Переферийные устройства

Содержание

Введение 4

Цели и задачи курсовой работы 6

1   Счетчик  7

1.1 Общие понятие  ..    7 

1.2 Асинхронные  счётчики  8

1.3 Приложения

1. Приложение А. Схема электрическая принципиальная
2. Приложение В. Спецификация к принципиальной схеме
3. Приложение С. Временные диаграммы фазы модуля
4. Приложение D. Расположение элементов
5. Приложение Е. Таблица соединения элементов

      Введение 

      Схемотехника, научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники. Основная задача схемотехники — синтез (определение структуры) электронных схем, обеспечивающих выполнение определённых функций, и расчёт параметров входящих в них элементов. Термин "Схемотехника" появился в 60-х гг. 20 в. в связи с разработкой унифицированных схем, пригодных одновременно для многих применений.

      На  основе электронной схемы создают  соответствующее устройство (входящее в состав некоторой технической системы). К устройству предъявляется требование надёжной работы в течение заданного времени в реальных условиях производственного разброса параметров элементов и их старения, влияния внешней среды и возмущающих воздействий. Поэтому при разработке схем наряду с расчётом номинальных значений параметров элементов необходимо рассчитывать эксплуатационные допуски на них, предусматривать в схеме средства, повышающие надёжность устройства (обеспечивающие устойчивую работу схемы при внешних воздействиях), а также позволяющие контролировать его исправность.

      Элементной  базой для создания электронных  устройств служат дискретные электро- и радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т. д.) и интегральные микросхемы. Если электронная схема реализуется в виде ИС либо нескольких ИС, то говорят о "микросхемотехнике", под которой понимают область микроэлектроники, связанную с проектированием ИС. Помимо синтеза и расчёта электронных схем, микросхемотехника решает задачу разработки на основе электронных схем структуры (топологии) ИС. Основные этапы разработки: расчёт геометрических размеров элементов ИС; рациональное размещение элементов на поверхности или в объёме подложки ИС; нахождение оптимальных соединений элементов (возможные критерии оптимальности — обеспечение минимальных длин проводников, либо числа их пересечений, либо взаимного влияния и т. д.). Так как создание новой ИС — комплексная проблема, то её решают совместно специалисты по микросхемотехнике, физики, технологи, конструкторы, используя комплексные опытно-теоретические методы, в том числе моделирование на ЭВМ как самой схемы, так и условий её работы.

      Теоретической базой схемотехники (в том числе  микросхемотехники) служат теория линейных и нелинейных электрических цепей, электродинамика, математическое программирование, теория автоматов и др. При создании электронных схем перспективно использование методов проектирования с применением ЭВМ. По мере развития микроэлектроники, разработки больших ИС (БИС) — функциональных устройств, представляющих собой целые системы, схемотехника по ряду аспектов сливается с системотехникой.

      Цели  и задачи курсовой работы 

      Темой курсовой работы является модуль счетчика двоичного шестнадцатиразрядного  реверсивного с параллельно - последовательным переносом, с предустановкой и выводом информации по окончании счета по два разряда, начиная со старшего, построенный на микросхемах КР1533ЙЕ7.

      Определить  основные параметры:

1. Входное напряжение низкого уровня Uil.

2. Входное напряжение высокого уровня Uih.

3. Выходное напряжение низкого уровня Uol.

4. Выходное напряжение высокого уровня Uoh.

5. Максимальное количество просчитанных импульсов в десятичной 

            системе, двоично-десятичной системе.           

6. Потребляемая мощность модуля.

7. Средняя наработка на отказ. 

      1 Счетчики

      1.1 Общие понятия 

      Счетчик - это устройство для подсчета числа  входных сигналов.

      Как операционный элемент счетчик реализует  преобразование число- импульсного  кода в позиционный по некоторому основанию системы счисления. В  ЭВМ счетчики используются для образования  последовательности адресов команд, для счета количества циклов выполнения операций и т.д.

      С точки зрения теории автоматов, счетчик - это цифровой автомат, внутреннее состояние которого является функцией количества поступивших входных  сигналов.

