Применение микросхем малой интеграции для разработки кодирующих устройств широкого применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Разработка структурной схемы и описание её работы

2. Разработка объединённой таблицы истинности для пяти входных переменных А-Е, отражающих номер буквы по алфавиту и её минимизация с помощью карт Карно

3. Разработка схемы электрической принципиальной и расчёт её узлов

3.1 Разработка и расчёт генератора импульсов

3.2 Разработка многоразрядного счётчика

3.3 Разработка схемы формирования импульса записи

3.4 Разработка выходных регистров памяти (запоминающих устройств)

3.5 Расчёт схемы сброса по питанию

4. Разработка блока питания устройства

5. Расчёт энергетических параметров схемы

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Цифровая обработка данных с помощью автоматических устройств является результатом технического прогресса не только последних десятилетий. Еще в средние века были созданы примитивные по современным понятиям решающие устройства, которые могли выполнять такие несложные вычислительные действия, как сложение и вычитание. Эти вычислительные машины, работавшие на чисто механическом принципе, были столь велики по размерам и дороги, что, конечно же, тогда не могло быть и речи о той популярности, которой пользуются, например, современные карманные калькуляторы.

Эти машины предназначались для исследовательских целей и ими пользовались в основном их изобретатели. Впрочем, это не означало, что подобные научные разработки были совершенно бесполезными. Они обогащали науку в целом и, конечно, давали определенный вклад в развитие технологии изготовления серийных машин и автоматов в течение последующих веков, в особенности в XIX в. Проблему создания электронных вычислительных машин и автоматов стали широко обсуждать впервые после изобретения радиоламп в начале XX в. В эти годы были созданы различные схемы, которые впоследствии применялись в качестве базовых элементов цифровых схем. Здесь имеются в виду различные генераторы (типа мультивибраторов), а также логические схемы, реализующие функции И, ИЛИ и НЕ (обращения, инверсии), и усилители считывания для магнитных запоминающих устройств (ЗУ). Перед второй мировой войной впервые была сделана попытка создать полномасштабную электронную вычислительную машину (ЭВМ), в которой использовались радиолампы, селеновые диоды и магнитные запоминающие элементы для регистров и ЗУ.

В Голландии развитие вычислительной техники началось после второй мировой войны. Работы в области создания ЭВМ были начаты почти одновременно в Математическом центре в Амстердаме, в лаборатории РТТ в Лейдшендаме (д-ром Нехерлабом) и в Национальной лаборатории Филипса в Эйндхо-вене.

Как известно, первая ЭВМ, созданная в Математическом центре, была собрана из релейных элементов. Конструкция машины была признана неудачной из-за постоянных сбоев, возникающих в результате загрязнения контактов реле. Уже в начале 50-х годов были разработаны электронные машины, которые имели лучшие характеристики. Первые ЭВМ назывались ARRA (аббревиатура от словосочетания Automatische Relais Rekenmachine Amsterdam), т.е. назывались так же, как и предыдущие машины, которые, как уже говорилось выше, были собраны исключительно из релейных элементов.

Для новых ЭВМ из-за интенсивного тепловыделения многочисленных радиоламп потребовалась эффективная система охлаждения с большими вентиляторами, смонтированными внутри корпуса ЭВМ. Вентильные схемы ARRA собирались из селеновых диодов и радиоламп (двойных триодов), а в качестве запоминающих элементов регистров применялись магнитные кольцевые сердечники. Для хранения команд и других данных использовались барабанные ЗУ. Ввод информации осуществлялся с помощью устройства собственного изготовления для считывания перфолент, а вывод информации - с помощью модифицированной электрической пишущей машинки.

Из-за низкого качества селеновых диодов и относительно быстрого старения радиоламп эту ЭВМ вряд ли можно было рассматривать как высококачественное изделие, пригодное для крупномасштабного производства. Тем не менее ARRA в течение ряда лет использовалась для решения научно-исследовательских задач.

В конце 1957 г. была создана ЭВМ XI, разработанная в Математическом центре и выполненная полностью на транзисторах. Эта ЭВМ впоследствии была запущена в массовое производство существовавшей в то время фирмой N.V. Electrologica (г. Рейсвейк).

