Введение 

    Взаимное  проникновение вычислительной техники  и средств связи приводит к необходимости качественного изменения средств связи. В настоящее время происходит широкое внедрение цифровых методов формирования и передачи информации. Это обусловило использование устройств цифровой и вычислительной техники, как основы для построения аппаратуры техники связи.

    Курсовой  проект «Синтез цифрового автомата»  выполняется по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры». Его выполнение направлено на привитие практических навыков разработки и проектирования импульсных и цифровых устройств, применяемых в народном хозяйстве.

    В проекте решается задача разработки источника сообщений системы электрической связи, представляющего собой цифровой автомат, формирующий определённую совокупность сообщений в цифровой форме.

1. Анализ задания на проектирование, состава заданной серии интегральных микросхем и их основных параметров

   В задании указано, что ЦА должен начать формирование определенной кодовой последовательности дискретных сигналов, в соответствии с индивидуальным заданием, спустя промежуток времени t_зд после включения питания и запуска автомата нажатием на кнопку «ПУСК». Следовательно, на основе анализа данных функций можно сделать вывод, что проектируемое устройство должно содержать:

• источник питания ЦА или контактное соединение для его подключения (разъёмное, разборное, не разборное, гнёзда или какое-либо другое);
• коммутационное устройство для включения питания (выключатель однополюсной, многополюсной или кнопочный и т.д.);
• для запуска ЦА можно использовать выключатель или переключатель кнопочный нажимной с замыкающим контактом или группой замыкающих (переключающих) контактов;
• для отсчёта заданного промежутка времени t_зд необходимо устройство отсчета временных интервалов, в качестве которого может использоваться счетчик импульсов с периодом следования Т=1 с;
• для формирования импульсов с периодом следования Т=1 с необходим генератор импульсов, который может быть синтезирован на основе схемы мультивибратора в автоколебательном режиме или собран на основе ИС генератора, имеющегося в составе заданной серии ИС;
• для согласования работы функциональных частей ЦА необходима схема управления и схема контроля формирования заданных команд, работа которых на некоторых этапах будет выполняться совместно. Схема управления включает в себя коммутационные устройства (переключатели кнопочные) для запуска и остановки работы ЦА, а значит и асинхронные триггеры. К этой же схеме можно отнести логическую схему, разрешающую сначала формирование служебных команд, затем формирование псевдослучайной последовательности импульсов. Схема контроля формирования команд может быть только последовательностного типа. Основой такой схемы могут быть счётчики импульсов. Сигналы схемы контроля должны управлять работой логической схемы и через элементы схемы управления могут формировать сигналы о выполнении программы работы ЦА;
• для формирования дискретных сигналов, соответствующих коду служебной команды, потребуется формирователь кода служебной команды. Если служебная команда должна быть передана в канал связи в коде МТК-2, то формирователь кода может состоять из счётчика импульсов, формирующего служебную команду с заданной скоростью V_u в параллельном двоичном коде и преобразователя параллельного двоичного кода в последовательный код МТК-2. После окончания формирования кода служебной команды формирователь кода должен вернуться в исходное состояние или должен быть отключен от канала связи. Следовательно, необходим дешифратор последнего состояния счётчика, формирующий сигнал сброса формирователя кода в исходное состояние ИЛИ ЛС, отключающая формирователь кода от канала связи;

• для формирования служебных команд и обеспечения  заданной скорости передачи информации V_u в канал связи необходим генератор тактовых импульсов. Для уменьшения влияния нагрузки на частоту генерируемых колебаний    и    для    управления    началом    формирования    заданной последовательности служебных команд после генератора тактовых импульсов можно включить делитель частоты. Коэффициент деления счётчика-делителя необходимо выбрать гак, чтобы тактовые импульсы на выходе делителя имели частоту следования f_т, обеспечивающую заданную скорость передачи информации V_u;
• для формирования псевдослучайной последовательности двоичных сигналов необходим генератор псевдослучайной последовательности импульсов (ПСПИ). В качестве такого генератора используются регистры с логической обратной связью. Генератор должен  сформировать последовательность двоичных сигналов объёмом 1620 знаков, которая с заданной скоростью V_u=0,049Кбит/с передаётся в канал связи;
• для коммутации сформированных служебных команд в строго определённой последовательности необходим цифровой коммутатор, управление которым можно осуществить от схемы контроля формирования команд.