      Количество  переключающих сигналов, которое надо подать на вход счетчика для того чтобы счетчик вернулся в исходное состояние, равное числу состояний счетчика, называется коэффициентом пересчета или модулем счетчика — Ксч. Счетчик называется двоичным, если Ксч=2m, где m - целое число, m>0, и десятичным, если Ксч=10p , где р - целое число, р>0. Счетчики чаще всего строятся на триггерах различных типов, которые являются элементарными счетчиками с модулем 2.

      Состояние счетчика в любой момент времени  определяется кодом Q , который зафиксирован на его триггерах. Задать правила работы счетчика - значит тем или иным способом определить функцию Qn=f(n), при n=0, 1, 2 ... Ксч, где Qn - состояние счетчика после n-го входного переключающего сигнала, n -номер входного переключающего сигнала. Очевидно, что Qp = Qp + Ксч при любом n.

      Любой счетчик с модулем Ксч может  быть использован как делитель частоты  входных сигналов с коэффициентом деления Ксч.

      По  порядку изменения состояний  могут быть счетчики с естественным и произвольным порядком счета. В первых счетчиках значение кода каждого последующего состояния отличается на 1 от кода предыдущего состояния. 

      1. 2 Асинхронные счетчики 

      По  способу переключения триггеров  во время счета счетчики делятся  на асинхронные и синхронные. Асинхронные - счетчики с последовательным переносом, т.к. переход каждого триггера из одного состояния в противоположное происходит последовательно во времени. Входной переключающий сигнал непосредственно воздействует лишь на первый триггер, и каждый триггер вырабатывает переключающий сигнал для следующего соседнего триггера.

      Рис. 1.1 Схема двоичного асинхронного суммирующего счетчика

      Рис. 1.2 Временные диаграммы двоичного  асинхронного суммирующего счетчика 

      На  рис. 1.1 изображен простейший способ включения триггеров, реализующий последовательный суммирующий счетчик, а на рис. 1.2 изображены его временные диаграммы. С целью уменьшения времени протекания переходных процессов схему, показанную на рис. 1.1, можно реализовать в варианте с подачей входных импульсов одновременно на все триггеры. В этом случае каждый триггер вырабатывает для всех последующих лишь сигналы управления, являющиеся логической функцией состояния счетчика и определяющие конкретные триггеры, которые изменяют состояние при данном входном импульсе. Принцип формирования этих сигналов следует из временной диаграммы на рис.1.2 : триггер меняет состояние при поступлении очередного счетного импульса , если все предыдущие триггеры находились в состоянии 1.

      Последовательный  характер работы является причиной двух недостатков последовательного счетчика: меньшая скорость счета по сравнению с параллельными счетчиками и возможность появления ложных сигналов на выходе схемы.

      Допустимая  скорость счета в счетчиках обоих  типов определяется максимальной скоростью  переключения одного триггера.

      Определяя максимальную скорость счета последовательного  счетчика, следует учитывать наиболее неблагоприятный случай изменения  состояния всех m триггеров. Суммарную  продолжительность переходного  процесса можно определить как сумму  времен запаздывания отдельных элементов, соединяющих триггеры, и времен срабатывания всех триггеров. Найденное таким образом максимальное время перехода счетчика из одного состояния и другое следует считать предельным. Обычно реальное время перехода меньше предельного, так как в ряду последовательно включенных триггеров данный триггер начинает переход из одного состояния в другое еще до окончания переходного процесса в возбуждающем его элементе.

      Последовательный  характер переходов триггеров счетчика является источником ложных сигналов на его выходах. Например, в счетчике, ведущем счет в четырехразрядном двоичном коде с «весами» 8-4-2-1, при переходе от числа 0111 к числу 1000 на выходе появится следующая последовательность сигналов:

      0111 ->0110 ->0100 ->0000 ->1000.

      Это означает, что при переходе из состояния 7 в состояние 8 на выходах счетчика на короткое время появятся состояния 6; 4; 0. Эти дополнительные состояния  могут вызвать неправильную работу других устройств. 