В ЭВМ XI, которая была значительно меньше по размерам, чем ламповые ЭВМ, логические элементы, такие, как схемы И, ИЛИ и обращения (инверсии), были собраны из дискретных компонентов, смонтированных на печатной плате. Эта плата, снабженная периферийными контактами с покрытием из тонкого слоя золота, собиралась в виде единого модуля. На одной плате располагались две схемы И-НЕ с тремя входами на каждую, которые были изготовлены из ДТЛ-элементов. Соединения между модулями, необходимые для реализации требуемых вычислительных функций, выполнялись с помощью проводников.

Монтаж ЭВМ, состоящей из дискретных компонентов и проволочных соединений, оказался очень трудоемким процессом, что привело к существенному удорожанию подобных систем. Изменение элементной базы произошло в середине 60-х годов» когда на рынке появились интегральные схемы (ИС) первоначально с небольшой плотностью расположения элементов, например по четыре схемы типа И-НЕ на одном кристалле, а затем и с более высокой плотностью, что позволило реализовать более сложные функции. Под более сложными мы понимаем функции, реализуемые в схемах селекторов, мультиплексоров, демультиплексоров, сумматоров, декадных и шестнадцатеричных счетчиков и других устройств.

Вначале устройства на интегральных схемах были выполнены на ДТЛ-элементах, а затем на ТТЛ-элементах. Последние применяются и в настоящее время.

Позднее семейство цифровых схем пополнилось КМОП-структурами, которые в настоящее время находят все большее применение, а ТТЛ-схемы продолжают совершенствоваться в направлении увеличения скоростей переключения и уровня допустимого тепловыделения.

Благодаря высокой степени интеграции (несколько десятков-схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ на одном кристалле) стоимость цифровых схем существенно снизилась. Кроме того, совершенствование технологии изготовления привело к росту производства ИС. Указанные факторы повлияли на стоимость ЭВМ, тем более что за счет меньших размеров модулей на одной плате стало возможным разместить большее число ИС. Небольшие по размерам вставные модули типа использованных в ЭВМ XI были заменены одной большой платой с десятками ИС. Такие платы затем соединяются с другими платами.

Взаимные соединения между отдельными платами, осуществляемые с помощью разъемов, первоначально производились в стойках с применением монтажа накруткой или стежковой сваркой, однако в дальнейшем от этой технологии отказались, чтобы освободить место для печатного монтажа на обратной стороне платы.

В середине 60-х годов был достигнут большой прогресс в разработке МОП-транзистора - элемента с ничтожно малым тепловыделением и простой конструкцией. Эти факторы позволили изготовить ИС с еще более высокой плотностью расположения элементов, что, в свою очередь, привело к сборке целого процессора (т. е. основы ЭВМ) на одном кристалле небольших размеров.

В начале 70-х годов фирме Intel (США) удалось разработать микропроцессор (ЦП), хотя вначале его набор команд и разрядность шины данных были небольшими. За первым микропроцессором типа 4004 вскоре был создан микропроцессор типа 8008 с 8-разрядной шиной передачи данных, а затем - микропроцессор 8080 с более совершенной системой команд.

В настоящее время разрабатываются микропроцессоры с 16-разрядными шинами передачи данных (1 бит = 1 двоичному числу) и с еще большим набором команд. Эти микропроцессоры изготавливаются теперь многими фирмами.

Одновременно с созданием микропроцессоров разрабатывались полупроводниковые ЗУ на МОП-транзисторах, поэтому в настоящее время уже на одной плате можно разместить целый компьютер. Цена такого компьютера составляет от сотни до нескольких тысяч долларов, а зависимости от объема ЗУ и состава системы внешних устройств для ввода данных и вывода на магнитную ленту.

С появлением микропроцессоров область применения ЭВМ существенно расширилась. Если вначале компьютеры применялись только в научно-исследовательской работе и АСУ, то сегодня их можно встретить и в швейных машинках, бензоколонках и в кассовых аппаратах. Можно назвать также персональные компьютеры, которые используются не только любителями разнообразных хобби, но и профессионалами, занимающимися разработкой проектов автоматизации систем распределения газа, электричества и воды и других систем управления процессами.

