Цифровая техника

Содержание

 

 

Введение 4

 

I Цель работы 5

 

II Техническое задание 5

 

III Вид кодированного сигнала 6

 

IV Состав устройства 6

 

V Проектирование устройств 7

 

1 Проектирование шифратора 7

 

2 Проектирование дешифратора 10

 

3 Проектирование кодопреобразователя 15

 

Заключение 19

 

Список используемой литературы 20

 

Приложение А 21

 

Приложение Б 22

 

Приложение В 23

 

Приложение Г 24

 

Приложение Д 25

 

 

 

Введение

 

 

Цифровые устройства это устройства, в которых величины принимают  два значения: ноль и единица.

Шифратор – цифровой узел, предназначенный  для преобразования информации, поступающий  на один из выходов в код, соответствующий  этому входу.

Дешифратор  – цифровой узел, предназначенный  для преобразования кода, поступающего на его входы, в информацию на одном  из его выходов, соответствующих  данному входу.  

Кодопреобразователь – цифровой узел, предназначен для преобразования одного кода в другой код.

Все эти  устройства построены на комбинационный логики.

 

 

I Цель работы

 

 

Модернизация  существующей системы управления и  контроля на современной электронной  базе.

Назначение: разрабатываемая система управления (далее по тексту СУ) предназначена для управления технологическим оборудованием на значительном удалении от пункта управления (далее по тексту ПУ). Управление осуществляется с помощью 10-ти кнопок находящихся на ПУ, дешифрация сигнала управления осуществляется блоком дешифратора, который подключает соответствующий исполнительный механизм. Индикация сработавшего исполнительного механизма осуществляется платой кодопреобразователя в виде десятичной цифры 7-ми сегментного кода.

II Техническое задание

 

 

Разработать систему диспетчерского контроля и  управления исполнительными механизмами  технологической установки с  индикацией номера сработавшего устройства.

Количество  объектов управления: 10.

Способ  индикации: десятичная цифра на 7-ми сегментном индикаторе.

Вид выходного  сигнала управления: «сухой» контакт.

 

III Вид кодированного сигнала

 

Кодированный сигнал представлен  в следующем виде:

№

А

В

С

D

Е

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

2

0

0

1

1

1

3

0

1

1

1

1

4

1

1

1

1

1

5

1

1

1

1

0

6

1

1

1

0

0

7

1

1

0

0

0

8

1

0

0

0

0

9

0

0

0

0

0


 

IV Состав устройства

 

Функциональная  схема устройства представлена на рисунке 1

 

 

Рисунок 1 – Функциональная схема устройства

 

A1 – Наборное поле (представлено в приложении Б);

A2 – Шифратор;

A3 – Дешифратор;

A4 – Кодопреобразователь;

A5 – Семисегментный индикатор;

Y0 … Y9 – Сигналы управления исполнительными механизмами.

БП –  Блок питания.

Общая принципиальная схема приведена  в приложении А.

 

V Проектирование устройств

 

1 Проектирование шифратора

 

Первый  этап: построение таблицы истинности шифратора (таблица 1).

 

Таблица 1. Исходные данные для проектирования шифратора

 

№

Входы

Выходы

X9

X8

X7

X6

X5

X4

X3

X2

X1

X0

A

B

C

D

Е

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

2

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

1

3

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

1

1

4

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

5

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

1

1

0

6

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

7

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

8

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

9

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0


 

Второй этап: вывод формул, выражающих выходные переменные через входные.

A=X4+X5+X6+X7+X8

B=X3+X4+X5+X6+X7

C=X2+X3+X4+X5+ X6

D=X1+X2+X3+X4+X5

E=X0+ X1+X2+X3+X4

 

Третий этап: по полученным результатам проектируем схему шифратора (приложение В).

 

Четвёртый этап: расчет транзисторного ключа на выходе сигнала  из шифратора (рисунок 2). Четвёртый этап: расчет транзисторного ключа на выходе сигнала  из шифратора (рисунок 2).

 

Рисунок 2 – Транзисторный ключ в шифраторе

Пусть Iн=Iк=1 мА, Uп=15 B.