2. Разработка структурной схемы и алгоритма работы цифрового автомата

   Рис. 1.1 

   На  основе проанализированных функций выполняемых ЦА построим структурную схему ЦА (рис. 1.1) для случая передачи в канал связи служебной команды АГЮИНЕ в коде МТК-2 и псевдослучайной последовательности двоичных сигналов объёмом 1620 знаков. Разработку алгоритма работы ЦА выполним на основе анализа функций, выполняемых проектируемым ЦА.

   Весь  цикл работы ЦА можно разделить на следующие этапы:

   1. Включение и установка исходного состояния.

   При включении питания (в результате замыкания контактов выключателя Q1) ЦА переходит в исходное состояние. Генераторы тактовых импульсов ГТИ1 и ГТИ2 начинают формировать периодические последовательности импульсов с периодом следования T₁=l с и Т₂=Т_T/5 соответственно. Схема управления (СУ) цифрового автомата формирует кратковременный сигнал логической 1 (лог.1) или логического 0 (лог.0) в зависимости от типа установочного входа используемых цифровых устройств. В результате действия данного сигнала все остальные функциональные части и элементы ЦА переходят в состояние лог.0: счетчик импульсов СЧ1; счетчик-делитель по модулю 5 (mod 5); счётчик по mod 32 формирователя кода; счётчики схемы контроля формирования команд (СК);

   Тактовые  импульсы ГТИ1 на счётчик импульсов  СЧ1 не поступают, так как аналоговый ключ (АК) выключен схемой управления. Тактовые импульсы ГТИ2 не управляют состояниями триггеров счётчика-делителя, так как с триггера СУ на установочный вход счётчика-делителя R подаётся уровень лог.0.

   2. Запуск ЦА.

   При нажатии на кнопку SB 1 («ПУСК») СУ формирует сигнал разрешения для АК и он подключает ГТИ1 к счетному входу СЧ1.

   3. Отсчёт временного интервала t_зд.

   После включения аналогового ключа  счётчик СЧ1 начинает осуществлять счёт тактовых импульсов ГТИ1. Сигнал переноса CR=1 появляется на выходе счётчика СЧ1 после пересчёта числа импульсов N=t_зд. Триггер СУ переключается в состояние лог.1. Сигнал с инверсного выхода триггера СУ выключает АК.

   4. Определение момента начала формирования служебной команды АЮГИНЕ.

   Сигнал  лог.1 с прямого выхода триггера СУ является разрешением работы счётчика-делителя по mod 5. С выхода счётчика (используется выход сигнала переноса CR) периодическая последовательность тактовых импульсов с частотой следования f_т поступает на информационный вход DI демультиплексора схемы управления. Адресный сигнал А=0 подключает информационный вход DI демультиплексора к выходу DO₀, а значит и к счётному входу счётчика по mod 10.

   5. Формирование заданной служебной команды АЮГИНЕ в коде МТК-2.

   Формирование  служебной команды можно выполнить  в последовательном коде. Вся служебная команда представляет совокупность двоичных цифр в количестве 30 знаков. Каждый из тридцати элементов комбинации, начиная со старшего разряда (СР), можно получить с помощью формирователя кода, состоящего из 5-разрядного синхронного двоичного счётчика и преобразователя параллельного двоичного кода счётчика в код, соответствующий буквам АЮГИНЕ. Следовательно, для формирования заданной служебной команды потребуется 30 тактовых импульсов, поступающих на вход С счётчика по mod 32.

   6. Определение момента окончания формирования служебной команды.

   Контроль  формирования служебной команды выполняется схемой контроля, которая пересчитывает число тактовых импульсов, поступивших на вход формирователя кода. На тридцатом тактовом импульсе схема контроля формирует сигнал А=1, который поступает на адресные входы демультиплексора СУ и цифрового коммутатора. Демультиплексор выполняет коммутацию тактовых импульсов на вход генератора ПСПИ, а цифровой коммутатор подключает выход генератора ПСПИ в канал связи.

