Проектирование электронной схемы на цифровых ИМС
Содержание
Ведение……………………………………………………………
1. Постановка задачи…………………………………………………………….
2. Составление таблицы истинности…………………………………………….
3. Схема генератора импульсов………………………………………………...
4. Выбор счетчика…………………………………………………………
5. Схемы совпадений……………………………………………………
6. Регистры памяти………………………………………………………………
7. Минимизация Булева выражения……
8. Расчет энергетических параметров…………………………………………..
Заключение……………………………………………………
Литература……………………………………………………
Ведение
Широкое внедрение цифровой
техники в промышленную электронику,
а также радиолюбительское
В результате на интегральных микросхемах стало возможным собирать сложнейшие устройства, изготовить которые в радиолюбительских условиях без применения микросхем было бы совершенно невозможно.
Все вышесказанное приводит к тому, что постепенно цифровая техника вытесняет аналоговую, особенно в сфере вычислений. Так известно, что использование операционных усилителей для математических вычислений во многих случаях менее целесообразно, чем оцифровка аналогового сигнала с необходимой точностью и выполнение вычислений с помощью цифровых устройств. Цифровые микросхемы нашли применение в вычислительных машинах и комплексах, в электронных устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах, аппаратуре связи и передачи данных, медицинской и бытовой аппаратуре, в приборах оборудования для научных исследований и т.д.
В данном курсовом проекте предлагается разработать схему на цифровых интегральных микросхемах с целью привития навыков использования существующей элементной базы цифровых микросхем и закрепления пройденного теоретического курса.
1. Постановка задачи
В данной работе необходимо спроектировать электронную схему на цифровых ИМС. Схема должна осуществлять генерацию пятибитного кода неполного алфавита русского языка, а также выводить последовательности этих кодов в соответствии с наименованием и количеством букв фамилии исполнителя, с целью последующей обработки и отображения на буквенно-цифровом индикаторе.
Поставленную задачу можно решить, используя структурную схему представленную на рис. 5 .
Рис. 1. Структурная схема устройства
Схема содержит следующие блоки:
- генератор прямоугольных импульсов с част
отой f=100 кГц; - формирователь двоичного кода, преобразует последовательность импульсов в параллельный двоичный код;
- устройство совпадения, выдаёт строб. импульс при совпадении входного кода с заданным;
- устройство запоминания, запоминает код по строб. импульсу устройства совпадения;
- Составить таблицу истинности для 5-ти входных переменных (A,B,C,D,E).
- Разработать схему генератора импульсов с f = 100 (кГц), относительная нестабильность частоты .
- Студентам, номера которых чётные (как в данном случае № 20), разработать схему на КМОП микросхемах.
- К выходу генератора импульсов подключить счётчик разрядом 5+n, к выходам разрядов счётчика подключить N схем сравнения кодов, обеспечивающих формирование импульсов записи в моменты совпадения кодов 5-ти младших разрядов счётчика кода букв с интервалом времени, соответствующем каждой букве фамилии.
- По каждому из этих N импульсов записи произвести запись 5-ти разрядного двоичного кода каждой буквы фамилии в соответствующий регистр памяти.
- Преобразовать таблицу истинности: все единицы всех столбцов в одном столбце. По такой преобразованной таблице составить Булево выражение, заполнить карту Карно. Произвести минимизацию Булева выражения по карте Карно и записать минимизированное Булево выражение.
- Разработать структурную схему по первоначальной таблице истинности.
- Разработать принципиальную схему.
- Привести энергетические параметры.
2. Составление таблицы истинности
Таблица букв русского алфавита.