Нам необходим  транзистор с Uкбmax>Uпит и Ikmax > Iк Данным характеристиками соответствует транзистор КТ3102Б с параметрами , , , Uкэнас=0,5В, Uбэнас=0,5В. Зная параметры транзистора, возьмем входное напряжение с поправкой на примерное падение напряжения на предыдущих схемах U1вх>=14,5 В (выбираем минимальное значение напряжения 14,5В) рассчитываем R1:

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбираем  в соответствии с рядом Е24 номинал  резистора R1 270 кОм,

Мощность  рассчитываем по формуле:

 

 

 

Окончательно  выбираем резистор R1 типа С2-33-0,125-270 кОм±5%.

 

Резистор  R2 выбираем 10кОм,  исходя из ТУ на транзисторе КТ3102Б

Окончательно  выбираем резистор R2 типа С2-33-0,125-10кОм±5%.

 

Рассчитываем  R3:

 

Выбираем  в соответствии с рядом Е24 номинал  резистора R3 15 кОм,

 

Мощность  рассчитываем по формуле:

 

Окончательно  выбираем резистор R3 типа С2-33-0,125-15кОм±5%.

Выбераем  диод КД521А, т.к. его обратное напряжение Uобр=30 В превышает Uпит=15 В, а Iпр = 2мА  > I бэнас (0,125мА) это значит что мы избежим пробоя диода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Проектирование дешифратора

 

Первый этап: Проектирования дешифратора начинается с построения таблицы истинности (таблица 2).

 

Таблица 2. Исходные данные для проектирования дешифратора

№

Входы

Выходы

А

B

C

D

E

Y9

Y8

Y7

Y6

Y5

Y4

Y3

Y2

Y1

Y0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

2

0

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

3

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

4

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

5

1

1

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

6

1

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

7

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

8

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

9

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0


 

Второй этап: вывод формул, выражающих выходные переменные через входные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как схема  сложная, то проведем минимизацию для упрощения схемы. Минимизация производится с помощью  матриц Карно. Создадим блоки.

 

Y0                                                                   Y1                     

 

Y2                                                                    Y3

 

Y4                                                                       Y5

 

 

 

Y6                                                     Y7

                                                                                                                                                                                                  

                                   Y8                                                           Y9

 

Рисунок 3 – Матрицы Карно для схемы  дешифратора

 

Из полученных матриц теперь выводим формулы:

 

 

 

 

 

 

                                       

 

                                                           

 

                 

 

Третий этап: Пользуясь полученными результатами, проектируем схему (приложение Г).

 

Четвёртый этап: расчет транзисторного ключа  для включения реле в

дешифраторе (рисунок 4).

 

 

Рисунок 4 – Транзисторный ключ в дешифраторе

 

Uпит =48 В

Iк =100 мА

Выбираем  реле РПУ0. Данное реле устраивает нас, так как Iком=300 мА  Uком=220 В. Реле имеет параметры Iвк=100 мА, Uвк=24 В. Необходим транзистор соответствующий требованиям Uкэmax > Uпит, Iкmax > Iк   Данные требования удовлетворяет транзистор  КТ973А и  его характеристики , , , Uкэн = Uбэн =1,5 В.

U0вых= 0,8 В   U1вых=>14,5 B.

В соответствии  условию В выбираем стабилитрон КС533Г, (33 B>32 B)

Зная, что  Iк=100мА, Un=48 B, то рассчитываем сопротивление резистора R1 по формуле:

;

 

 

 

 

 кОм

 

Мощность  рассчитываем по формуле:

 мВт

 

Окончательно  выбираем резистор R1 типа С2-33-0,125-10кОм±5%

Определим мощность резистора R3.

Мощность  для R3 рассчитываем по формуле:

 

Т.к. мощность > 2 Вт, то нам необходимо увеличить  нагрузку. К  R3 мы подключим параллельно такой же резистор R4.

Теперь рассчитываем R3, R4  по формуле:

 

 

Мощность  рассчитываем по формуле:

 

Возьмем резисторы с мощностью рассеивания 2 Вт. Тем самым мы получили запас  мощности на участке.

Окончательно  выбираем резистор R3 и R4 в соответствии с рядом Е24  типа С2-33-2-470Ом±5%.

