Цепи дискретного действия

Введение

Внедрение цифровой техники в промышленную электронику, а также радиолюбительское творчество связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений.  Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, или вероятность отказа равна вероятности отказа одного паяного соединения, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции.

В результате на интегральных микросхемах стало возможным собирать сложнейшие устройства, изготовить которые в радиолюбительских условиях без применения микросхем было бы совершенно невозможно.

Все это 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 ТТЛ - серии с целью получения навыков использования существующей элементной базы цифровых микросхем и закрепления пройденного теоретического курса.

1. Сведения  о существующей элементной базе

Для построения устройств автоматики и вычислительной техники широкое применение находят цифровые микросхемы серии К155, которые изготавливают по стандартной технологии биполярных микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имеется свыше 100 наименований микросхем серии К155. При всех своих преимуществах - высоком быстродействии, обширной номенклатуре, хорошей помехоустойчивости - эти микросхемы обладают большой потребляемой мощностью. Поэтому им на смену выпускают микросхемы серии К1533, принципиальное отличие которых - использование транзисторов с коллекторными переходами, зашунтированными диодами Шоттки. В результате транзисторы микросхем серии К1533 не входят в насыщение, что существенно уменьшает задержку выключения транзисторов. К тому же они значительно меньших размеров, что уменьшает емкости их р-n - переходов. В результате при сохранении быстродействия микросхем серии К1533 на уровне серии К155 удалось уменьшить ее потребляемую мощность примерно в 8...15 раз.

Средняя задержка распространения элементов микросхем серии К155, К555, КР1533 примерно 15...20 нс. В случаях, когда требуется более высокое быстродействие, используют микросхемы серии КР531. Для сравнения основных параметров в табл. 1.1 приведены значения средней потребляемой мощности Рср и средней задержки tз.ср распространения микросхем ТТЛ серий, а также стандартные значения входных Iвх и выходных Iвых токов и нагрузочной способности N микросхем.

                                                                        Таблица 1.1.

Стандартные выходные уровни лог. 1 - 2..5,5 В, лог. 0 - 0..0,8 В.

Микросхемы выпускают в пластмассовых корпусах с 8, 14, 16, 20, 24, 28 выводами, температурный диапазон их работоспособности: -10...+70 °С. Часть микросхем серий К155 и К555 выпускают в керамических корпусах (их обозначение КМ155 и КМ555), температурный диапазон работоспособности таких микросхем -45...+85 °С.

Рассматриваемые серии имеют в своем составе однотипные микросхемы с совпадающими после номера серии цифробуквенными обозначениями. Логика работы однотипных микросхем, за редким исключением, совпадает.

При разработке принципиальных схем различных устройств возникает вопрос: что делать с неиспользуемыми входами интегральных микросхем.

Во-первых, неиспользуемые входы микросхем серии К155 можно никуда не подключать. Но при этом несколько уменьшается быстродействие микросхем. Для микросхем серий К555, КР531, КР1533 оставлять входы неподключенными не допускается. Во-вторых, возможно подключение неиспользуемых входов к используемым входам того же элемента, но это увеличивает нагрузку на микросхему-источник сигнала, что также снижает быстродействие. В-третьих, можно подключать неиспользуемые входы микросхем серий К155 и КР531 к выходу инвертирующего элемента, входы которого при этом надо соединить с общим проводом. Наконец, можно объединять неиспользуемые входы микросхем этих серий и подключать их к источнику питания +5 В через резистор сопротивлением 1 кОм (до 20 входов к одному резистору).

На печатных платах с использованием микросхем серий К155, К555, КР1533 необходима установка блокировочных конденсаторов между цепью +5 В и общим проводом. Их число определяется одним-двумя конденсаторами емкостью 0,033...0,15 мкФ на каждые пять микросхем. Конденсаторы следует располагать на плате по возможности равномерно. Их следует также установить рядом со всеми микросхемами с мощным выходом или с потребляемой мощностью более 0,5 Вт.