      1. 3 Синхронные счетчики 

      Синхронные  счетчики называются еще счетчиками с параллельным переносом, т.к. в них входной переключающий сигнал непосредственно воздействует на все триггеры счетчика, что обеспечивает одновременность переходов триггеров.

      На  рис. 1.3 изображена схема синхронного  четырехразрядного счетчика.

       Рис. 1.3 Четырехразрядный синхронный счетчик 

      Быстродействие  счетчика характеризуется разрешающим  временем, т.е. минимальным временным  интервалом между входными сигналами, при котором счетчик еще правильно  функционирует. Максимальная частота счета Fmax связана с разрешающим временем Тразр простым соотношением:   Fmax=Т-1разр . Очевидно, что быстродействие синхронных счетчиков при прочих равных условиях всегда выше, чем асинхронных.

       1. 4. Интегральные счетчики. 

      Микросхемы  КР1533ИЕ6 и КР1533ИЕ7 - реверсивные счетчики. Первый из них - двоично-десятичный, второй - двоичный. Оба работают в коде 1-2-4-8. Цоколевка обеих микросхем одинакова рис. 1.4 , различие в том, что первый считает до 10, второй до 16.

       Рис. 1.4 Микросхемы КР1533ИЕ6 и КР1533ИЕ7 

     Рассмотрим  для примера работу микросхемы ИЕ6. В отличие от рассмотренных ранее  счетчиков, эта микросхема имеет  большее число

      выходов и входов. Входы +1 и -1 служат для подачи тактовых импульсов, +1 - при прямом счете, -1 - при обратном. Вход R служит для установки счетчика в 0, вход L - для предварительной записи в счетчик информации, поступающей по входам Dl - D8.

      Установка триггеров счетчика в 0 происходит при  подаче лог. 1 на вход R, при этом на входе L должна быть лог. 1. Для предварительной  записи в счетчик любого числа от 0 до 9 его код следует подать на входы D1 — D8 (D1 - младший разряд, D8 — старший), при этом на входе R должен быть лог. О, и на вход L подать импульс отрицательной полярности.

      Режим предварительной записи можно использовать для построения делителей частоты с перестраиваемым коэффициентом деления для учета фиксированной частоты (например, 465 кГц) в цифровой шкале радиоприемника. Если этот режим не используется, на выходе L должен постоянно поддерживаться уровень лог. 1.

      Прямой  счет осуществляется при подаче импульсов  отрицатель-ной полярности на вход +1, при этом на входах -1 и L должна быть г. 1, на входе R - лог. 0. Переключение триггеров  счетчика проис-ходит по спадам входных  импульсов, одновременно с каждым деся-тым  входным импульсом на выходе >=9 формируется отрицательный выходной импульс переполнения, который может подаваться на вход следующей микросхемы многоразрядного счетчика. Уровни на вы-водах 1-2-4-8 счетчика соответствуют состоянию счетчика в данный момент (в двоичном коде). При обратном счете входные импульсы подаются на вход -1, выходные импульсы снимаются с выхода <=0. Пример временной диаграммы работы счетчика приведен на рис. 1.5 . Первый импульс установки в 0 устанавливает все триггеры счетчи-ка в 0. Три следующих импульса, поступающих на вход +1, переводят счетчик в состояние 3, которому соответствуют лог. 1 на выходах 1 и 2 и лог. 0 - на 4 и 8. Если на входах D1 - D4 лог. 0, на входе D8 лог. 1, импульс на входе L устанавливает счетчик в состояние 8. Следующие шесть   импульсов, поступающие  на вход +1, переводят счетчик последова-тельно в состояния 9, 0, 1, 2, 3, 4. Одно- временно с импульсом, переводящим счетчик в 0, на выходе >=9 появляется выходной импульс прямого счета. Следующие импульсы, поступающие на вход -1, изменяют состояние счетчика в обратном порядке: 3, 2, 1, 0, 9, 8 и т. д.

       Рис. 1.5 Временная диаграмма работы микросхемы ИЕ6

      Одновременно  с импульсом обратного счета, переводящим счетчик в состояние 9, на выходе <=0 появляется выходной импульс.

