на релаксаційному процесі. На рисунку 1.2 подана схема генератора прямокутних імпульсів. Почнемо розгляд цієї схеми в довільний момент часу.

Нехай при цьому вихідний стан схеми такий: інвертор ОБІЛ закритий, на його виході рівень логічної одиниці, 001.2 відкритий і на його виході рівень логічного нуля.

Конденсатор С розряджений оскільки потенціал його обох обкладок приблизно дорівнює нулю. В цей момент часу закінчився регенеративний процес перекидання схеми і починається релаксаційний процес заряду конденсатора С прямокутних імпульсів.

В процесі заряду конденсатора зростає різниця потенціалів на його обкладках і оскільки на виході ОО 1.2 зберігається напруга, то напруга на 001.1 зростає по експоненті. Коли значення напруги стає вище порогового рівня ЛЕ, то починається регенеративний процес виходу схеми в новий стан.

По закінченню процесу перекидання стан схеми такий: інвертор 001.1 відкритий, на його виході рівень логічного нуля, а 001.2 закритий і на його виході високий рівень, конденсатор С розряджений.

Релаксаційний процес перезарядження конденсатора С через резистор R, який включений послідовно між виходами ОБ 1.1 і БО 1.2 визначає півперіоди, частоту генерації і шпаруватості вихідних імпульсів. Схема переходить у вихідний стан.

Регенеративний процес у схемі виникає внаслідок неперервного перезаряду конденсатора С через резистор Я. Якщо, наприклад, У=1, то за рахунок зворотного зв'язку Ґ = 0 і конденсатор С буде заряджатись (або перезаряджатись) через резистор R до напруги високого рівня.

1.4.2 Лічильник

Лічильник імпульсів - це цифровий вузол, який здійснює рахунок надходять на його вхід імпульсів. Результат рахунку формується лічильником в заданому коді і може зберігатися необхідний час.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лічильники будуються на тригерах, при цьому кількість імпульсів, що може підрахувати лічильник визначається з виразу N = 211- 1, де N - число тригерів, а мінус один, тому що в цифровій техніці за початок відліку приймається 0. Лічильники бувають підсумовуючі, коли рахунок йде на збільшення, і відраховуються - рахунок на зменшення. Якщо лічильник може перемикатися в процесі роботи з підсумовування на віднімання і навпаки, то він називається реверсивним.

В якості вихідного стану прийнято нульовий рівень на всіх виходах тригерів (01-03), тобто цифровий код 000. При цьому старшим розрядом є вихід 0 3. Для переведення всіх тригерів в нульовий стан входи Я тригерів об'єднані і на них подається необхідний рівень напруги (тобто імпульс, обнулює тригери).

На вхід С надходять тактові імпульси, які збільшують цифровий код на одиницю, тобто після приходу першого імпульсу перший тригер перемикається в стан 1 (код 1), після приходу другого імпульсу другий тригер перемикається в стан 1, а перший - у стан 0 (код 010), потім третій і т. д.

У результаті подібний пристрій може дорахувати до 7 (код 111),оскільки 2 3-1=7. Коли на всіх виходах тригерів встановилися одиниці, говорять, що лічильник переповнений. Після приходу наступного (дев'ятого) імпульсу лічильник обнулиться і почнеться все з початку. На графіках зміна станів тригерів відбувається з деякою затримкою І з. На третьому розряді затримка вже потроєна.

Збільшується з збільшенням числа розрядів затримка є недоліком лічильників з послідовним переносом, що, незважаючи на простоту, обмежує їх застосування в пристроях з невеликим числом розрядів.

Класифікація лічильників :

Лічильниками називають пристрої для підрахунку числа надійшли на їх вхід імпульсів (команд), запам'ятовування і зберігання результату рахунки і видачі цього результату.

Основним параметром лічильника є модуль рахунку (ємність) КС. Ця величина дорівнює числу стійких станів лічильника. Після надходження імпульсів у С лічильник повертається в початковий стан. Для двійкових лічильників С = 2 т, де т - число розрядів лічильника.

За типом функціонування:

- Підсумовують;

- Віднімаючий;

- Реверсивні.

У лічильнику що додає прихід кожного вхідного імпульсу збільшує результат рахунку на одиницю, в а у тому що віднімає - зменшує на одиницю; у реверсивних лічильниках може відбуватися як сумарний залік, так і віднімання.

