Схема МГИС в двух вариантах

 

 

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………….4

2. Вариант №1…………………………………………………………………5

  2.1. Разработка функциональной схемы 1-го варианта…………………...5

  2.2. Разработка принципиальной схемы 1-го варианта……………………5

  2.2.1. Схема автоматической установки нуля……………………………..5

   2.2.2. Схема  устранения дребезга контактов………………………………6

   2.2.3. Управляемый  генератор импульсов…………………………………7

   2.2.4. Устройство  управления………………………………………………7

   2.2.5. Формирование  заданных импульсов………………………………...8

     2.2.5.1. ФКИ1…………………………………………………………….....8

     2.2.5.2. ФКИ2…………………………………………………………….....8

     2.2.5.3. ФКИ3…………………………………………………………….....9

     2.2.5.4. ФКИ4………………………………………………………………10

     2.2.5.5. ФКИ5………………………………………………………………10

     2.2.5.6. СЗ1…………………………………………………………………11

     2.2.5.7. СЗ2…………………………………………………………………11

     2.2.5.8. Монтажное «И»…………………………………………………..12

   2.2.6. Анализ  нестабильности временных диаграмм…………………….12

   2.2.7. Устройство  формирования сигналов……………………………….13

     2.2.7.1. Монтажное «И»…………………………………………………..13

     2.2.7.2. Буферный элемент ТТЛ………………………………………….14

     2.2.7.3. Преобразование уровня ТТЛ-ЭСЛ……………………………...14

     2.2.7.4. Преобразование уровня ТТЛ-КМОТЛ………………………….14

     2.2.7.5. Расчет буфера аналогового выхода……………………………..15

3. Вариант №2…………………………………………………………...……17

  3.1. Разработка  функциональной схемы 2-го варианта…………………..17

  3.2. Разработка  принципиальной схемы 2-го варианта…………………..17

    3.2.1. Управляемый  генератор импульсов……………………………….18

    3.2.2. Таблица  прошивки ППЗУ………………………………………….19

4. Заключение………………………………………………………………...20

5. Литература…………………………………………………………………20

6. Графический  материал……………………………………………………21

  6.1. Функциональные схемы…...……..…..………………………………..21

  6.2. Временные  диаграммы……………………..………………………….22

  6.3. Принципиальная  схема 1-го варианта…..……………………………26

  6.4. Принципиальная  схема 2-го варианта…..……………………………27

7.1. Спецификация  элементов 1-го варианта………………………………28

7.2. Спецификация  элементов 2-го варианта….…………………………...29 

 

1. Введение

     В данном курсовом проекте согласно техническому заданию требуется разработать  схему МГИС в двух вариантах.

     В первом варианте на логических ИМС  серии 155 с четырьмя выходными каналами (аналоговый, ТТЛ, КМОПТЛ, ЭСЛ) и заданными требованиями к нестабильности (при «расширении» длительность информационной части не более 199 мкс; при «сжатии» длительность импульсов и пауз не менее 1 мкс). При этом максимальное число корпусов без учета ОУ и ПУ ЭСЛ равно 6.

     Во  втором варианте на любых ИМС (кроме 155РЕ3) с одним выходом ТТЛ и  схема управления без буферных элементов. При этом максимальное число корпусов равно 4.

     В обоих вариантах есть два режима работы: автоматический и ручной. В  любом режиме первый запуск от кнопки «пуск», переключение режимов с помощью  тумблера.

Рис.1. Временная  диаграмма аналогового выхода.

2. Вариант №1

2.1 Разработка функциональной схемы 1-го варианта

   В схему  многоканального генератора импульсных сигналов входят:

1. Схема автоматической установки нуля.
2. Схема устранения дребезга контактов.
3. Управляемый генератор импульсов.
4. Формирователи короткого импульса (5 штук).
5. Схемы задержки (2 штуки).
6. Устройство формирования сигналов.
7. Устройство управления.