Несмотря на интенсивную разработку микропроцессоров, потребность в схемах на ТТЛ- и КМОП-элементах с относительно невысокой степенью интеграции остается, как и прежде, большой. Это связано с тем, что такие элементы обеспечивают большую гибкость при разработке логических схем, предназначенных для применений, в которых важную роль играют скорость переключения, небольшие размеры и небольшая стоимость.



1. Разработка структурной схемы и описание её работы

Рис. 1. Структурная схема устройства

Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы с заданной по условию частотой, которые поступают на счётный вход счётчика. На выходе счётчика формируются двоичные числа от 0 до 31 - коды букв русского алфавита, которые подаются на вход устройства сравнения и запоминающего устройства. В случае совпадения двоичного кода буквы с кодом буквы фамилии на выходе устройства сравнения появляется сигнал, разрешающий запись в соответствующий элемент запоминающего устройства. Схема сброса по питанию служит для сброса счётчика при подаче питания на схему.



2. Разработка объединённой таблицы истинности для пяти входных переменных А-Е, отражающих номер буквы по алфавиту и её минимизация с помощью карт Карно

Таблица 1

Объединённая таблица истинности

		A	B	C	D	E	ч	е	р	е	н	к	е	в	и	ч
0	-						0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	А	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	Б	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0
3	В	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
4	Г	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
5	Д	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
6	Е	0	0	1	1	0	0	1	0	1	0	0	1	0	0	0
7	Ж	0	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
8	З	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
9	И	0	1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0
10	Й	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
11	К	0	1	0	1	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0
12	Л	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
13	М	0	1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
14	Н	0	1	1	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0
15	О	0	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
16	П	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
17	Р	1	0	0	0	1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0
18	С	1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
19	Т	1	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
20	У	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
21	Ф	1	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
22	Х	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
23	Ц	1	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
24	Ч	1	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1
25	Ш	1	1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
26	Щ	1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
27	Ы	1	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
28	Ь	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
29	Э	1	1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
30/31	Ю/Я	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Из таблицы 1 получаем коды букв фамилии:

Таблица 2

Коды букв фамилии

№	Буква	Разряды кода букв	N
		A	B	C	D	E
1	Ч	1	1	0	0	0	0	0	0	0
2	Е	0	0	1	1	0	0	0	0	1
3	Р	1	0	0	0	1	0	0	1	0
4	Е	0	0	1	1	0	0	0	1	1
5	Н	0	1	1	1	0	0	1	0	0
6	К	0	1	0	1	1	0	1	0	1
7	Е	0	0	1	1	0	0	1	1	0
8	В	0	0	0	1	1	0	1	1	1
9	И	0	1	0	0	1	1	0	0	0
10	Ч	1	1	0	0	0	1	0	0	1

Составляем булево выражение по таблице 2:

Заполняем карты Карно(рис. 3.1.):

Рисунок 3.1 Карты Карно

После упрощения булева выражения с помощью карт Карно получаем:

3. Разработка схемы электрической принципиальной и расчёт её узлов.

3.1 Разработка и расчёт генератора импульсов

Специализированные микросхемы - одновибраторы, таймеры - выпускают в различных сериях ТТЛ и КМОП. Они обладают широкими функциональными возможностями, но самое главное - имеют значительно меньшие погрешности длительности выходных импульсов, а также слабую зависимость длительности от температуры, питающего напряжения, от времени и от замены микросхемы.

По условию генератор импульсов должен обладать нестабильностью частоты ±5%. Также, так как номер по журналу нечётный, должны применяться только микросхемы ТТЛ-серии. Этим условиям удовлетворяет генератор на микросхеме К155АГ3. Данная микросхема содержит 2 одновибратора и обладает перезапуском, т.е. возможностью повторного запуска в то время, пока не закончилось формирование выходного импульса, при этом длительность выходного импульса увеличивается на интервал времени между первым и последующими запусками. Условное графическое обозначение и таблица состояний микросхемы К155АГ3 приведены на рисунке 4.1.