За структурної організації:

- Послідовними;

- Паралельними;

- Послідовно-паралельними.

1.4.3 Дешифратор

Дешифратор - це логічне пристрій, що працює наступним чином: він отримує на вхід закодований сигнал (двійковий, двійково-десятковий і т.п.), і видає його на одному з п своїх виходів. Існують інші дешифратори, що перетворюють один код в іншій. Число входів дешифратора зазвичай менше числа виходів. Дешифратор призначений для розпізнавання (дешифрацій) числа, яке подане позиційним п-розрядним двійковим кодом. Найчастіше дешифратор П -- т виконує функцію перетворення двійкового кода в унітарний код "Із т'\ тобто виконує функцію, що обернена дії шифратора, і тому для повного дешифратора справедливе співвідношення т = 2n де m порядковий номер виходу Yi дешифратора.

Логіка роботи мікросхеми така: на входи даних мікросхеми подається цифровий код. У даному випадку - це будь трьохрозрядного двійкове число. Сенс роботи такого дешифратора - видати активний сигнал тільки на одному зі своїх виходів. На тому виході, номер якого відповідає двійкового коду, присутньому на його входах DО ... D2. У більшості сучасних дешифраторів активним сигналом на виході вважається низький логічний рівень.

Це означає, що при вступі на входи DО-D1 сигналу 0002, на виході «0» буде логічний нуль, а на всіх інших виходах-одиниця.

1.4.4 Індикатор

Семисегментний індикатор 8 являє собою пристрій, призначений для відображення цифрової інформації у вигляді десяткових цифр від 0 до 9.

На входи схеми надходить від дешифратора код семисегментного індикатора. Індикатор складається з 7 Індикаторних сегментів, кожен з яких являє собою світлодіод, або частину рідкокристалічної матриці, або катод люмінесцентної лампи. Розташування сегментів загальноприйняте у всіх типах індикаторів.

Характеризується розмірами (яскравістю свічення), які залежить від того де цей пристрій буде використовуватись; напругою свічення сегменту - яка подається на сегмент з дешифратора 7.

1.4.5 Мультиплексор

Мультиплексор -це комутатор який підключає один із його входів до єдиного виходу, вхід який буде підключено до виходу визначається комбінацією яка прийшла на керуючі входи .

Мультиплемксори відносяться до пристроїв комутування цифрової інформації. Вони здійснюють комутацію одного з декількох інформаційних входів xi до одного виходу y. Мультиплексори мають декілька інформаційних входів, адресні входи, вхід дозволу мультиплексування (стробуючий вхід) та один вихід.

Кожному з інформаційних входів мультиплексора відповідає номер, який називається адресою, двійкове число якого подається до адресних входів.

Число інформаційних входів nінф і число адресних входів nадр зв'язані співвідношенням: nінф=2nадр.

Адресний дешифратор D1, перетворює двійковий код у десятковий для керування роботою мультиплексора. В залежності від комбінації стану адресних входів а1 та а2 на одному з чотирьох виходів дешифратора з'являється одиничний потенціал, який дає дозвіл на спрацьовування відповідної схеми І (D2…D5). Наприклад, при адресному числі 01, коли а1= 1 та а2= 0, на виході 1 дешифратора D1 установлюється рівень логічної одиниці, а на всіх останніх -- нульовий. Тому логічний елемент D3 має дозвіл на спрацьовування.

Якщо при цьому на інформаційному вході x1 діє логічна одиниця, то на виході D3 установлюється 1, а при x1=0 на виході логічного елемента D3 буде теж нульовий потенціал. При цьому, незалежно від стану інформаційних входів x0, x2, x3, на виході логічного елемента АБО D6 інформація повторює стан x1. Якщо активізований вхід дозволу E=1, то на виході мультиплексора y з'являється 1 або 0 в залежності від значення x1.

Функціонування мультиплексора описується таблицею істинності

При нульовому керуючому сигналі E=0 зв'язок між інформаційними входами xi та виходом y відсутній. Тому незалежно (позначка «X») від стану адресних входів а1 та а2 вихід y нульовий. При E=1 на вихід передається логічний рівень того з

інформаційних входів xi номер якого i заданий на адресних входах. Логічний вигляд мультиплексора 4-1 має вигляд

Мультиплексори мають різне число входів, починаючи з 2. Деякі мультиплексори мають комплементарний вихід (прямий y та інверсний ).

