Цифровое устройство

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современный этап развития научно-технического прогресса характеризуется широким применением электроники и микроэлектроники во всех сферах жизни и деятельности человека. Важную роль при этом сыграло в появление и быстрое совершенствование интегральных микросхем - основной элементной базы современной электроники. Цифровые интегральные микросхемы применяются в вычислительных машинах и комплексах, в электронных устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах, аппаратуре связи и передачи данных, медицинской и бытовой аппаратуре.

Развитие современной техники и науки немыслимо без использования средств вычислительной техники при решении конструкторско-технологической, экономической, управленческой и других видов задач. Поэтому постоянно ужесточаются требования к надёжности, быстродействию, габаритам и весу электронных вычислительных машин (ЭВМ). В большей степени эти параметры определяются технологией изготовления отдельных деталей и ЭВМ в целом. Знание основных стадий производства ЭВМ, свойств используемых материалов, методов их обработки, путей снижения материалоёмкости, микроминиатюризации элементной базы вычислительных машин необходимо специалистам на всех этапах их изготовления.

С наступлением нового тысячелетия человечество вступило в важнейший и неизбежный период своего развития - эру информатизации. Необходимость информатизации обусловлена обостряющимся противоречием между ограниченностью естественных ресурсов и имеющимися способами и средствами удовлетворения растущих потребностей общества.

Общество нуждается в получении новой информации, прежде всего в процессе познания материального мира. Поэтому одна из основных проблем в период информатизации - это создание вычислительных средств с непрерывно возрастающей производительностью как незаменимого инструмента познания. Для наукоёмких отраслей требуется разрабатывать новые материалы, новые технологии, интеллектуальные инструменты. Для решения данной проблемы также требуются высокопроизводительные вычислительные средства.

Третьей проблемой является выпуск и распределение продукции. Разнообразие в производстве и распределение продукции влечёт нарастание потоков информации и объёмов вычислений, что приводит к массовому использованию средств связи в сфере потребления.

1 Выбор и обоснование элементной базы

Цифровое устройство должно иметь следующие параметры:

- частота синхронизации - не менее 1 МГц;

- потребляемая мощность - не более 0,08 Вт;

- ток нагрузки на выходах УЗ, У4, У5 - не менее 15 мА.

Из имеющихся микросхем ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), ТТЛШ (та же ТТЛ, но с ускоряющими прохождение сигнала диодами Шоттки), КМДП (на основе КМДП-транзисторов), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) похожими параметрами обладают микросхемы ТТЛ, ТТЛШ и КМДП.

ИМС изготовленные по технологии ЭСЛ получили широкое распространение в качестве элементной базы быстродействующей вычислительной техники и радиоэлектронной аппаратуры. Микросхемы на основе ЭСЛ имеют ряд достоинств, но их потребляемая мощность гораздо выше требуемой.

ИМС ТТЛ обладают средним быстродействием. Но так же, как и в предыдущем случае, потребляемая мощность все еще велика.

ИМС ТТЛШ отличается лишь более высоким быстродействием по сравнению с ТТЛ.

Как правило, ИМС, изготовленные по КМДП - технологии, обладают малой потребляемой мощностью, но и низким быстродействием, по сравнению с другими микросхемами. Кроме того они обладают высокой помехоустойчивостью.

Каждая серия микросхем имеет различные функциональные назначения и различные входные и выходные параметры. Для более рационального использования выбранных микросхем лучше всего их выбрать одной серии. Это позволяет без дополнительных преобразователей согласовать их между собой.

По данным параметрам цифрового устройства, необходимо, чтобы потребляемая мощность была не более 0,08 Вт, частота синхронизации 1МГц, следовательно, для данной схемы лучше всего использовать микросхемы, изготовленные по ТТЛ или ТТЛШ-технологии.

По заданным данным лучше всего подходят микросхемы ТТЛ: КР1531ЛА,КР1533ЛА3,КР1531ЛА4 (2И-НЕ, ЗИ-НЕ, 4И-НЕ соответственно).