   В исходном состоянии (САУН не заряжен) комбинация входных сигналов устанавливает  RS триггер с инверсными входами в состояние логической единицы, запрещающее работу управляемого генератора импульсов. Когда САУН зарядится, входная комбинация переведет триггер в режим хранения (т.е. на выходе сохранится единица, запрещающая работу генератора). При нажатии кнопки «пуск» СУДК формирует импульс длительностью 10 мкс, который переводит триггер в состояние логического нуля, разрешающее работу генератора. Импульсы с прямого выхода генератора поступают на ФКИ1, ФКИ2, с инверсного – на ФКИ5. С выхода ФКИ2 импульсы поступают на ФКИ3, ФКИ4 и СЗ1, а с выхода ФКИ5 – на СЗ2. Сигналы с выходов ФКИ3 и ФКИ5 объединяются по функции «или-не» и вместе с сигналами с выходов ФКИ1, ФКИ4, СЗ1 и СЗ2 поступают на устройство формирования сигналов, где формируются аналоговый, ТТЛ, КМОТЛ и ЭСЛ выходы. Остановка в ручном режиме происходит по последнему импульсу (от СЗ2), который после инвертирования и объединения по «и» с сигналом от САУН устанавливает триггер в состояние логической единицы, запрещающее работу генератора. При этом выходы генератора остаются в том же состоянии, что позволяет закончить работу схем ФКИ5 и СЗ2. В автоматическом режиме после запуска триггер своего состояния не меняет, и генератор работает без остановки.     
 

2.2 Разработка принципиальной схемы 1-го варианта 

2.2.1. Схема автоматической установки нуля.

     Необходимо  обеспечить установку схемы в  исходное состояние при включении  питания. 
 

Примем R1=1 кОм и рассчитаем С1: 

Примем С1=75 мкФ. 
 

2.2.2. Схема устранения дребезга контактов.

     При нажатии кнопки SB «Пуск» происходит дребезг контактов кнопки в течении 10 мс, с частотой 500 Гц. В результате вместо одного получаем несколько импульсов. Для устранения дребезга используется формирователь одиночного импульса длительностью 10 мкс. 
 
 

Примем R2=1 кОм и рассчитаем C2: 
 
 
 

Примем 

2.2.3. Управляемый генератор импульсов.

     Генератор формирует меандр с периодом 200 мкс. Реализован на элементах DD2.1 155ЛЕ5 и DD3.1 155ЛН5. Работа генератора разрешается путем подачи на его управляющий вход логического нуля и запрещается путем подачи логической единицы. В генераторе используется кварцевый резонатор ZQ1 с частотой 5 кГц.

T=200 мкс

R5=R6

  

Примем R7=510 Ом

300

Примем R5=R6=1 кОм и рассчитаем C3: 
 

2.2.4. Устройство управления.

     Реализовано на трех элементах DD4.1, DD4.2 155ЛА3 и DD1.1 155ЛИ1.

На элементах  DD4.1, DD4.2 реализован RS триггер с инверсными входами. Прямой выход этого триггера поступает на управляющий вход генератора импульсов, т.е. от состояния триггера зависит будет ли генератор работать.

Режим задается тумблером SA.

      На  элементе DD1.1 собираются по «И» сигналы от САУН, от инверсии выхода СЗ2 в ручном режиме и питание через резистор в автоматическом.  

     Первоначально путем подачи на инверсный вход S логического нуля (из-за того, что САУН ещё не заряжен) и на инверсный вход R логической единицы триггер устанавливается в состояние логической единицы, запрещающей работу генератора. После заряда САУН на оба инверсных входа подаются логические 1, и триггер переходит в режим хранения. После нажатия кнопки SB «пуск» в любом режиме триггер переводится в состояние логического нуля, разрешающее работу генератора. В автоматическом режиме генератор не останавливается и происходит периодическое формирование заданной последовательности. В ручном режиме, остановка происходит по импульсу от СЗ2, который инвертируется и объединяется по «и» с сигналом от САУН. Сигнал с выхода «и» поступает на инверсный вход S и переводит его в режим логической единицы, запрещающий работу генератора.   

2.2.5. Формирование заданных импульсов.

2.2.5.1. ФКИ1.

     Реализуется на элементе сборщике DD1.2 155ЛИ1 и инверторе DD3.2 155ЛН5, импульс формируется на разряде конденсатора.

,  

Примем  Ом и рассчитаем C4: 

«Вилка» для  R8: 
 
 
 

Примем R8=510 Ом, чтобы реализовать ФКИ1 и ФКИ2 с использованием одного инвертора.  
 

Проверим время  восстановления:  
 

2.2.5.2. ФКИ2.

     Реализуется на элементе сборщике DD4.3 155ЛА3 и инверторе DD3.2 155ЛН5, импульс формируется на разряде конденсатора.

,  

Примем  Ом и рассчитаем C5: 

«Вилка» для  R8: 
 
 
 

Примем R8=510 Ом, чтобы реализовать ФКИ1 и ФКИ2 с использованием одного инвертора.  
 

Проверим время  восстановления: 

В ФКИ2 используется переменный резистор.  

2.2.5.3. ФКИ3.