Рисунок 3.1.1 УГО и таблица состояний микросхемы К155АГ3



Рисунок 3.1.2 Структурная схема микросхемы К155АГ3

Рассчитаем номиналы элементов, необходимых для работы генератора импульсов с заданной по условию частотой:

;

;

Примем R=2кОм, тогда:

;

По справочнику [2] выбираем резистор R:

R: МЛТ- 0.125 - 2кОм 5%;

По справочнику [2] выбираем конденсатор С:

C: КМ-6А -50 В - 2.2 пФ 20%;

3.2 Разработка многоразрядного счётчика

В качестве многоразрядного счётчика будем использовать микросхему К155ИЕ19.

Микросхема К155ИЕ19 - два четырехразрядных двоичных счетчика , каждый из которых имеет два входа: R - для установки триггеров счетчика в 0 при подаче на вход R лог. 1 и С - для подачи счетных импульсов. Срабатывание триггеров счетчика происходит по спадам импульсов положительной полярности, подаваемых на вход С, выходной код счетчиков - стандартный, 1-2-4-8. Для соединения счетчиков в многоразрядный выходы 8 предыдущих разрядов необходимо соединить со входами С последующих. Каждый из четырёхразрядных счётчиков имеет инверсный динамический вход синхронизации и инверсный статический вход сброса . Если на вход сброса подать напряжение высокого уровня, то счётчик по всем выходам устанавливается в нулевое состояние. Когда на вход подано напряжение низкого уровня, то с приходом на вход отрицательного перепада (спада) тактового импульса начнётся режим счёта.

Рисунок 3.2.1 УГО микросхемы К155ИЕ19

Рисунок 3.2.2 Схема включения микросхемы К155ИЕ19

Так как счёт происходит по спаду импульса, то сигнал переноса снимаем с выхода 3-го разряда первого счётчика и подаём на вход второго счётчика. Таким образом, образуется восьмиразрядный двоичный счётчик импульсов, первые 5 разрядов которого будем использовать в качестве счётчика кода букв алфавита.

кодирование буква карно память

3.3 Разработка сравнивающего устройства

В качестве сравнивающего устройства будем использовать микросхемы дешифраторов К155ИД3. Микросхема К155ИД3 имеет 4 адресных входа 1,2,4,8, 2 инверсных входа стробирования S, объединённых по И и 16 выходов 0 - 15. Если на обоих входах стробирования логический 0, на том из выходов, номер которого соответствует двоичному эквиваленту входного кода(вход1 - младший разряд, вход 8 - старший),будет логический 0, на остальных выходах - логическая 1. Если хотя бы на одном изи входов стробирования S логическая 1, то независимо от состояний входов на всех выходах микросхемы формируется логическая 1. Наличие двух входов стробирования существенно расширяет возможности использования микросхем. Из двух микросхем К155ИД3, дополненных одним инвертором, можно собрать дешифратор на 32 выхода, дешифратор на 64 выхода собирается из четырёх микросхем К155ИД3 и двух инверторов, а на 256 выходов - из 17 микросхем К155ИД3.

Рисунок 3.3.1 УГО микросхемы К155ИД3

Рисунок 4.3.2 Структурная схема микросхемы К155ИД3

Рисунок 3.3.3 Использование двух микросхем К155ИД3 и инвертора К155ЛН1 для создания 32-разрядного дешифратора

3.4 Разработка запоминающего устройства

В качестве запоминающего устройства будем использовать микросхемы КР531ИР18 регистров памяти.

Микросхема КР531ИР18 - шестиразрядный регистр хранения информации. Запись информации в регистр производиться по спаду импульса отрицательной полярности на входе С, при этом на входе разрушения записи EL должен быть логический 0. Если на входе EL логическая 1, то запись в регистр запрещена.

Рисунок 3.4.1 УГО микросхемы КР531ИР18

Рисунок 3.4.2 Структурная схема микросхемы КР531ИР18

3.5 Расчёт схемы сброса по питанию

Схема сброса по питанию применяется для установки логических элементов в исходное состояние при включении питания или при возникновении тупикового состояния электронной схемы. Тупиковые состояния могут возникать при подаче недопустимого сигнала на входы микросхем, при воздействии сильной помехи, неправильном подключении микросхем, т.е. при возникновении ошибки в схеме. К примеру, на входы S и R RS-триггера подаются одновременно сигналы активного уровня, на несколько входов классического шифратора одновременно подаётся «1» и т.д. А при включении питания, к примеру, счётчик может продолжать счёт вместо того, чтобы начать считать заново. Для предотвращения таких состояний организовывается сброс по питанию.