Для установки на печатную плату применим в схеме электролитический конденсатор К50-6-500 мкФ10% ОЖО.460.177 ТУ и керамические конденсаторы К10У-5-0,4 мкФ10% ОЖО.456.121 ТУ.

2. Разработка принципиальной схемы

Для построения принципиальной схемы цифрового устройства необходимо составить уравнения для каждого выхода согласно таблице истинности.

Таблица 1 - Таблица истинности для пересчётной схемы:

Согласно таблице 1 составляем уравнения.

Для того, чтобы узнать какие сигналы следует подавать, нужно составить уравнения, которые с помощью карт Карно минимизировать. /1,2/.

Для входов Y0, Y1, Y2, Y3 карты Карно приведены в таблицах 2-5 соответственно.

Таблица 2 - Карта Карно для выхода Y0:

Согласно таблице 2 функция для входа Y0 будет иметь вид:

Y0=x3x1+x2x0+x3x2x1x0 = x3x1*x2x0*x3x2x1x0

Данная функция реализована на логических элементах DD2.1, DD2.2, DD3.1, ИМСКР1533ЛА3, КР1531ЛА4 на БКГР.024013.110ЭЗ.

Таблица 3 - Карта Карно для выхода Y1:

Согласно таблице 3, функция для входа Y1 будет иметь вид:

Y1=x3x2+x3x1x0+x3x1x0+x3x2x1x0 = x3x2*x3x1x0*x3x1x0*x3x2x1x0

Данная функция реализована на логических элементах DD2.3, DD4.1 DD4.2,DD3.2 ИМС КР1531ЛА1КР1533ЛА3, КР1531ЛА4 на БКГР.024013.110ЭЗ.

Таблица4 - Карта Карно для выхода Y2:

Согласно таблице 4 функция для входа Y2 будет иметь вид:

Y2=x2x1+x3x1x0+x3x2x1x0 = x2x1*x3x1x0*x3x2x1x0

Данная функция реализована на логических элементахDD2.4, DD4.3, DD5.1 ИМС КР1531ЛА1, КР1533ЛА3, КР1531ЛА4на БКГР.024013.110ЭЗ.

Таблица 5 - Карта Карно для выхода Y3:

Согласно таблице5 функция для входа Y3 будет иметь вид:

Y3=x3x2+x3x0+x3x1x0+x2x1x0 = x3x2*x3x0*x3x1x0*x2x1x0

Данная функция реализована на логических элементах DD6.1, DD6.2, DD7.1, DD7.2 ИМС КР1533ЛА3, КР1531ЛА4 на БКГР.024013.110ЭЗ.

Параметры микросхем, которые используются для построения устройства, приведены в таблице 6

Таблица 6:

3 Расчет потребляемой мощности и быстродействия схемы

Величина потребляемой мощности является важнейшим технико-экономическим показателем работы любой вычислительной машины.

От величины потребляемой мощности зависят затраты на эксплуатацию изделия и течение периода его использования, поэтому нередко по данному показателю осуществляют выбор какого-либо изделия из ряда других.

Величину потребляемой мощности Р_пот. Вт рассчитывают по формуле:

Где:

Р_потi - потребляемая мощность 1-ой микросхемы. Вт;

n - количество микросхем

Для микросхем мощность Р_потi, Вт, рассчитывается по формуле:

где I_cci- максимальный ток потребления ной микросхемы, А;

U_cci- напряжение питания, В.

Подставив формулу (1) в формулу (2) получим

Так как логические элементы, входящие в состав устройства переключаются с задержкой t_здр, то при изменении в некоторый момент времени комбинации входных сигналов выходные сигналы примут установившееся значение только после того, как закончатся процессы в соответствующих логических элементах.

При оценке быстродействия устройства необходимо выявить цепочку логических элементов между входами и выходами устройства, которая будет задавать наибольшую задержку, и сложить между собой задержки логических элементов этой цепочки.