     Реализуется на элементе сборщике DD1.3 155ЛИ1 и инверторе DD3.4 155ЛН5, импульс формируется на разряде конденсатора.

,  

Примем  Ом и рассчитаем C7: 

«Вилка» для  R13: 
 
 
 

Примем R13=390 Ом, чтобы реализовать ФКИ3 и ФКИ4 с использованием одного инвертора. 
 

Проверим время  восстановления:  
 

  2.2.5.4. ФКИ4.

     Реализуется на элементе сборщике DD1.4 155ЛИ1 и инверторе DD3.4 155ЛН5, импульс формируется на разряде конденсатора.

,  

Примем  Ом и рассчитаем C8. 

«Вилка» для  R13: 
 
 
 

Примем R13=390 Ом, чтобы реализовать ФКИ3 и ФКИ4 с использованием одного инвертора. 
 

Проверим время  восстановления

R15=390 Ом 
 

  2.2.5.5. ФКИ5.

     Реализуется на элементе сборщике DD4.4 155ЛА3 и инверторе DD3.3 155ЛН5, импульс формируется на разряде конденсатора.

,  

Примем  Ом и рассчитаем C6. 

«Вилка» для  R9: 
 
 
 

R9 выбираем так, чтобы нагрузка на инвертор была минимальна: 

Следовательно, R9 будет максимальным из «вилки» R9=910 Ом.

Проверим время  восстановления: 
 

2.2.5.6. СЗ1.

     Реализуется на элементе сборщике DD2.2 155ЛЕ5. Задержка формируется на разряде конденсатора. 

Примем R14=910 Ом и рассчитаем С9. 
 
 

Проверим время  восстановления: 
 
 

2.2.5.7. СЗ2.

     Реализуется на элементе сборщике DD2.3 155ЛЕ5. Задержка формируется на разряде конденсатора. 

Примем R15=910 Ом и рассчитаем С10. 
 
 
 

Проверим время  восстановления: 
 
 

2.2.5.8. Монтажное «И».

     Реализовано с помощью двух инверторов с открытым коллектором DD3.5 и DD3.6 155ЛН5.

     Монтажное «И» реализует функцию , где сигналы от ФКИ3, ФКИ5 соответственно.

 «Вилка» для  R18: 

Где для ЛН5

 

 

 

 

  

Примем   
 

2.2.6. Анализ нестабильности временных диаграмм

     Согласно  техническому заданию на нестабильность влияют 3 фактора: разброс напряжения порога (0.8-2)В, разброс номиналов резисторов и конденсаторов , нестабильность питания .

Для ФКИ

Для СЗ   

ФКИ1: 

ФКИ2:

В ФКИ2 используется переменный резистор, поэтому .

ФКИ3: 

ФКИ4: 

СЗ1: 

СЗ2: 

Таким образом  выполняются требования к нестабильности: при «расширении» длительность информационной части не более 199 мкс и при  «сжатии» длительность импульсов и  пауз не менее 1 мкс. 
 

2.2.7. Устройство формирования сигналов.

2.2.7.1. Монтажное «И».

     Реализовано с помощью четырех инверторов с открытым коллектором DD5.1, DD5.2, DD5.3 и DD5.4 155ЛН5.

     Монтажное «И» реализует функцию , где сигналы от ФКИ1, ФКИ4, и СЗ1 соответственно.

 «Вилка» для R25: 

Где для ЛН5

 

 

 

 

  

Примем  

2.2.7.2. Буферный элемент ТТЛ

В качестве буферного  элемента ТТЛ используется элемент  DD2.4 155ЛЕ5, имеющий коэффициент разветвления 30. 

2.2.7.3. Преобразование уровня ТТЛ-ЭСЛ

В качестве буфера ЭСЛ канала используется элемент  DD6.1 500ПУ124, который преобразует уровень. Выход снимается с инверсного выхода элемента.  

2.2.7.4. Преобразователь уровня ТТЛ-КМОПТЛ

В качестве буфера КМОПТЛ канала используется элемент  DD5.6 155ЛН5 инвертор с открытым коллектором.

Требования к  каналу:

 

Для ЛН5: .

При выходной единицы:

Ток через резистор R28:

Напряжение на резисторе должно быть

Таким образом 

При выходном нуле:

Нагрузка на инвертор:

 

Следовательно 
 
 

Примем R28=10кОм. 

2.2.7.5. Расчет буфера аналогового выхода.

На выходе ОУ реализуется функция: 

Где – коэффициенты,  сигналы с ФКИ1, СЗ1, ФКИ4, , СЗ2 соответственно, а .

