1	0	1	0	0	~	0	0	~	~	0	0	~	~	1
20	1	0	1	0	0	1	0	0	1	1	~	0	0	~	~	1	1	~	1	~
19	1	0	0	1	1	1	0	0	1	0	~	0	0	~	0	~	~	0	~	1
18	1	0	0	1	0	1	0	0	0	1	~	0	0	~	0	~	~	1	1	~
17	1	0	0	0	1	1	0	0	0	0	~	0	0	~	0	~	0	~	~	1
16	1	0	0	0	0	0	1	1	1	1	~	1	1	~	1	~	1	~	1	~
15	0	1	1	1	1	0	1	1	1	0	0	~	~	0	~	0	~	0	~	1
14	0	1	1	1	0	0	1	1	0	1	0	~	~	0	~	0	~	1	1	~
13	0	1	1	0	1	0	1	1	0	0	0	~	~	0	~	0	0	~	~	1
12	0	1	1	0	0	0	1	0	1	1	0	~	~	0	~	1	1	~	1	~
11	0	1	0	1	1	0	1	0	1	0	0	~	~	0	0	~	~	0	~	1
10	0	1	0	1	0	0	1	0	0	1	0	~	~	0	0	~	~	1	1	~
9	0	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	~	~	0	0	~	0	~	~	1
8	0	1	0	0	0	0	0	1	1	1	0	~	~	1	1	~	1	~	1	~
7	0	0	1	1	1	0	0	1	1	0	0	~	0	~	~	0	~	0	~	1
6	0	0	1	1	0	0	0	1	0	1	0	~	0	~	~	0	~	1	1	~
5	0	0	1	0	1	0	0	1	0	0	0	~	0	~	~	0	0	~	~	1
4	0	0	1	0	0	0	0	0	1	1	0	~	0	~	~	1	1	~	1	~
3	0	0	0	1	1	0	0	0	1	0	0	~	0	~	0	~	~	0	~	1
2	0	0	0	1	0	0	0	0	0	1	0	~	0	~	0	~	~	1	1	~
1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	~	0	~	0	~	0	~	~	1
0	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0	1	~	1	~	0	~	0	~	0	~

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Карта соответствия десятичного кода счета

 

Рисунок 6 – Упрощение с помощью карты Карно для J1

Исходя из рисунка 6, получим значение для функции возбуждения J1:

 

Рисунок 7 – Упрощение с помощью карты Карно для К1

Исходя из рисунка 7, получим значение для функции возбуждения К1:

 

Рисунок 8 –Карта Карно для J2

Исходя из рисунка 8, получим значение для функции возбуждения J2:

;

Рисунок 9 – Упрощение с помощью карты Карно для К2

Исходя из рисунка 9, получим значение для функции возбуждения K2:

;

Рисунок 10 – Упрощение с помощью карты Карно для J3

Исходя из рисунка 10, получим значение для функции возбуждения J3:

;

Рисунок 11 – Упрощение с помощью карты Карно для K3

Исходя из рисунка 11, получим значение для функции возбуждения K3:

;

Рисунок 12 – Упрощение с помощью карты Карно для J4

Исходя из рисунка 12, получим значение для функции возбуждения J4:

 

Рисунок 13 – Упрощение с помощью карты Карно для K4

Исходя из рисунка 13, получим значение для функции возбуждения K4:

;

Рисунок 14 – Упрощение с помощью карты Карно для J5

Исходя из рисунка 14, получим значение для функции возбуждения J5:

 

Рисунок 15 – Упрощение с помощью карты Карно для K5

Исходя из рисунка 15, получим значение для функции возбуждения K5:

;

После упрощения функций выходного устройства получим следующие значения для функцию возбуждения JK-триггеров.

; ;

; ;

; ;

; ;

 ;

Преобразуем функции к функции Вебба для реализации базиса ИЛИ-НЕ:

Функция ИЛИ-НЕ реализуется функцией Вебба. Она реализует операцию «стрелка Пирса». Обозначается следующим образом:

 

Таким образом преобразование сведется к следующему:

 

 

 

 

 

 

Проведем преобразование для необходимых функций:

 

 

 

 

 

 

В таблице истинности задан переход счетчика в исходное состояние при достижении им нуля, специальная схема переустановки не требуется. Для начальной установки при запуске системы используем ручной перезапуск. При перезапуске на входы Set и Reset подается комбинация установки (11000).

В схеме предусмотрена система переустановки. Схема включена в принципиальную схему счетчика. Ручная переустановка происходит после нажатия на выключатель SB1. При запуске системы на базу транзистора VT2 подается напряжение через делитель напряжения, построенный на резисторах R3 и R4. Транзистор переходит в открытое состояние, и по цепи коллектор-эмиттер протекает ток через сопротивление R2. При нажатии на выключатель резистор шунтируется, напряжение на базе при этом снижается до минимального, при этом транзистор VT2 закрывается, цепь коллектор-эмиттер закрывается, на входы S1, R2, S3, R4, R5 подается логический ‘0’ – система устанавливается в состояние, эквивалентное 24 (код 11000). 

Рисунок 16 – Принципиальная схема счетчика

Рисунок 17 – Принципиальная схема системы сброса счетчика, а также регистров

 

 

2.3 Синтез дешифратора

Дешифратор – комбинационное дискретное устройство, позволяющее получить на одном из десятичных выходов логическую единицу, эквивалентную поданному на входы двоичному коду.  На входе дешифратора присутствует двоичный код. Так как дешифратор работает с фиксированными значениями кода, составим таблицу истинности (таблица 3).

Дешифратор реализуем на 8и канальных мультиплексорах с 3 адресными входами.

Так как адресных входов только 3 а переменных у функций на выходе дешифратора 5 будем раскладывать функцию по 3 переменным соответствующим адресным входам мультиплексора.

Также используем элементы ИЛИ-НЕ.

Таблица 3 – Таблица истинности дешифратора

Двоичные кодовые слова					Десятичное число
X1	X2	X3	X4	X5	Yi
0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	1	1
0	0	0	1	0	2
0	0	0	1	1	3
0	0	1	0	0	4
0	0	1	0	1	5
0	0	1	1	0	6
0	0	1	1	1	7
0	1	0	0	0	8
0	1	0	0	1	9
0	1	0	1	0	10
0	1	0	1	1	11
0	1	1	0	0	12
0	1	1	0	1	13
0	1	1	1	0	14
0	1	1	1	1	15
1	0	0	0	1	16
1	0	0	1	0	17
1	0	0	1	1	18
1	0	1	0	0	19
1	0	1	0	1	20
1	0	1	1	0	21
1	0	1	1	1	22
1	1	0	0	0	23
1	1	0	0	1	24