   7. Формирование псевдослучайной последовательности импульсов.

   После подключения генератора тактовых импульсов  к входу генератора ПСПИ начинается формирование псевдослучайной последовательности двоичных сигналов, и передача их в канал связи.

   Число формируемых генератором ПСПИ двоичных знаков пересчитывается схемой контроля. При пересчете 1620 тактовых импульсов схема контроля формирует сигнал, поступающий на схему управления. Схема управления формирует сигнал окончания выполнения программы ЦА, при этом функциональные части и элементы ЦА, перечисленные на первом этапе цикла работы ЦА, переходят в исходное состояние.

   8. Возможность остановки работы ЦА в процессе выполнения заданных функций.

   При нажатии на кнопку SB2 («Стоп») схема управления формирует сигнал, являющийся приоритетным на любом этапе выполнения программы. Все функциональные части и элементы ЦА переходят в исходное состояние.

         Разработанные структурная  схема ЦА (рис. 1.1) и алгоритм его  работы позволяют приступить к разработке функциональных (логических) схем функциональных частей ЦА.

3. Обоснование и разработка функциональных (логических) схем, функциональных частей цифрового автомата

1. Разработка  генератора тактовых импульсов (датчика временных интервалов)

    В данном курсовом проекте необходимо синтезировать два генератора тактовых импульсов на основе ИС заданной серии (К176, К1533) с периодом следования  T₁=1с и с периодом следования  T₂, зависящим от заданной скорости передачи информации V_u. Применим автоколебательный мультивибратор на микросхеме КР1533АГ3.

     Микросхема  КР1533АГ3 (рис. 1.2) представляет собой два ждущих мультивибратора с возможностью перезапуска. Каждый из мультивибраторов микросхемы имеет: два входа для запуска – А1 (A2) – инверсный с активным низким уровнем напряжения, В1 (B2) – прямой с активным высоким уровнем, вход сброса R1 (R2) (активный уровень напряжения – низкий), выводы С1 (C2) и R/C1 (R/C2) для подключения внешних времязадающих элементов R и C, прямой 1 ( 2) и инверсный 1 ( 2) выходы. Условие запуска мультивибратора – изменение входных сигналов, в результате которого появляется следующее сочетание – лог. 0 на входе А1 (A2), лог. 1 на входах В1 (B2) и R1 (R2). Исходное состояние для запуска – любое, не соответствующее указанному требованию.

    Условия установки мультивибраторов в состояние низкого уровня напряжения на выходе 1 ( 2), а также запуска на формирование выходного импульса приведены в таблице истинности (табл. 1.1). Если мультивибратор запущен выходной импульс можно продлить, подав на вход А1 (A2) перепад напряжения из высокого уровня в низкий или на вход В1 (B2) – из низкого в высокий. С момента этой 

Таблица 1.1

операции  перезапуска до окончания импульса пройдет время T, определяемое времязадающими элементами R и C. Выходной импульс можно оборвать, подав на вход сброса R1 (R2) напряжение низкого уровня. Если оба ждущих мультивибратора в микросхеме включить по кольцевой схеме, то можно построить мультивибратор-автогенератор.

    Схема автоколебательного мультивибратора  приведена на рис. 1.3.

    В основном варианте подключения времязадающих цепей, приведенном на рис. 1.3, сопротивление резисторов R1, R2 может находиться в пределах 5,1...51 кОм.

    1) Разработаем генератор тактовых  импульсов ГТИ-1. Подберем параметры  схемы (рис. 1.3) R1, R2, C1, C2 для периода следования импульсов T₁=1с:

    Выходное  сопротивление микросхемы R_вых=200 Ом

    Подобранные значения емкостей и сопротивлений: С1=С2=50 мкФ, R1=R2=10 кОм.

    Период  следования импульсов приближенно может быть определен по формуле:

T₁=(R1+Rвых)∙C1+(R2+Rвых)∙C2=1с

     2) Разработаем генератор тактовых импульсов ГТИ-2. Подберем параметры схемы (рис. 1.4) R3, R4, C3, C4 для периода следования импульсов T₂= с

    Выходное  сопротивление микросхемы R_вых=200 Ом

    Подобранные значения емкостей и сопротивлений: С3=С4=0,33 мкФ, R3=R4=30 кОм.