Для расчёта времени задержки t_зд.р. выбираем цепочку состоящую из следующих элементов DD1.3, DD2.1, DD7.3 и рассчитаем по формуле:

где t_{здр.л.эл.} - время задержки логических элементов; к - количество ЛЭ в длинной цепочке. Исходя из формулы (4) время задержки устройства будет равно:

Подставим данные из таблицы 6 в формулу (4), получим:

t_здр=12+12+3,9=27,9нс

Рассчитаем частоту синхронизации f, МГц по формуле:

f=1/t_здр (5)

f=1/(27,910^-9)=3510^-6=35МГц

Потребляемая мощность устройства составляет 225 мВт, частота синхронизации - 35 МГц, ток нагрузки на выходах y₀,y₁,y₂,y₃,- 15 мА,что удовлетворяет требованиям задания.

4. Разработка печатного узла устройства

Количество микросхем расположенных на плате составляет 8шт на БКГР.024013.111.

Поэтому, для реализации необходима двухсторонняя печатная плата.

Ширину печатных проводников выбираем равную 0,3мм, расстояние между двумя соседними проводниками не менее 0,25 мм, по ГОСТ 23752 - 91. Габариты печатной платы ограничиваются лишь размещением печатных проводников на ней, поэтому расчет минимальной монтажной зоны не производится.

Диаметр контактных выводов микросхем составляет 0,5 мм, поэтому диаметр отверстий для них составит 0,7 мм, а диаметр контактных площадок -1,2 мм. Диаметры отверстий для проводов, которыми подключается схема и диаметры переходных отверстий выбираем равными 0,6 мм, диаметр контактных площадок - 1 мм. Диаметры отверстий для оставшихся элементов выбираем 0,8 мм, контактных площадок-1,2мм.

Выбираем шаг координатной сетки 1,25 мм, так как плотность монтажа высокая.

Для крепления и(или) установки в углах платы предусматриваем крепежные отверстия диаметром 3 мм, на расстоянии 3,75 мм от краев платы до центров самих отверстий.

Основной допуск на габариты печатной платы выбираем равным 0,5мм.

5. Разработка конструкции прибора

Располагаем микросхемы на печатной плате таким образом, чтобы ключи микросхем были направлены в одном направлении для уменьшения ошибок при установке их на печатную плату.

Установку элементов будем производить в соответствии с ГОСТ 29137-91. Микросхемы DD1-DD8- вариант установки 330.00.0000.00.00., конденсатор С1 вариант установки 180.00.0000.00.00, конденсаторы С2-С8 вариант установки 020.0204.05.0000. /7/.

На сборочном чертеже БКГР.024013.110 все обозначения элементов указаны условно.

Пайка производиться припоем ПОС61 ГОСТ 29131-76.

Устанавливаться печатная плата в изделие будет перпендикулярно основанию корпуса изделия для этого предусмотрены крепёжные отверстия диаметром 3 мм, на расстоянии 5 мм от краёв платы до центров отверстий.

Заключение

На практической работе был разработано цифровое устройство обеспечивающие преобразование входных сигналов Х0,Х1, Х2, Х3 в выходные Y0, Y1, Y2, Y3.

Питание схемы осуществляется по двухпроводной линии с постоянным напряжением 5В. цифровой устройство прибор

Разработана принципиальная схема БКГР.024013.110ЭЗ, печатная плата БКГР.02024013.111, сборочный чертёж БКГР.024013.110СБ.

Параметры цифрового устройства:

Напряжение питания 5 В

Частота синхронизации 35 Мгц

Потребляемая мощность 0,225 Вт

Ток на выходах 15 мА.

Список использованных источников

1. Галкин В.И., Пелевин Е. В. Промышленная электроника и микроэлектроника. Учеб - Мн.: Беларусь, 2000

2. Евреинов Э.В. Цифровая и вычислительная техника: Учеб. - Мн.: Радио и связь, 1989

3. М.И. Богданович, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо. Цифровые и интегральные микросхемы: Справ.: Беларусь, 1991

4. Акимов Н.И. Справочник резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели , коммутационные элементы,реле.Мн.:Беларусь,1994

5. ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры конструкции

6. ГОСТ 2.417-91. Платы печатные. Правила выполнения чертежей

7. ГОСТ10317-79. Платы печатные. Основные размеры

8. ГОСТ 29137-91. Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы

Размещено на Allbest.ru