      В микросхеме ИЕ7 импульс на выходе >=15 появляется одновременно с импульсом на входе +1 при переходе счетчика из состояния 15 в состояние 0, а на выходе <=0 - при переходе счетчика из 0 в 15 одновременно с импульсом на входе -1.

      Предельная  частота функционирования микросхем КР1533ИЕ6 и КР1533ИЕ7 - 30 МГц. 

      2 Описание работы модуля 

      2.1 Описание принципиальной схемы модуля 

      Модуль счетчика двоичного шестнадцатиразрядного реверсивного с параллельно-последовательным переносом. Входы предустановки предусмотрены для уменьшения коэффициента счета. Модуль счетчика предназначен для подсчета входных импульсов и вывода результата по два разряда.

      Триггеры  Шмитта применяются для увеличения помехоустойчивости входов модуля, что  приводит к более устойчивой работе всего модуля. При необходимости  сохранить фазу входа неизменной используется два последовательно соединённых триггера Шмитта.

      Счетчик представляет собой шестнадцатиразрядный счетчик, выполненный на четырех схемах D6,...,D9 типа КР1533ИЕ7, Счетчик работает с параллельно-последовательным переносом. Входы предустановки DI0,...,DI15 поступают на контакты 4а,...,19a, а разъема XI и далее через триггеры Шмитта D1.3...D3,6 на входы D1,...,D4 счётчиков D6,..,D9. Входы С(+1), С(-1) соответственно для суммирования и вычитания поступают на контакты 2а, 3а на входы счетчика D6. Затем выходы переноса предыдущего счетчика поступают на входы С(+)1, С(-1) последующего счётчика, и так до D9. Каждый счетчик работает параллельно, а при наращивании последовательно. В модуле счетчика имеется вход управления (вход предустановки L). Для организации предустановки на вход L подаётся лог. 1, а на входы С(+1), С(-1) - лог. 0. На контактах 2а,3а при логическом 0 на входе L происходит счёт при соответствующих входах С(+1), С(-1).

      Для вывода информации по два разряда, начиная со старшего, используются мультиплексоры Dl0, D11 типа КР1533КП15.

      Мультиплексор имеет восемь информационных входов D0...D7, три адресных входа (1,2,4) и вход разрешения Е. Если на входе разрешения лог. 1, то на прямом выходе 0, независимо от сигналов на других входах, а на инверсном выходе - уровень лог. 1. Если на входе разрешения Е лог. О, то сигнал на прямом выходе повторяет сигнал на том входе, номер которого совпадает с десятичным эквивалентом кода на входах 1, 2, 4 мультиплексора.

      Для коммутации Dll, D12 используется счетчик  типа КР1533ИЕ5 D10 , у которого по контакту 23а осуществляется вход сброса R2 , а на контакт 22а - поступает вход синхроимпульса С, который и коммутирует D11,D12. На контакт 24а поступает вход разрешения выхода ШУ Е. При уровне лог. О на этом входе информация выводится на магистральную шину, а при уровне лог. 1 на выходе ШУ - высокоимпеданстное состояние.

      Принципиальная  схема модуля изображена в Приложении А, перечень элементов - в Приложении В, временные диаграммы задержек - в Приложении С 
 
 
 
 
 
 

      2.2 Расчет динамических параметров 

     Динамические параметры используемых ИС сведены в таблицу.

     Таблица 2.1 Динамические параметры используемых ИС

     Значение  t_p выбрано большее из двух t_plh и t_phl.

     t_pd-c — время опережения установки информации по входам, относительно действующего перепада сигнала записи.

     t_pc-d — время удержания информации по входам» относительно действующего перепада сигнала записи.

     t_{u min} - время минимального импульса на входе тактовой частоты.

     Используя эпюры 1,...,16 Приложения В находим задержку выходного сигнала относительно входного.