    Определим период следования импульсов по формуле:

    T₂=(R3+Rвых)∙C3+(R4+Rвых)∙C4=0,02c

2. Обоснование и выбор счетчика

    Счётчик импульсов - цифровой узел последовательностного  типа, осуществляющий счёт количества поступающих на вход импульсов и представляющий результат в определённом коде, часто в двоичном.

    Схема отсчета временного интервала t_зд. Так как частота следования тактовых импульсов ГТИ1 низкая (Т=1с), то ограничений на выбор типа схемы нет. Схема отсчёта временного интервала может быть синтезирована на базе счётчика импульсов с логической схемой (дешифратором), определяющей заданное число тактовых импульсов, следующих через 1с. Такой вариант наиболее приемлем при использовании ИС счётчиков и при отсчёте больших временных интервалов. В данной работе необходимо выполнить отсчёт времени t_зд =39с. Логическая схема (ЛС), подключенная к выходам счетчика, определяет состояние счетчика, соответствующее 39-му импульсу на входе. Разрядность счётчика выбирается из условия 2^m > t_зд, где m-число триггеров. Условие 2^m >39 выполняется при m=6. Для синтеза ЛС нет необходимости составлять полную таблицу истинности, т.к. сигнал лог.1 должен появляться только при переходе счётчика в состояние j = 39. Достаточно выполнить перевод числа 39 в двоичное изображение (табл. 1.2). 

    Таблица 1.2

Рис. 1.5

    После выполнения минимизации, с использованием карты Карно для шести переменных Q₅,...,Q₀ (рис. 1.5), получается минимальная форма функции выхода ЛС:

    Схему счётчика импульсов, считающего до 39, можно построить на двух ИС КР1533ИЕ7 (рис.1.6.). При построении схемы необходимо обратить внимание на неиспользуемые входы микросхем. Исходя из логики работы схемы, на эти входы следует подать либо лог.0, либо лог.1.

    На  рис. 1.6 приведена функциональная схема каскадирования двух ИС при использовании входов и выходов только на увеличение счёта. Входы предварительной установки не используются. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     При включении  реверсивного счетчика на сложение модуль пересчета одной ИС M=16-d, где d - 4-разрядное число, загружаемое в счётчик.

    Вся схема представляет собой счётчик  по mod 2⁸ с возможностью программирования модуля пересчета M=2⁸-d, где d = (D₇,..,D₄,D₃,..,D₀) Соответствующим выбором числа d можно получить любой модуль пересчёта от 2 до 256. Длительность выходных сигналов CR равна длительности паузы между состояниями j = 15 и j = 0. Следовательно, использование входов предварительной установки открывает новые возможности для применения приведённой схемы (рис. 1 6).

    Сигнал  F, формируемый на выходе ЛС (рис. 1.6), поступает в схему управления ЦА (рис. 1.1). Триггер СУ переключается, перепады напряжения с его выходов обеспечивают разрешение на работу счётчику-делителю по mod 5 и отключают генератор ГТИ1 от схемы отсчёта временного интервала t_зд.

3. Синтез схемы контроля формирования служебных команд

    Схема контроля формирования служебных команд в коде МТК-2 и псевдослучайной  последовательности двоичных сигналов должна контролировать число тактовых импульсов после начала формирования служебных команд. При разработке алгоритма работы ЦА  для передачи кода команды АЮГИНЕ необходимо 30 тактовых импульсов, а для ПСПИ-1620. После фиксации указанного числа импульсов схема контроля должна сформировать сигналы об окончании выполнения очередного этапа работы ЦА. Для выполнения поставленной задачи лучше всего подходят синхронные двоичные счётчики, реализуемые на ИС и имеющие дополнительные управляющие входы ЕСТ и ECR. Наличие таких входов позволяет реализовать двоичный счетчик импульсов по mod 2^4m, где m-число ИС, соединённых по схеме каскадирования. Для каскадирования микросхемы счётчиков должны иметь выходы сигнала переноса CR. Наличие входов параллельной загрузки позволяет изменять модуль пересчёта М в зависимости от загружаемого числа, при этом счёт будет начинаться с номера состояния j, определяемого загруженным числом d.

