Устройство синхронизации сигналов

Карта Карно для функций φ4S

-	-	-	-	-	-	-	-
-	1	1	-	-	-	-	-
1	1	1	1	1	1	1	1
1	0	1	1	1	1	0	0
-	-	-	-	-	-	-	-
1	-	-	1	1	-	-	1
-	-	-	-	1	-	-	1
-	-	-	-	-	-	-	-

Карта Карно для функций φ4R

 

8) Составление логической схемы устройства

φ1S = ; φ1R =

φ2S = ; φ2R =

φ3S = ; φ3R =

φ4S = ; φ4R =

y =

Логическая схема конечного автомата на RS-триггерах:

Для реализации синтезируемого автомата требуются RS-триггеры, целесообразно реализовать триггеры на элементах И-НЕ.

 

9) Выбор метода обеспечения контролепригодности и преобразование схемы устройства

Для повышения контролепригодности разрабатываемого устройства можно предусмотреть ряд мер:

1) Обеспечение простоты  начальной установки элементов  памяти. В схеме должна обеспечиваться  возможность установки всех элементов  в начальное состояние.

2) Улучшение характеристик наблюдаемости можно достичь за счет обеспечения доступа к ключевым точкам схемы. Но для того чтобы вывести контрольные точки на внешние узлы схемы потребуется ввести дополнительную ИС. Учитывая простоту тестирования синтезированного устройства, введение дополнительной ИС будет нецелесообразно для повышения контролепригодности конечного автомата.

Схема преобразованного конечного автомата с учетом ввода цепи сброса:

 

 

 

 

 

 

 

 

10) Выбор  элементной базы

Технология	Тип	Серия	Параметр
			Рпот, мВт		tр. тип, нс	tр. макс, нс
Б и п о л я р н ы е	ТТЛ (Si) быстродействующие	130 К131	22 22		6 6	10 10
	ТТЛ (Si) стандартные	К133 КМ133 К155 КМ155	10 10 10 10		10 10 10 10	22 22 22 22
	ТТЛ (Si) маломощные	134	1		33	100
	ТТЛШ (Si) быстродействующие	530 КР531 КМ531	19 19 19		3 3 3	5 5 5
	ТТЛШ (Si) маломощные	533 К555 КМ555	2 2 2		9,5 9,5 9,5	20 20 20
	ТТЛШ (Si) быстродействующие усовершенствованные	1531 КР1531	4 4		3 2	6 3,9
	ТТЛШ (Si) маломощные усовершенствованные	КР1533	1		4	11
	ЭСЛ (Si)	100 К500 К1500	25 25 40		2 2 0,75	2,9 2,9
Униполярные	КМОП (Si)	К561	20	на 1 МГц	45	200
		564	20		45	200
		1564	2		10	20
		КР1554	1		3,5	7
		5514	1		˂3,5	˂7
	НОПТШ (GaAs)	К6500	3..6		0,1	0,42

Примечания.

Рпот.- средняя потребляемая мощность.

tр. тип, tр. макс.- время задержки распространения сигнала (типовое и максимальное).

Рассчитаем допустимую глубину и сложность схемы для различных серий ИС, учитывая, что максимальная потребляемая мощность 140 мВт, а значение тактовой частоты 0,75 МГц (tпер.макс.=1/8f=167нс), получим следующую таблицу:

Серия	Параметр
	глубина схемы	сложность схемы
130 К131	16(27) 16(27)	6 6
К133 КМ133 К155 КМ155	7(16) 7(16) 7(16) 7(16)	14 14 14 14
134	1(5)	140
530 КР531 КМ531	33(55) 33(55) 33(55)	7 7 7
533 К555 КМ555	8(17) 8(17) 8(17)	70 70 70
1531 КР1531	27(55) 42(83)	35 35
КР1533	15(41)	150
100 К500 К1500	57(83) 57(83) 222	5 5 3
К561	- (3)	9
564	- (3)	9
1564	8(16)	93
КР1554	23(47)	186
5514	˂23(47)	186
К6500	397(1670)	23..46

Из всех рассмотренных серий ИС только 1533, 1531, 5514, 1554 и К6500 могут быть использованы для реализации синтезируемого устройства синхронизации. Причем использование ИС серии 1533 накладывает более жесткие ограничения по глубине проектируемой схемы, а ИС серии К6500 - по ее сложности. Кроме того, номенклатура ИС серии К6500 не обеспечивает ее использование для рассматриваемой задачи.

Проектируемое устройство имеет два входа и один выход, а его предполагаемая сложность - 40..50 элементов. Для реализации выберем серию 1533. Проверим возможность использования указанной серии ИС по условиям эксплуатации. Основные технические данные выбранной серии ИС, характеризующие их устойчивость к воздействию внешних факторов.

Наименование	Значение
	КР1533
Синусоидальная вибрация: диапазон, частот, Гц амплитуда ускорения, м/с2	От 1 до 2000 200
Механический удар одиночного действия: пиковое ударное ускорение, м/с2 длительность действия ударного ускорения, мс	1500   0,1-0,2
Механический удар многократного действия: пиковое ударное ускорение, м/с2 длительность действия ударного ускорения, мс	1500 1-5
Линейное ускорение, м/с2	5000
Пониженная температура среды, 0С: рабочая   Предельная	-10   -60
Повышенная температура среды, 0С: рабочая Предельная	70 85
Изменения температуры среды, 0С	от -65 до 85

Характеристики надежности и сохраняемости ИС:

Серия ИС	Наработка на отказ, ч	Срок сохраняемости, лет
КР1533	50000	15

 

Выбранная серия удовлетворяет техническому заданию по надежности.