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
- |
А |
Б |
В |
Г |
Д |
Е |
Ж |
З |
И |
Й |
К |
Л |
М |
Н |
О |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
31 |
П |
Р |
С |
Т |
У |
Ф |
Х |
Ц |
Ч |
Ш |
Щ |
Ы |
Ь |
Э |
Ю |
Я |
Составим таблицу истинности для пяти входных переменных A,B,C,D,E, учитывая количество букв в фамилии Пекурин N=7
П |
Е |
К |
У |
Р |
И |
Н |
||||||||
|
№ |
A |
B |
C |
D |
E |
F1 |
F2 |
F3 |
F4 |
F5 |
F6 |
F7 |
F | |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 | |
А |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Б |
2 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
В |
3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Г |
4 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Д |
5 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Е |
6 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Ж |
7 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
З |
8 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
И |
9 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
Й |
10 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
К |
11 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Л |
12 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
М |
13 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Н |
14 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
О |
15 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
П |
16 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Р |
17 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
С |
18 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Т |
19 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
У |
20 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
21 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Х |
22 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ц |
23 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ч |
24 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ш |
25 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Щ |
26 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ы |
27 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ь |
28 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Э |
29 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ю |
30 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Я |
31 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Номер и код буквы в фамилии студента:
1 |
П |
000 |
2 |
Е |
001 |
3 |
К |
010 |
4 |
У |
011 |
5 |
Р |
100 |
6 |
И |
101 |
7 |
Н |
110 |
Полный код буквы в фамилии студента:
Буква |
Полный код |
П |
000 10000 |
Е |
001 00110 |
К |
010 01011 |
У |
011 10100 |
Р |
100 10001 |
И |
101 01001 |
Н |
110 01110 |
3. Схема генератора импульсов
Схема генератора прямоугольных импульсов требуется сделать с частотой повторения 100 кГц с нестабильностью частоты:
Так как номер в журнале четный(N20), то разрабатываем схему на КМОП-микросхемах:
Рис.2 Генератор импульсов
Схема основана на широко распространенном генераторе на 3-х инверторах. В качестве времязадающих элементов используются резистор и конденсатор [4]:
R: МЛТ-0,125- 47кОм ± 5%
Конденсатор С рассчитаем как:
Выбираем С = 110 пФ [4]: К 73 - 17- 110 пФ ± 5%
Необходимость использования серии 561 в генераторе обусловлена необходимостью подключения к выходу генератора большого числа входов микросхем, а микросхемы 561-й серии обладают достаточной для использования в данной работе нагрузочной способностью.
4. Выбор счетчика.
К выходу генератора импульсов требуется подключить счетчик с числом разрядов равным (5+n).
В качестве счетчика возьмем микросхему К561ИЕ10 [1].
Микросхема К561ИЕ10 содержит два независимых 4-разрядных двоичных счетчика с параллельным выходом. Для повышения быстродействия в ИС применен параллельный перенос во все разряды. Подача счетных импульсов может производиться либо в положительной полярности (высоким уровнем) на вход С, либо в отрицательной полярности (низким уровнем) на вход V. В первом случае разрешение счета устанавливается высоким уровнем на входе V, а во втором случае — низким уровнем на входе С.
Структурная схема и условное обозначение счетчиков типа ИЕ10 приведены на рис.7 .
Рис.3 Структурная схема и условное обозначение счетчиков типа ИЕ10
При построении многоразрядных счетчиков с числом разрядов более четырех соединение между собой ИС ИЕ10 может производиться с последовательным или параллельным формированием переноса. В первом случае на вход С (вывод 1 или 9) следующего каскада счетчика подается высокий уровень с выхода Q4 (выводы 6 или 14) предыдущего каскада. Условное обозначение на рис.8.
Схемная реализация счётчика приведена на рис.9.
Рис.5 Схема реализации счетчика
5. Схемы совпадений.
К выходам разрядов счетчика подключить n-схем совпадения кодов, обеспечивающих формирование импульсов записи.
Формирование импульсов записи обеспечивают микросхемы [1]:
DD1, DD3 - К561ЛН2
DD4-DD8 - К561ЛА8
DD9-DD10 - К561ЛЕ5
Рассмотрим подробнее каждую микросхему:
Микросхема К561ЛH2 содержит шесть буферных инверторов. Условное обозначение ИС и ее цоколевка изображены на рис.10. Для ИС необходимо лишь одно напряжение питания, поэтому она удобна как
преобразователь уровней сигналов от КМДП ИС к ТТЛ ИС.
Основные параметры:
Микросхемы типа К561ЛА8 выполняют логическую функцию m И-НЕ, где m – количество входов. Реализация этой логической функции обеспечивается последовательным соединением m МДП-транзисторов с каналом n-типа и параллельным соединением т МДП-транзисторов с каналом р-типа.
Рис.7 Принципиальная электрическая схема логического элемента 2И-НЕ и таблица ее состояний.