При комутації багато-розрядних слів використовують декілька мультиплексорів, виходи яких з'єднуються за схемою АБО. Для цієї мети випускаються декілька однотипних мультиплексорів в одному корпусі.

1.4.6 Підключення дешифратора до індикатора.

При підключенні світлодіодного індикатора ми отримаємо схему в якій дешифратор подає високі або низькі рівні напруг, невідкриті аноди світло діода, тобто практично подається напруга живлення, якщо безпосередньо під єднати, світло діоди можуть вийти з ладу.

1)Визначимо спад напруги на резисторі:

UR = Еж - Uвд,

де UR - спад напруги на резисторі, В; Еж- напруга живлення, В; UД - напруга відкритого світлодіода, В.UВД = 2,5 В.Отже спад напруги рівний:UR= 5-2.5=2.5(В)

2) Визначимо опір резисторів: R= UR/13,

де І3 - номінальний струм запалювання світлодіодів, мА. І3 = 25 мА, R - опір резистора. Підставивши значення в формулу отримаємо:

R=2500/25 = 100(Ом)

1.4.7 Регістр

Будь-який регістр (рисунок 1.6) складається із з'єднаних в певній послідовності тригерів і в багатьох випадках логічних елементів для керування ними. Кожний тригер призначений для введення, зберігання і виведення одного розряду двійкового числа. Загальне число тригерів у регістрі визначає його розрядність. Якщо, наприклад, регістр складається з чотирьох тригерів, то він призначений для зберігання чотири розрядних двійкових чисел.

По можливості зміщення інформації розділяють :

– регістри зсуву ;

– нагромаджувальні регістри ;

У своїй схемі я використав регістри зсуву, проте, оскільки в даній схемі немає потреби використовувати функцію зсуву, я встановив на них режим роботи при якому буде відбуватись паралельне завантаження даних. Це можна зробити за допомогою спеціальних функціональних входів керування.

2. КОНСТРУКТОРСЬКА ЧАСТИНА

2.1 Обґрунтування вибору елементної бази

схемотехніка комп'ютерний схема

Виходячи з завдання, визначаємо тип логіки і базову серію інтегральних мікросхем, які мають використовуватись в проекті, виходячи з частотних параметрів пристрою.

Основні критерії якими задаються при виборі елементної бази, це швидкодія пристрою і енергія споживання, яка необхідна для забезпечення його нормальної роботи. Виходячи з цього вибирають серію з параметрами, що характерні для відповідного типу мікросхем.

Мікросхеми ТТЛ здатні працювати на високих частотах і виконувати роботу без помилок, але вони споживають велику потужність від джерела живлення тому при виборі ІМС для пристроїв які живляться від автономного джерела (батарейки) ТТЛ використовувати не можна.

ТТЛ набула широкого поширення в комп'ютерах, електронних музичних інструментах, а також в контрольно-вимірювальній апаратурі і автоматиці.

Мікросхеми КМОН, хоча споживають дуже мало енергії, особливо в режимі очікування, мають досить низьку швидкодію, притаманну схемам на польових транзисторах і тому не здатні працювати на частотах, що перевищують 1 МГц.

Тому якщо частота роботи схеми перевищує 1МГц краще використовувати ТТЛ, а для автономних приладів краще використовувати КМОН.

В проекті для реалізації завдання необхідно розробити цифровий кодовий замок в якому коди вводяться з допомогою однієї кнопки на протязі визначеного часу. Параметри пристрою задаються:

Розрядність вхідного коду - 4

Частота генератора 2 Гц

Оскільки при заданій частоті можна використовувати як мікросхеми TTЛ так і КМОН, в завданні обмежень на величину споживаної енергії немає, будемо використовувати мікросхеми ТТЛ.

Для складання схеми використовуємо елементи TTJI. Перелік елементів наведено в додатку 1. Опис інтегральних мікросхем, що використовуються наведено нижче.

2.2 Розрахунок елементів схеми

2.2.1. Розрахунок частоти генератора

Частота вихідних імпульсів становить f=2Гц, тобто період імпульсної послідовності Т/с:

T=f=1/2=0,5 (1.1)

Оскільки розрядність лічильника 4, то максимальна кількість різних станів, в яких може перебувати лічильник, тобто коефіцієнти переліку Кпер, визначається:

Кпер =2n=24=16 (1.2)

Період вихідних сигналів генератора Т, Гц:

Т = 1.4*R*С (1.3)

Звідки знаходимо R і С.