В данном устройстве применена схема сброса по питанию на основе конденсатора и резистора при прямом входе сброса микросхемы (рис.3.5.1).

Рисунок 3.5.1 Схемы сброса по питанию

Также необходимо организовать задержку порядка 1с при подаче напряжения питания. Для этого, зная период времени t=1c, рассчитаем номиналы элементов C и R:

c;

Конденсатор возьмем на 1 мкФ. Тогда R:

МОм;

По справочнику [2] выбираем резистор R:

R: МЛТ- 0.125 - 1 МОм 5%;

По справочнику [2] выбираем конденсатор С:

C: К75-43 -300 В - 1 мкФ 10%;

Так как период t значительно превышает максимально допустимую длительность фронта для ТТЛ-микросхем(200нс), то на выходе инвертора может возникнуть звон. Однако это допустимо, т.к. выходной сигнал подаётся на входы сброса микросхем, а не на входы данных.



4. Разработка блока питания устройства

Блок питания содержит 1 канал: источник U⁺ для питания микросхем.

Выбираем входное (выпрямленное напряжение):

Выбираем интегральный стабилизаторы КР1180ЕН5 со следующими параметрами:

Рис. 4.1 Схема включения КР1180ЕН5

Выбираем конденсаторы:

Выбираем схему выпрямителя на диодном мосте

Возьмём С=1000мкФ

С - К73-10 -16В - 1000 мкФ 10%;

Требования, предъявляемые к диодам моста:

Рис. 4.2 Схема выпрямления с фильтром

Выбираем диоды КД208А со следующими параметрами:

Требования, предъявляемые к трансформатору питания:

Выбираем многообмоточный унифицированный трансформатор для питания устройств на полупроводниковых приборах ТПП240 со следующими параметрами:

Напряжение на вторичных обмотках трансформатора, В	Максимальный ток вторичных обмоток, А	Максимальная мощность, Вт
11-12, 13-14	15-16, 17-18	19-20	21-22
1.24	2.5	0.34	0.34	1.7	14

Тип сердечника - броневой, магнитопровод ШЛ20Х20.

5. Расчёт энергетических параметров схемы

Средний ток потребления применённых в схеме устройства микросхем:

К155АГ3 - не более 66мА

К155ИД3- не более 56мА

КР531ИР18- не более 96мА

К155ИЕ19- не более 64мА

К155ЛН1- не более 33мА

КР1180ЕН5- не более 6 мА

Средний ток, потребляемый устройством, будет равен сумме всех токов, потребляемых используемыми микросхемами:

Напряжение питания микросхем серии ТТЛ - 5В. Рассчитаем среднюю мощность, потребляемую устройством:



Заключение

В результате выполнения курсового проекта было разработано устройство, позволяющее кодировать буквы фамилии студента с последующей записью кодов букв в регистры памяти.

Схема разработана на базе микросхем малой интеграции выполненных по ТТЛ технологии.

Можно выделить недостатки проекта: в первую очередь это большая потребляемая мощность, во-вторых, громоздкость схемы.

Применение микросхем малой интеграции для разработки кодирующих устройств широкого применения не целесообразно из-за очень сильного увеличения схемы при повышении разрядностей поступающих чисел. Для достижения малых габаритов и снижения потребления энергии, а так же гибкости в разработке рекомендуется использовать микропроцессорную технику, а при необходимости очень быстрого считывания высокочастотных сигналов, как аналоговых, так и цифровых, лучше всего подходят цифровые сигнальные процессоры.



Список использованной литературы

1. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. / Нефедов А.В. Т. 9.-М.: ИП РадиоСофт, 1999.- 512 с.

2. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Акимов и др. Мн.: Беларусь, 1994.

3. Полупроводниковые приборы: (диоды и транзисторы) / Галкин В.И., Прохоренко В.А. - Мн.: Беларусь, 1979.

4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / C.В. Якубовский и др.- М.: Радио и связь, 1989.

5. Интернет каталог фирмы STMicroelectronics [www.st.com].

6. Интернет каталог фирмы Texas Instruments [www.ti.com].

7. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. / Шило В.Л. М.: Радио и Связь, 1987.

Размещено на Allbest.ru