На рис.7 приведена принципиальная электрическая схема логического элемента 2И-НЕ, являющегося составной частью (одним из каналов), и таблица ее состояний, где 0 – низкий уровень, 1 – высокий уровень напряжения. Поскольку в ИС типа ЛА необходимо последовательное соединение МДП-транзисторов, выходные напряжения и в условиях номинальной нагрузки и наличия помех имеют несколько отличные значения от простейшего КМДП-инвертора на двух МДП-транзисторах. Эти отличия выражаются в более высоком уровне и более низком уровне (по сравнению с ИС, у которых на выходе используется простейший КМДП-иивертор). Для того чтобы при последовательном соединении т МДП-транзисторов напряжение не превысило допустимого уровня (по условию обеспечения помехоустойчивости), ширина каналов последовательно соединенных МДП-транзисторов увеличена в т раз. (МДП-транзисторы с большей шириной канала имеют более высокую крутизну характеристик и обеспечивают меньшее сопротивление открытого капала.)
Каждый из корпусов ИС типа ЛА содержит от 2 до 4 логических элементов т И-НЕ. Количество элементов в корпусе определяется количеством входов и выходов всех элементов и ограничивается количеством выводов корпуса.
Цоколевка микросхемы типа ЛА8 и её условное обозначение изображены на рис.12.
Основные параметры:
Микросхемы типа К561ЛЕ5 выполняют логическую функцию т ИЛИ-НЕ, где т - количество входов. Реализация ее обеспечивается последовательным соединением т МДП-транзисторов с каналом р-типа и параллельным соединением т МДП-транзисторов с каналом n-типа.
На рис.13 приведена принципиальная электрическая схема 2ИЛИ-НЕ, являющегося одним из элементов ИС ЛЕ5. Этот тип элементов также имеет более высокий уровень и более низкий уровень , по сравнению с простейшим КМДП-инвертором. Чтобы величина не была ниже предельно допустимого уровня, ширина каналов МДП-транзисторов с каналом р-типа (по схеме рис.11 VT1 и VT2) больше в т раз, чем у МДП-транзисторов с каналом n-тина.
Каждая из микросхем тина ЛЕ содержит от 2 до 4 логических элементов т ИЛИ-НЕ. Количество элементов в корпусе определяется количеством выводов. Цоколевка и условные обозначения ИС типа ЛЕ приведены на рис.13.
Основные параметры:
6. Регистры памяти
В качестве регистров памяти (DD11– DD15) применена микросхема [1]: К561ИР6.
Микросхема К561ИР6 содержит восьмиразрядный регистр сдвига с последовательным и параллельным вводом информации. Кроме этого регистр имеет переключатель направления обмена информацией. Структурная схема регистра сдвига типа ИР6 приведена на рис.14 , а его условное обозначение и цоколевка — на рис.15 .
Рис.10 Структурная схема регистра сдвига типа ИР6
Выбор направления передачи информации определяется входом А/В. При высоком уровне на входе А/В шины А1...А8 подключаются к входам триггеров регистра, а шины В1...В8 — к выходам триггеров регистра. При этом выходы триггеров подключены постоянно, а входы триггеров подключаются к шинам А1...А8 при наличии разрешающего высокого уровня на входе ЕА и разрешающего высокого уровня на входе P/S (переключатель «параллельная — последовательная запись информации»). Запись информации в триггеры производится с шин А1...А8 синхронно с фронтом синхроимпульса на входе С, если на входе A/S (переключатель «асинхронный — синхронный режим записи») присутствует низкий уровень, и асинхронно (независимо от импульсов на входе С) — при высоком уровне на входе A/S.
При низком уровне на входе А/В шины BI...B8 подключаются ко входам триггеров регистра и параллельная запись в регистр с шин В1...В8 может производиться синхронно с фронтом импульса на входе С, если на входе P/S высокий уровень, а на входе A/S — низкий. Асинхронная запись информации производится с шин В1...В8, если на входах P/S и A/S высокие уровни Параллельное считывание информации с триггеров регистра в этом режиме производится при высоком уровне на входе ЕА.
Последовательный ввод информации с входа D и ее сдвиг осуществляется при низком уровне на входе P/S по фронтам синхроимпульсов на входе С. Асинхронный последовательный ввод информации в регистр сдвига невозможен.