R визначаємо виходячи з типу елементної бази. Для всіх інтегральних мікросхем опір резистора забезпечує подання напруги близької до порогової , тобто спад напруги на ньому повинен бути близьким до напруги спрацювання логічного елементу. Для інтегральних мікросхем ТТЛ він повинен бути в межах від 100 Ом до 10 кОм.

Задаємося опором резистору R1 = 100 Ом.

Виходячи з заданої частоти знаходимо період імпульсів тактового генератора.

Визначаємо ємність С, нФ:

С = Т/1,4R = 0,5/1,4 *100 = 35 мФ (1.4)

Вибираємо конденсатор КТ-1 ємністю 35 мФ

2.3 Вибір мікросхем

2.3.1 Мікросхема К555ИР22

Мікросхема К555ИР22 (рисунок 2.1) - регістр з чотирма трактованими тригерами. Якщо на вході L подати напругу високого рівня а на входи DR напругу низького рівня, дані з входів прийдуть на виходи Q0-Q3 паралельно.

Саме такий режим роботи і потрібно використати для нормальної роботи нашої схеми згідно із завданням.

Якщо до виводі Y під'єднати індикатори, то у відповідь кожному двійковому коду буде горіти індикатор.

2.3.2 Мікросхема К555ИЕ6

Мікросхема К555ИЕ6 (Рисунок 2.2) - це чотирьохрозрядний двійковий лічильник і використовують як пристрій для підрахунку кількості сигналів, які надходять на його вхід.

Призначення входів:

D0…D3 - входи попереднього запису. Інформація записується в лічильник якщо буде подано дозвіл Е1 Е2.

L - вхід дозволу роботи мікросхеми.

C - вхід імпульсів по фронту.

R - вхід встановлення виходів в нульовий стан.

2.3.3 Мікросхема К555СП1

Мікросхема К555СП1(Рис 2,3) - це компаратори, призначені для порівняння на-пруг. Схема найпростішого компаратора зображена на рис. 4.24, а. Він ви-конує порівняння вхідного сигналу Uвх з опорною напругою Uоп.Сигнал на виході ОП змінює полярність, коли Uвх = Uоп, як показа-но на часових діаграмах роботи компаратора.

Коли Uоп = 0, маємо нуль-орган, що фіксує відхилення Uвх від нульо-вого значення.

Компаратор - це чи не єдине застосування ОП без зворотних зв'язків, коли безпосередньо використовується його великий коефіцієнт підсилення: най-менша різниця потенціалів між входами призводить до насичення ОП. При цьому маємо знак вихідної напруги «+», коли напруга на неінвертуючому вході більша, ніж на інвер-туючому, і «-», коли навпаки.

Живлення ОП у даному випадку можна виконати і від одно-полярного джерела, бо він фактично порівнює синфазні напруги.

2.3.4 Мікросхема К514ИД1

Мікросхема К514ИД1(рисунок 2.4) - дешифратор двійково-десяткового коду для семи-сегментного світло-діодного індикатора з спільним анодом.

– DI 1-8 - входи двійково-десяткового коду

– A-G - виходи на індикатор

– ВІ - вхід гасіння, тільки при подачі на цей вхід низького рівня напруги відбувається дешифрація вхідних сигналів.

2.3.5 Світлодіодний індикатор АЛС324А

Індикатор АЛС324А - знакосинтезуючий індикатор (рис 2.5), виконаний на основі з'єднання арсенід фосфат-галій. Призначений для візуальної індикації. Індикатор має сім сегментів і децимальну точку, яка випромінює світло при дії прямого струму. Різні комбінації елементів, що забезпечують зовнішню комутацію, дозволяють відображати цифри від 0 до 9 і децимальну точку.

Індикатори випускаються в пластмасовому корпусі. У індикаторів АЛС324А елементи мають спільний катод. Висота знака 7,5 мм.

Електричні і світлові параметри при Тн= 25°С:

1 Сила світла одного сегмента при Іпр=20мА - не менше 0,15 мКд;

2 Сила світла децимальної точки Іпр =20мА - не менше 0,05 мКд;

3 Постійна пряма напруга при Іпр=20мА - не більше 2,5 В;

Максимум спектрального розподілу опромінення не довжині хвилі 0,65 - 0,67 мкм;

5 Розсіювання значень сили світла сегментів в одному індикаторі не більше ніж 3 рази;

6 Колір свічення - червоний;

7 Довжина хвилі випромінювання 650-670 нм.