Ждущие мультивибраторы нельзя отнести однозначно ни к одному из упомянутых классов, так как внутренняя память этих микросхем помнит изменение входных сигналов ограниченное время, после чего состояние выходов микросхемы ни от чего не зависит. То же самое относится и к генераторным микросхемам.

Описанные выше цифровые микросхемы ТТЛ - серий - К155, К555, КР1533, КР531 обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток - большая потребляемая мощность.

Проанализировав все достоинства и недостатки ТТЛ - микросхем различных серий, для реализации курсового проекта выбираем ТТЛ -  микросхемы серии К1533.

2. Разработка структурной схемы

В данной работе необходимо спроектировать электронную схему на цифровых микросхемах ТТЛ - серии. Схема должна осуществлять генерацию пятиразрядного кода неполного алфавита русского языка и выводить   последовательность этих кодов в соответствии с наименованием и количеством букв фамилии, с целью последующей обработки и отображения на буквенно-цифровом индикаторе.  

Поставленную задачу можно решить, используя устройство, структурная схема которого представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1  Структурная схема устройства.

Схема содержит следующие блоки:

- генератор последовательности прямоугольных импульсов частотой f  = 100 кГц;

- формирователь двоичного кода, преобразующий последовательность импульсов в параллельный двоичный код;

-  устройство совпадения, выдающее импульс записи при совпадении входного кода с заданным кодом;

- устройство запоминания, запоминающее код по импульсу записи устройства совпадения.

3. Разработка схемы генератора импульсов

              По условию необходимо разработать схему генератора импульсов с частотой повторения f = 100 кГц и относительной нестабильностью частоты

Δf / f = ± 0,5 %  на микросхемах ТТЛ - серии.

Данным условиям соответствуют генераторы, выполненные на специализированных микросхемах – одновибраторах. Такие одновибраторы обладают широкими функциональными возможностями, но самое главное – имеют значительно меньшие погрешности длительности выходных импульсов, а также слабую зависимость длительности импульсов от температуры, питающего напряжения, от времени и от замены микросхемы.

Выбираем микросхему КP1533АГ3 (рис. 3.1). Она содержит два одновибратора с перезапуском и установкой. Каждый одновибратор имеет прямой и инверсный выходы, вход сброса R и два входа запуска: прямой - B и инверсный - A. Условия установки одновибратора в состояние низкого уровня напряжения на выходе, а также запуска на формирование выходного импульса приведены в таблице 3.1.

                                                                                                                                                          Таблица 3.1

Рис. 3.1 Микросхема КP1533АГ3.

Длительность выходного импульса определяется внешними времязадающими элементами: ёмкостью, включённой между входами С и RC, и сопротивлением, включённым от источника питания к входу RC, по формуле:

                                                                      t имп = 0,43∙R∙C                                                                                    (3.1) 

При этом должно соблюдаться соотношение

                                                                      1 k < R < 24 k                                                                                    (3.2)

Чтобы получить автогенератор, необходимо два одновибратора включить по кольцевой схеме, то есть выход второго одновибратора подключить к входу первого. Запуск обоих одновибраторов на формирование выходного импульса осуществляется по окончании импульса на выходе предыдущего, то есть по заднему фронту сигнала. Следовательно, импульс подаём на инверсный вход запуска A, а на прямой вход запуска B подаём низкий уровень напряжения, подключив его на общую шину питания через сопротивление порядка 500 Ом. При этом на входах сброса R должен быть высокий уровень напряжения, поэтому подключаем их через сопротивление 1 кОм к шине питания +5 В.

Зададимся выходным сигналом генератора типа “меандр”, то есть сигналом, у которого длительности импульса и паузы равны. Определим их по формуле:

                                                        t имп = t пауз = Т/2 = 1/2∙f                                                                       (3.3)

t имп = t пауз = 5 мс.

Зададимся значением ёмкости С = 1 мкФ. Из выражения (3.1) с учётом соотношения (3.2) найдём величину сопротивления R:

R = t имп /0,43∙C = 5∙10-3/0,43∙10-6 = 11628 Ом

Выбираем ближайшее стандартное значение из ряда Е96: R = 11,5 кОм.