При использовании ИС типа ИР6 следует помнить, что шины AI...A8 имеют разрешающий вход ЕА, а шины В1...В8 такого входа не имеют, поэтому при записи информации с шин А1...А8 на шины В1...В8 будет выводиться эта информация. Зависимость режимов работы от состояния входов ЕА, P/S, А/В и A/S сведена в табл.5 .
Вход |
Режим | |||
ЕА |
Р/ |
А/В |
А/ | |
0 |
0 |
0 |
X |
Последовательный синхронный ввод данных; данных на параллельных выходах А нет |
0 |
0 |
1 |
X |
Последовательный синхронный ввод данных; данные появляются на выходе В |
0 |
1 |
0 |
1 |
Параллельный режим синхронных входов В; данных на выходах А нет |
1 |
1 |
0 |
0 |
Параллельный режим асинхронных входов В; данных на выходах А нет |
0 |
1 |
1 |
1 |
Параллельные входы данных А отключены; параллельные данные на выходах В; данные синхронно рециркулируются |
0 |
1 |
1 |
0 |
Параллельные входы данных А отключены; есть данные на выходах В; данные асинхронно рециркулируются |
1 |
1 |
0 |
X |
Синхронный последовательный ввод данных; есть данные на параллельных выходах А |
1 |
0 |
1 |
X |
Синхронный последовательный ввод данных; есть данные на выходах В |
1 |
1 |
0 |
0 |
Входы В синхронно параллельно принимают данные; на выходах А есть данные |
1 |
1 |
0 |
1 |
Входы А асинхронно принимают данные; на выходах А есть параллельные данные |
1 |
1 |
1 |
0 |
Входы А синхронно параллельно принимают данные; на выходах В – параллельные данные |
1 |
1 |
1 |
1 |
Входы А асинхронно принимают данные; на выходах В – параллельные данные |
7. Минимизация Булева выражения
Пользуясь таблицей 1, составляем Булево
выражение:
Заполняем карту Карно (рис.16):
Рис.12 Карта Карно
Проводим минимизацию и записываем минимизированное Булево выражение:
8. Расчет энергетических параметров
Микросхемы (при напряжении питания +5 В):
- К561ЛН2:
- К561ИЕ10:
- К561ЛА8:
- К561ЛЕ5:
- К561ИР6:
Средний ток потребления всего устройства будет складываться из токов потребления всех используемых в устройстве микросхем:
Питание устройства осуществляется источником с напряжением
Средняя потребляемая при этом мощность устройства:
Заключение
В проделанной работе была спроектирована электронная схема по исходной блок-схеме представленной на рис.1.1. В качестве элементной базы, а также в соответствии с заданием была выбрана серия ИМС К561. Данная серия получила большое распространение благодаря широкому функциональному ряду микросхем, и хорошим эксплуатационным параметрам:
1) потребляемый ток в статическом режиме составляет десятки наноампер;
2) широкий диапазон питающих напряжений;
3) коэффициент разветвления ограничен в основном только паразитной емкостью монтажа;
К сожалению, серия К561
наряду с перечисленными достоинствами
обладает таким недостатком, как
малое быстродействие, ограниченное
для большинства микросхем
Tпр= N/fг
где N - общее число разрядов счетчиков
Для наихудшего варианта- в фамилии присутствует буква “Я” на последнем месте (код b”11111111”) время преобразования составит Tпр=256/100кГц = 2,56 mс. Это время можно считать временем между отображением первой и последней буквы на индикаторе. При этом наблюдателю вследствие инерционности зрения будет казаться, что все буквы фамилии отобразились одновременно.
Литература
1. Цифровые интегральные микросхемы: Справ./ М. И. Богданович, И.Н.
Грель, В.А. Прохоренко, В. В. Шалимо.- Мн.: Беларусь. 1991.- 493с.: ил.
2. Янсен Й. Курс цифровой электроники: В 4-х т. Т. 1. Основы цифровой
электроники на ИС. Пер. с голланд.- М.: Мир, 1987.- 334 с.:, ил.
3. Храбров
Е.А. Методы и средства
устройств: Практическое
электронных устройств” для студентов специальности Т.07.02.00
“Промышленная электроника”. Часть 1.-Гомель: УО “ ГГТУ
им. П.О. Сухого”, 2003. - 29с.
4. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели,
коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Акимов и др.
Мн.: Беларусь, 1994.