11) Преобразование  схемы устройства с учетом  выбранной элементной базы 

С учетом преобразований, переходим к реализации функций выходов и функций возбуждения памяти на элементах И-НЕ, получаем следующие представления:

φ1S = ; φ1R = ;

 φ2S = ; φ2R = ;

φ3S = ; φ3R = ;

φ4S = ; φ4R = ;

y =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преобразованная схема с учетом выбранной элементной базы:

 

 

12) Разработка  принципиальной схемы устройства

Перечень элементов, необходимых для реализации каждой из синтезированных схем:

№	Тип ЛЭ	Коли-чество ЛЭ	Тип ИС	Количество ИС	Число неиспользуемых ЛЭ	Объем обору-дования
1	2И-НЕ	19	ЛА4	5	1	10
2	3И-НЕ	8	ЛА3	3	1
3	4И-НЕ	2	ЛА1	1	-
4	НЕ	5	ЛН1	1	1

 

Имеется три не используемых элемента, что позволяет обеспечить наблюдаемость состояний трех элементов памяти. Чтобы исключить низкочастотные помехи, на печатных платах вблизи разъема устанавливают развязывающие конденсаторы. Их емкость обычно выбирается из расчета не менее 0.1 мкФ на одну ИС. Для исключения высокочастотных помех, развязывающие конденсаторы рекомендуется размещать по площади печатной платы из расчета один конденсатор на группу не более чем из 10 ИС. Их емкость обычно выбирается из расчета не менее 0.002 мкФ на одну ИС. Выберем для установки на плате один конденсатор типа К10-17-в-Н90-1мкФ и один типа К10-17-в-Н50-0.022мкФ. Они полностью соответствуют требованиям предъявляемым к проектируемому устройству по условиям эксплуатации и надежности. Минимальный срок их сохраняемости 20 лет, а минимальная наработка 25000 ч. Так как рабочее напряжение проектируемого устройства меньше номинального, фактическое время наработки на отказ конденсаторов существенно превысит указанное. Поскольку суммарное количество выходных, входных шин и шин питания разрабатываемого устройства равно девяти, для установки на плате выберем разъем типа ГРПП3-14Ш. Принципиальная электрическая схема устройства  и спецификация приведены ниже.

 

 

13) Расчет основных  параметров устройства 

 

Рассчитаем время переключения синтезированного конечного автомата. Характеристики быстродействия ИС серии КР1533:

Тип ИС	Время задержки, нс Типовое-максимальное
	0 - 1	1 - 0	Усредненное
КР1533ЛА1	-11	-10	10,5
КР1533ЛА3	-11	-8	9,5
КР1533ЛА4	-11	-18	14,5
КР1533ЛН1	-11	-8	9,5

Для оценки быстродействия синтезированного автомата запишем наиболее длинный путь распространения сигнала в схеме:

НЕ - НЕ - 2И-НЕ - 2И-НЕ - 2И-НЕ - 2И-НЕ - 4И-НЕ - 2И-НЕ

Максимальное время переключения схемы составляет: 2*9,5+5*14,5+10,5 =  = 102 нс, что подтверждает выполнение требований (tпер.макс. = 167нс). Приведенная оценка по усредненному максимальному времени переключени ИС является завышенной. При такой оценке недостаточно учитывается, что время включения и время выключения логического элемента для ряда серий ИС существенно различаются.

Определим мощность, потребляемую синтезированным конечным автоматом. При оценке:

- все логические элементы  потребляют максимальный ток;

- 50% логических элементов  находятся в состоянии, при котором  на их выходах низкий уровень  напряжения, а 50% - в состоянии, при  котором на их выходах высокий  уровень выходного напряжения, что  соответствует расчету потребляемой  мощности по среднему значению  потребляемого логическим элементом  тока.

 

Характеристики токопотребления ИС серии 1533:

Тип ИС	Токопотребление, нс Типовое-максимальное
	Все выходы в 1	Все выходы в 0	Усредненное
КР1533ЛА1	0,2-0,4	0,8-1,5	0,5 - 0,95
КР1533ЛА3	0,5 - 0,85	1,5 - 3	1 - 1,925
КР1533ЛА4	0,32 - 0,6	1,2 - 2,2	0,76 - 1,4
КР1533ЛН1	0,7 - 1,1	2,9 - 4,2	1,8 - 2,65

Сначала рассчитаем потребляемый схемой ток:

Iср. = 1*0,5+3*1+5*0,76+1*1,8 = 9,1мА

Imax = 1*0,95+3*1,925+5*1,4+1*2,65 = 16,375мА

Следовательно, потребляемая схемой мощность, рассчитанная по максимальному потребляемому элементами току составит: Pmax=81,8 мВт, а по среднему потребляемому току: Pср. = 45,5 мВт.

Рассчитаем время наработки на отказ.

Интенсивность отказов устройства, содержащего разнотипные элементы, определяется следующим соотношением:

       Среднее  время наработки на отказ устройства  составляет:

Tср = 1/λ

Перечень комплектующих элементов устройства и значений интенсивности их отказов:

№	Тип элемента	Число элементов Q	λ [1/час]	Q*λ [1/час]
1	КР1533ЛА4 КР1533ЛА3 КР1533ЛА1 КР1533ЛН1	5 3 1 1	0.017*10-6 0.017*10-6 0.017*10-6 0.017*10-6	0.085*10-6 0.051*10-6 0.017*10-6 0,017*10-6
2	Паяные соединения	131	10-9	0.131*10-6
3	Конденсаторы	2	0.004*10-6	0.008*10-6
4	Вилка разъема	1	0.011*10-6	0.011*10-6
Суммарная интенсивность отказов				0.32*10-6