    Реальные  схемы ИС счётчиков имеют модуль пересчёта, как правило, не более  шестнадцати. Пользуясь условием для определения числа триггеров т счётчиков, можно определить, что для построения схемы счётчика по mod 30 необходимо иметь 2^m≥30, т.е. m = 5. Для построения схемы счётчика по mod 1620 необходимо иметь 2^m>1620, т.е. m = 12. Таким образом, для построения схемы контроля необходимо иметь 12 триггеров или три 4-разрядных счетчика, соединённых по схеме каскадирования. При наличии ИС счётчиков выбираем последний вариант построения, как наиболее эффективный и простой.

    На  рис. 1.7 приведена функциональная схема составного счетчика на базе трёх ИС КР1533И10 с параллельным распространением сигнала переноса CR₄ на ИС DD1 и DD3. При такой схеме включения максимально допустимая частота тактового сигнала не зависит от числа используемых ИС, а определяется только

быстродействием триггеров и временем прохождения сигнала CR₄ через формирующие его ЛЭ и цепи формирования функций возбуждения Т_i, одного счётчика по mod 16.

    Для синтеза логических схем, определяющих состояния счётчика j = 30 и j =1620, достаточно задаться на этих состояниях значением функций выходов, равным лог. 1.

    Реализация  логических схем с функциями F₃₀ и F₁₆₂₀ должна быть выполнена отдельно, т.к. выходы имеют нагрузки, отличающиеся по адресу и по времени переключения. В табл. 1.3 приведено задание функций выхода двух отдельных ЛС, определяющих состояния j = 30 и j =1620 соответственно.

    От  таблицы выполняется переход  к записи функций в алгебраической форме, после чего выражения преобразуются к виду, удобному для построения функциональной схемы с учётом ЛЭ, имеющихся в составе заданной серии ИС.

    Таблица 1.3

    На  рис. 1.8 приведена синтезированная логическая схема, которая совместно со схемой составного счётчика импульсов (рис. 1.7) представляет схему контроля формирования служебной команды АЮГИНЕ по выходу F₃₀ и схему контроля формирования ПСПИ объёмом 1620 знаков по выходу F₁₆₂₀.

После каждого цикла формируется сигнал переноса CR₄, который синхронно поступает на второй DD2 и третий DD3 счётчики. Если второй счётчик изменяет своё состояние каждый раз при формировании сигнала CR₄, то третий счётчик изменяет своё состояние только при наличии одновременно двух сигналов переноса: CR₄ и CR₈.

    Таким образом, первый счётчик на ИС DD1 считает  до 16, первый и второй - до 256, а три  счётчика вместе - до 4096 тактовых импульсов, потупивших на общий вход С. Двоичный код номера очередного импульса на входе С синхронно фиксируется на 12 выходах (Q₁₁,...,Q₀) составного счётчика. Длительность сигналов переноса равна периоду тактового сигнала.

    Логические  схемы синтезированы для дешифрации 30 и 1620 состояний составного счётчика. Их подключение к счётчику выполнено в соответствии с табл. 1.2. При поступлении 30-го импульса, на котором заканчивается формирование кода команды АЮГИНЕ, на выходе F₃₀ фиксируется сигнал лог.1, который поступает на демультиплексор СУ и цифровой коммутатор на выходе ЦА (рис. 1.1). Демультиплексор отключает подачу тактовых импульсов на формирователь кода и подключает их к генератору ПСПИ. Цифровой коммутатор в это же время отключает формирователь кода и подключает генератор ПСПИ к выходу в канал связи. Схема контроля без перерыва в работе продолжает счёт тактовых импульсов, поступающих теперь на вход генератора ПСПИ.

    При поступлении 1620-го импульса на вход генератора ПСПИ заканчивается выполнение программы работы ЦА. На выходе F₁₆₂₀ фиксируется сигнал лог.1, который поступает в СУ для выполнения команды установления всех функциональных устройств в исходное состояние.