Граничні експериментальні дані:

1 постійний прямий струм через один елемент:

а) при Тн < 35°C - 25мА;

б) Т=70°С - 7,5мА;

2 Імпульсний прямий струм через один сегмент при Т=10мс, Іс<Іпр max, Тн=70°С;

3 Потужність розсіювання індикатора:

а) при Тн < 35°C - 500 мВт;

б) при Т = 70°С - 150 мВт;

4 Постійна зворотна напруга - 5В;

5 Діапазон робочої температури навколишнього середовища - -60… 70°С.

2.3.6 Мікросхема К555ЛАЗ

Мікросхема К555ЛАЗ-Логічний елемент(Рис 2.6) який реалізує функцію кон'юнкції, називається схемою збігу. Мнемонічне правило для І з будь-якою кількістю входів звучить так: На виході буде:

«1» тоді і тільки тоді, коли на всіх входах діють «1»,

«0» тоді і тільки тоді, коли хоча б на одному вході діє «0»

2.3.7 Мікросхема К555ЛН2

Мікросхема К555ЛН2- складається з шести логічних елементів НЕ (рисунок 2.7). Для неї визначені такі параметри :

– час затримки розповсюдження - 15 нс.

– стікаючий вихідний струм інвертора - 8 мА.

– струм споживання для цих мікросхем - 66 мА, якщо на всіх входах напруга 4,5В.

струм споживання при всіх низьких вхідних рівнях зменшується в два рази . стани мікросхеми подано в таблиці

2.4 Порядок роботи схеми

Схема електрична принципова наведена на форматі А1.

Розроблений мною цифровий пристрій виконує роботу кодового замка який задає код натисканням кнопки.

Число вводиться в лічильник DD3 утримуванням кнопки 1 деякий час. Коли з порта XS2 надійшов імпульс шо кнопка запису коду є натиснута, на вхід С лічильника DD3 надходить сигнал, що дає змогу лічильнику DD3 рахувати імпульси до десяти, які надходять від генератора через логічний елемент І DD2.1, введене число через дешифратор DD4 розшифровується і показується на семисигментному індикаторі HG1. В момент відпускання кнопки з порта XS2 надходить сигнал на формувач, що складається з DD1.3-DD1.5, DD2.2 формує короткий імпульс дозволу для запису інформації в регістри DD7, DD10, DD13, DD16 або DD9, DD12, DD15, DD18 в залежності від режиму роботи схеми (кодування чи відкривання дверей).

Для кодування замка комутатор в якості якого виступають вісім логічних елементів І DD2.3- DD6.2 пропускає коди з виходів лічильника DD3 до регістрів. Чотири числа буде записано до регістрів DD7, DD10, DD13, DD16 за 4 періода тобто за 4 натискання користувачем кнопки з порта XS2. Тобто за час першого періода в молодший регістр запишеться одне число, в другому періоді вміст з молодшого регістра буде записаний в старший регістр, а в молодший занесеться нове число.Таким чином за 4 натискання кнопки буде записано певне число в регістри DD7, DD10, DD13, DD16.

Відкривання дверей виконується так само як кодування. Щоб відкрився замок, з порта XS1 подається сигнал на інвертор DD1,6 завдяки якому відбувається подача кодів на регістри DD9, DD12, DD15, DD18. Після чого можна послідовно ввести 4 числа таких самих які записані в регістрах DD7, DD10, DD13, DD16. Числа з регістрів DD7, DD10, DD13, DD16 і з регістрів DD9, DD12, DD15, DD18 порівнюються за допомогою компараторів DD8, DD11, DD14, DD17 і якщо числа рівні то на виході “X=Y” компараторів буде одиниця.Тобто якщо всі компаратори порівняли числа з регістрів і видали на виходах “X=Y” одиницю то завдяки логічному елементу DD19 буде поданий сигнал до рігеля замка на відкриття дверей. Код набраний в регістрах DD7, DD9, DD10, DD12, DD13, DD15, DD16, DD18 зберігається доки включено живлення.

2.5 Дослідження схеми на Electronics Workbench