Следовательно R1=R2=11.5 кОм, C1=C2=1мкФ

Полученная схема генератора представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2 Схема генератора импульсов.

4. Разработка схемы формирователя двоичного кода

Разрядность формирователя двоичного кода определяется по формуле:

N = 5+n                                                                                     (4.1)

                                                                      (4.2)

  где   m - количество букв в фамилии студента.

В фамилии “Головач” – 7 букв, следовательно, n = 2 (округляем до большего значения).

Таким образом, получили разрядность параллельного двоичного кода  N = 7.

Для формирования двоичного параллельного кода чаще всего используются счетчики импульсов (делители частоты). Простейший делитель частоты с коэффициентом деления можно получить, соединив последовательно n триггеров Т – типа. Используется множество различных вариантов счетчиков: асинхронные и синхронные; двоичные и двоично-десятичные; однонаправленные (с увеличением счета) и реверсивные, с постоянным или изменяемым коэффициентом деления.

              В состав ТТЛ - серии КP1533 включены счетчики импульсов, которые относятся к микросхемам средней интеграции. Основное функциональное назначение этих типов ИМС – счет импульсов и деление частот.

Сформулируем основные критерии выбора микросхемы счетчика импульсов:

1)  универсальный счетчик общего назначения;

2)  параллельный двоичный выход на 8 разрядов;

3)  ИМС серии КP1533.

В серии КP1533 нет ИМС, удовлетворяющих условию 2. Поэтому выбираем  микросхему КP1533ИЕ19, которая содержит в одном корпусе два независимых четырёхразрядных двоичных счётчика с параллельным выходом, индивидуальной синхронизацией и сбросом (рис. 4.1). Режимы работы счётчика отображены в таблице 4.1.

Для того чтобы получить восьмиразрядный счётчик, необходимо выход Q8 первого счётчика соединить со счётным входом С второго счётчика.

                                                                                                                                                          Таблица 4.1.

Рис. 4.1  Микросхема К555ИЕ19.

Для обеспечения нормальной работы счётчика, а, следовательно, и устройства в целом, в момент подачи напряжения питания необходимо произвести установку счётчика в исходное состояние путём подачи импульса напряжения небольшой длительности на вход сброса R. С этой целью используем дифференцирующую RC - цепочку (рис. 4.2).

Рис. 4.2  Схема включения диф. RC - цепочки.

Для поддержания на входе ИМС низкого уровня напряжения внешнее сопротивление должно быть порядка 1800 Ом. Поэтому выбираем R = 1800 Ом.

Чтобы обеспечить малую длительность импульса сброса, выбираем ёмкость С = 56 мкФ.

Таким образом, длительность импульса сброса составит:

                                          t имп = R∙C = 1800∙56∙10-6 ≈ 100 мс                                                        (4.3)

Полученная схема               формирователя двоичного кода показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3  Схема формирователя двоичного кода.

5. Разработка схемы устройства совпадения кодов

5.1. Таблица истинности устройства совпадения кодов

Перечень букв русского алфавита, необходимых для кодирования фамилии представлен в таблице 5.1.

В соответствии с заданием требуется составить таблицу истинности для пяти входных переменных A, B, C, D, E. В правой части таблицы должно быть 7 столбцов, соответствующих числу букв фамилии, причём в каждом из столбцов правой части 1 будет только в одной строке, соответствующей двоичному коду порядкового номера этой буквы русского алфавита (таблица 5.1).

Тогда полный код букв будет состоять из позиционного кода буквы в алфавите и позиционного кода буквы в фамилии, причем, позиционный код буквы в фамилии будет занимать пять разрядов. Полный код представлен в таблице 5.4.     

                                                                    Таблица 5.2

5.2. Схемная реализация устройства совпадения кодов

Устройство совпадения кодов можно построить следующими способами:

1) записать булево выражение для каждой буквы фамилии по таблице 5.1, привести его к необходимому базису и  реализовать на логических элементах;

2) использовать дешифратор, при этом выходные сигналы необходимо снимать с выходов дешифратора, номера которых соответствуют коду буквы фамилии по таблице 5.2.