     При работе модуля образуются задержки выходов относительно входов ИС, используемых в модуле:

     t_p1 - задержка на триггере Шмитта (KP1533TJI2);

     t_p2 — задержка выхода переноса относительно тактового импульса;

     t_p3 — задержка выходов относительно спада синхроимпульса на счётчике типа КР1533ИЕ5;

     t_p4 — задержка при изменении адреса на мультиплексоре типа КР1533КП7;

     t_p5 — задержка выходов на шинном усилителе типа КР1533КП4;

      Динамические параметры модуля определяются используя приложение С, в котором 16 эпюр и таблицу 2.1.

     Используя динамические параметры 1,...,9, определяем динамические параметры выходов D5,…,D8 в режиме счёта:

     t_{p 1}=t_p1+4*t_p2=t_v1+22+4*30=t_v1+142 (нс)

     Используя эпюры 10,...,16, определяем динамические параметры модуля при выводе информации:

     tp 2=tp1+tp3+tp4+tp5=22+51+24+11=108 (нс) 

     2.3 Расчет потребляемой  мощности 

     Расчет  потребляемой мощности сводится к определению  суммы потребляемых мощностей каждой ИС.

     Общая потребляемая мощность рассчитывается по формуле:

     P_cc∑=n₁P_сс1+n₂Р_сс2 ...n_kР_ссk,

где    P_cck - мощность, потребляемая k-того типа ИС,

     n_k - Количество НС k-того типа,

     P_cc - потребляемая мощность модуля.

           Потребляемая мощность каждого типа ИС определяется по формуле:

     P_cc=I_cc*U_cc,

где    Ucc- максимальное напряжение питания модуля,

     I_cc - ток потребления данного типа ИС.

     По  техническим требованиям на ИС типа КР1533 Ucc=5(В)+10 %, поэтому максимальное значение U=5,5В.

      Расчёт потребляемой мощности сведён в таблице 2.2. 
 
 

Таблица 2.2 Расчёт потребляемой мощности потребляемых ИС 

1. Р_cc=17*5.5*4=0.374 (Вт)

2. Р_сс=22*5.5*4=0.484 (Вт)

3. Р_сс=10*5.5*2=0,110 (Вт)

4. Р_сc=13*5.5*1=0.0715 (Вт)

5. Р_cc=30*5.5*1=0.165 (Вт)

     Р_сс  =0.374+0.484+0.132+0.0715+0.165=1.2045 (Вт)

     Поэтому можно считать, что потребляемая мощность модуля не более 1.3 Вт. 

     2.4 Расчет надежности  модуля 

     Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение установленных эксплуатационных показателей в допустимых пределах, соответствующих режимам и условиям эксплуатации.

     К основным показателям надежности относятся:

- вероятность  безотказной работы;

- интенсивность  отказов;

- средняя  наработка на отказ.

     Вероятность безотказной работы - это вероятность  того, что в заданный интервал времени  не произойдет отказ. Вероятность безотказной  работы определяется по формуле:

     P(t)=e^-Lt,

где     e — основание натурального логарифма,

           L — интенсивность отказов,

           t — время работы системы.

     Величина  Р(t) показывает, какая часть элементов по отношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя за единицу времени.

     Интенсивность отказов определяется по формуле:

L=1/T_сp,

Где    Т_ор - средняя наработка на отказ.

     При нормальной работе, когда закончена  проработка изделия, интенсивность  отказов можно принять за константу. Окончательный расчет надежности производится с учетом эксплуатационных коэффициентов, показывающих, каким образом изменяется интенсивность отказов при изменении каждого из воздействующих факторов: температурного коэффициента, влажности, давления, вибрации, ударных нагрузок.

     В этом случае суммарная интенсивность  отказов рассчитывается по формуле:

     L=L₀*a₁*a₂*a₃,

 где  L₀ - начальная интенсивность отказов элементов при нормальных условиях,

     а₁, a₂, а₃ — коэффициенты воздействующих факторов.

     Обычно  при расчете надежности ограничиваются тремя коэффициентами;

     a₁ — коэффициент условия эксплуатации, для стационарных условий-10;

     a₂ — температурный коэффициент, определяется по географическим зависимостям;