 R2 = 1 кОм исходя из ТУ на  КТ973А.

Окончательно  выбираем резистор R2 типа С2-33-0,125-1кОм±5%.

 

В реле же в качестве исполнительного элемента используется катушка. Катушка имеет  сильную индуктивность, так что  резко оборвать ток в ней невозможно. Если это попытаться сделать, то потенциальная  энергия, накопленная в электромагнитом поле, проявиться в резком всплеске энергии. При нулевом токе обрыва на катушке будет мощный всплеск напряжения, в сотни вольт. Чтобы увести энергию катушки замкнем ее на себя же, поставив диод КД208Б. При нормальной работе диод включен встречно напряжению и ток через него не идет. А при выключении напряжение на индуктивности будет уже в другую сторону и пройдет через диод.

Нам необходим  диод, соединенный параллельно  реле, соответствующий данным  Uобрат > Uобрыва, Iпро > Iобрыва.  Так же выбираем диод КД258Б исходя из того, что его характеристики  I=1,5A, Uобр=400В.

3 Проектирование кодопреобразователя

 

Первый этап: Проектирования кодопреобразователя начинается с построения таблицы истинности (таблица 3).

 

Таблица 3. Исходные данные для проектирования кодопреобразователя

Цифра

Входы

Выходы

A

B

C

D

E

G

F

E

D

C

B

A

0

0

0

0

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

1

0

2

0

0

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

3

0

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

4

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

0

5

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

6

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

1

7

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

8

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

9

0

0

0

0

0

1

1

0

1

1

1

1


 

Следующим этапом проектирования является получение минимизированных выражений. Используя данные таблицы 3, построим 8 матриц Карно – одна вспомогательная  – «Цифры» и семь для выходных переменных (рисунок 5).

 

 

Цифры                                        A

 

 

  B                                             C 

 

 

                                         D                                                 E  

 

 

  F                                         G

 

Рисунок 5 - Матрицы  Карно для кодопреобразователя

 

 

По матрицам рисунка  5 и закону де Моргана  получены следующие выражения:

 

      

  

       

      

 

     

     

 

 

Третий этап: пользуясь полученными результатами, проектируем схему (приложение Д).

 

Четвертый этап: расчет транзисторного ключа на выходе сигнала   
кодопреобразователя (рисунок 6).

 

Рисунок 6 – Транзисторный ключ на выходе сигнала   
кодопреобразователя (ОА).

 

В качестве индикатора АЛС324Б с параметрами  Uпр=2В, Iпр=10 мА.

Исходя  из требований Uкэ мах> Uп, Iк мах> Iн, Uвх1 ≥ 14,5В выбираем транзистор КТ3102Б, имеющий характеристики , , .

Зная, что  IК=10мА и Uвх =14,5В, рассчитаем сопротивление резистора R1 по формуле:

, ,

кОм,

Мощность  рассчитываем по формуле:

  Вт.

Выбираем  в соответствии с рядом Е24 номинал  резистора R1= 15 кОм,

мощностью 0,125 Вт.

Рассчитываем  R3:

Ом.

Мощность  рассчитываем по формуле: Вт.

Выбираем  в соответствии с рядом Е24 номинал  резистора R3 =1,2кОм,

мощностью 0,25 Вт.

Выбираем  резистор R2 = 10 кОм, исходя из технических условий транзистора КТ3102Б.

 

 

 

 

Заключение

В процессе разработки курсовой работы мы разработали  следующие цифровые устройства: шифратор, дешифратор и кодопреобразователь. Научились логически мыслить. Воспользовались матрицами Карно при проведении минимизации логических функций. Научились строить схемы. Разработали микросхемы цифровых устройств. Применили световую индикацию при разработке кодопреобразователя.

 

 Список используемой литературы

 

 

  1. Шило В.Л. Популярные логические микросхемы. Справочник. Москва. Радио и связь. 1987.
  2. Перельман Б.Л. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Москва. Радио и связь. 1981.
  3. Горюнова Н.Н. Трансформаторы и диоды.

Справочник. Энергоиздательство.

 

 

 

 

 

 


Приложение А

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

Приложение Б

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

Приложение В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение Г

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение Д