3) использовать компаратор, при этом выходные сигналы необходимо снимать с выходов компаратора, номера которых соответствуют коду буквы фамилии по таблице 5.2.

Первый способ простой, но требует использования большого количества логических элементов. Второй и третий способ универсален.

Выбираем третий способ построения устройства совпадения.

Выбираем микросхему цифрового компаратора КР1533СП2 (рис. 5.1).

Режимы работы компаратора отображены в таблице 5.3.

Рис. 5.1 Микросхема КР1533СП2.

Микросхема КР1533СП2 представляет собой восьмиразрядный цифровой компаратор. При высоком уровне напряжения на входе разрешения все выходы устанавливаются в состояние высокого уровня.

Для разрешения работы компаратора на входы разрешения подаём напряжение низкого уровня, подключив их через сопротивление порядка 3 кОм к общей шине питания.

Так как выходы компаратора инверсные, то для получения выходного сигнала необходимо использовать шесть инверторов, входящие в состав микросхемы КP1533ЛН1 (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Микросхема КP1533ЛН1.

6. Разработка схемы устройства запоминания

В качестве устройства запоминания используем регистры.

Регистр - это устройство, предназначенное для кратковре­менного хранения и преобразования многоразрядных двоич­ных чисел. В качестве запоминающих элементов в регистрах используются триггеры. Вспомогательные элементы исполь­зуются для осуществления следующих операций:

- ввода и вывода из регистра хранимой информации;

- преобразования кода числа, хранящегося в регистре;

- сдвига числа влево или вправо на определенное число раз­рядов;

- преобразования последовательного кода числа в парал­лельный и наоборот. Вспомогательные элементы обычно строятся на основе комбинационных схем.

Регистры классифицируют по различным признакам, основ­ными из которых являются способ ввода информации в регистр, её вывод и способ представления вводимой и выводимой информации.

По способу ввода и вывода информации регистры подраз­деляются на:

- параллельные (регистры памяти);

- последовательные (регистры сдвига);

- параллельно-последовательные.

По способу представления вводимой и выводимой инфор­мации различают регистры однофазного и парафазного типа. В однофазных регистрах информация вводится либо в прямом, либо в обратном коде. В парафазных — одновременно и в пря­мом, и обратном кодах. Вывод информации из регистров может осуществляться как в прямом, так и в обратном коде.

Различают одно- и многоканальные регистры в зависимо­сти от числа источников информации, с которых она посту­пает на входы регистра.

В простейшем регистре триггеры соединены последова­тельно, т. е. выходы предыдущего триггера передают инфор­мацию на входы последующего. Тактовые входы С триггеров соединены параллельно. Такой регистр имеет один вход и один выход — последовательные. Вход управления — тактовый вход С.

Если к входу каждого триггера добавить разрешающую логику, то можно осуществить параллельную загрузку данных в регистр. Можно предусмотреть логическую схему парал­лельного отображения выходных данных. Как правило, выход­ные элементы такой схемы имеют z-состояния, позволяющие поочередно выдавать информацию по многопроводной шине данных.

Регистры могут быть двунаправленные, т. е. записанную информацию можно сдвигать по линейке триггеров вправо или влево. Для включения режима сдвига предусматривают специальный вход.

Существуют многорежимные регистры, у которых входные и выходные линии данных объединены в одну линию (порт данных). Эта линия по соответствующей команде (т. е. имеет дополнительный вход)  может быть и входной, и выходной.

В ТТЛ - серии 1533 содержится  много регистров, предназначенных для хранения и преобразования информации.

Сформулируем условия выбора регистра:

1) минимальное количество разрядов - 5;

2) параллельная загрузка данных;

3) параллельный выход данных;

4) возможность прямого прохождения данных от входа к выходу;

5) загрузка по высокому уровню на входе синхронизации.

Выше перечисленным условиям удовлетворяет регистр КP1533ИР27 (рис.6.1).