Для нахождения коэффициентов  составим систему уравнений: 

Решая данную систему  получим: 
 
 
 
 
 

Рассчитаем балансировочный  коэффициент: 
 
 

Расчет : 
 

Расчет остальных  резисторов по формуле  
 
 
 
 
 
 

Расчет суммарных сопротивлений на прямом и инверсном выходах: 
 

Расчет погрешности  небаланса: 
 

Критерием выбора ОУ является максимальное выходное напряжение.

В качестве ОУ примем 140УД11, который имеет максимальный выходное напряжение 12В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Вариант №2. 

3.1. Разработка функциональной схемы 2-го варианта.

   В схему  многоканального генератора импульсных сигналов входят:

1. Схема автоматической установки нуля.
2. Схема устранения дребезга контакта.
3. Управляемый генератор импульсов.
4. Двоично-десятичный счетчик.
5. Запоминающее устройство.
6. Устройство управления.

   В исходном состоянии (САУН не заряжена) комбинация входных сигналов устанавливает  RS триггер с инверсными входами в состояние логической единицы, запрещающее работу управляемого генератора импульсов. Когда САУН зарядится, триггер перейдет в режим хранения (т.е. состояния не изменится). При нажатии кнопки «пуск» СУДК формирует импульс длительностью 10 мкс, который сбрасывает триггер в состояние логического нуля, разрешающее работу генератора. Генератор вырабатывает импульсы с частотой 50 кГц. Импульсы с прямого выхода генератора поступают на адресный вход A0 микросхемы памяти. А с инверсного выхода на вход «+1» двоично-десятичного счетчика, который меняет своё состояние по положительному фронту импульсов. Выходы счетчика подаются на адресные входы A1-A4 микросхемы памяти. Адресный вход A5 используется для того, чтобы в ручном режиме на выходе F2 перед нажатием кнопки «пуск» была логическая единица, чтобы была возможность запустить генератор. Таким образом, используются 21 ячейка памяти. Согласно таблице прошивки на выходе F1 микросхемы памяти присутствует либо 0, либо 1. А на выходе F2 в определенный момент времени формируется сигнал на останов генератора, если схема работает в ручном режиме. Этот сигнал поступает на триггер и переводит его в режим логической единицы, запрещающей работу генератора.

  
 

3.2. Разработка принципиальной схемы 2-го варианта.

     САУН, СУДК и устройство управления такие же как в первом варианте.

     Двоично-десятичный счетчик реализован на DD3 155ИЕ6. На входах V и « -1» присутствует логическая единица, для того чтобы счетчик работал в режиме прямого счета. Т.к. после включения счетчик может находиться в любом состоянии, то на его вход R подаётся сигнал с прямого выхода триггера. Когда на выходе триггера логическая единица, работа генератора запрещена и счетчик устанавливается в «0».

     Память  реализована на DD4 КР556РТ11 , в которой используется шесть первых адресных входов. На остальные адресных входах присутствует логический ноль. На инверсных входах выбора кристалла и присутствует логический ноль.  
 
 
 
 

3.2.1. Управляемый генератор импульсов.

Генератор формирует  меандр с периодом 20 мкс. Работа генератора разрешается путем подачи на его  управляющий вход логического нуля и запрещается путем подачи логической единицы. В генераторе используется кварцевый резонатор ZQ1 с частотой 50 кГц.

T=20 мкс 

Для ЛЕ1

Примем R4=R5=910 Ом и рассчитаем C3: 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.2.2. Таблица прошивки ППЗУ.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Заключение.

В итоге разработано  два варианта генератора импульсной последовательности.

В первом варианте на шести логических ИМС 155 серии, одном  операционном усилителе и одной  ИМС 500 серии (преобразователь уровня ТТЛ-ЭСЛ),  с четырьмя выходными  каналами: аналоговым, ТТЛ, КМОПТЛ и  ЭСЛ.

Во втором варианте устройство реализовано на четырех  ИМС высокой степени интеграции и одним каналом ТТЛ.  

5. Литература.

1) В.Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы: Справочник», М.: Радио и связь, 1987.

2) Е. А. Зельдин:  «Цифровые интегральные микросхемы  в информационно-измерительной аппаратуре»,  Ленинград.: Энергоатомиздат, 1986. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Графический материал.

Функциональная  схема первого  варианта

 
 

Функциональная  схема второго  варианта 

 
 
 
 
 
 
 
 

Временные диаграммы первого варианта

Номинал 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Временные диаграммы при  «расширении» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Временные диаграммы при  «сжатии»