Проектирование цифрового автомата

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Новомосковский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»

 

Кафедра

«Вычислительная техника и информационные технологии»

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

 

по дисциплине «Схемотехника»

 

 

НА ТЕМУ:

 

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО АВТОМАТА»

 

 

Зав. кафедрой           Воробьев В.И.

       личная подпись, дата    

Руководитель           Прохоров В.С.

                                                          личная подпись, дата

Н/контролер           Котельникова М.Г.

            личная подпись, дата   

Студент            Быкова Н.В.

       личная подпись, дата   

Группа            АС-11-1                                                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Новомосковск

2013г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

Новомосковский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного  
учреждения высшего профессионального образования

«Российский химико-технологический университет

имени Д.И. Менделеева»

 

Кафедра вычислительная техника и информационные технологии

 

УТВЕРЖДАЮ   

Зав. кафедрой   

______________ /В.И.Воробьев/

« »   2013г.

 

 

ЗАДАНИЕ

к курсовой работе по дисциплине «Схемотехника»

 

студента Быковой Натальи Владимировны курса 2 группы  АС-11-1

 

1. Тема работы и исходные данные: «Проектирование цифрового автомата».

2. Задание на специальную разработку: Разработать цифровой автомат, у которого на выходе периодически появляются коды символов, образующих фамилию и инициалы студента.

3. Перечень обязательного графического материала: Структурная схема цифрового автомата и полная таблица, описывающая его функционирование; принципиальная электрическая схема цифрового автомата; чертеж печатной платы, полученный с помощью программы Electronic Workbench.

4. Рекомендуемая литература и материалы: Новиков Ю.В. «Введение в цифровую схемотехнику», К.Г. Самофалов., А.М. Романкевич «Прикладная теория цифровых автоматов».

5. Срок сдачи законченной работы       

6. Дата выдачи задания         

 

Руководитель        

 

Задание принял к исполнению (дата)    

 

Студент         

 

 

 

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ

 

 

Сроки	Содержание выполненного задания	% по плану	% фактически
	Аналитический обзор	5	5
	Структурная схема ЦА	10	10
	Алгоритм функционирования ЦА	25	25
	Управление триггерами	30	30
	Составление полной таблицы функционирования ЦА	45	45
	Минимизация логических функций КС1 и КС2	50	50
	Моделирование и отладка принципиальной схемы ЦА в симуляторе MultiSIM	75	75
	Оформление макета печатной платы ЦА и пояснительной записки	90	90
	Защита курсовой работы	100	100

 

 

Студент     

Руководитель работы     

 

 

Реферат 

Пояснительная записка 30 страниц, 6 рисунка, 7 таблиц, 6 источника.

 

КОНЕЧНЫЙ ЦИФРОВОЙ АВТОМАТ, АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, УПРАВЛЕНИЕ ТРИГГЕРАМИ, СОСТАВЛЕНИЕ ПОЛНОЙ ТАБЛИЦЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

 

Данный курсовой проект содержит разработку цифрового автомата, алгоритма его функционирования, принципиальной электрической схемы и макета печатной платы.

Цель работы - разработать цифровой автомат, у которого на выходе периодически появляются коды символов, образующих фамилию и инициалы студента. Курсовая работа является итоговой работой по изучению курса «Автоматического проектирования цифровых вычислительных устройств». Конечной целью изучения курса является освоение самостоятельного проектирования несложных дискретных устройств (цифрового автомата), для того, чтобы в дальнейшем успешно эксплуатировать более сложные, серийно выпускаемые микроконтроллеры, а также ремонтировать и модернизовать персональные компьютеры.

Задание выполнено с использованием программы-симулятора MultiSim &  Ultiboard. Использование этих программ сокращает время разработки всего комплекса конструкторской документации по проекту.

Курсовой проект разработан для кафедры «Вычислительная техника и информационные технологии».

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В связи с развитием новых информационных технологий, появляется необходимость уметь считывать, обрабатывать, преобразовывать информацию посредством аппаратных или программных устройств. Этой роли большое внимание уделяется в области схемотехники - наука о проектировании и исследовании схем электронных устройств. Именно эти устройства и помогают реализовать ранее приведенные действия.

В данном курсовом проекте разрабатывается цифровой автомат, у которого на выходе периодически появляются коды символов, образующих мою фамилию и инициалы.

Преобразование информации в ПК производится электронными устройствами двух классов: комбинационными схемами и цифровыми автоматами.

В комбинационных схемах совокупность выходных сигналов в любой момент времени однозначно определяется выходными сигналами, поступающими на входы в тот же момент времени.

В курсовой работе разрабатывается более сложный преобразователь дискретной информации - цифровой автомат, у которого на выходе периодически появляются коды символов, образующих фамилию и инициалы студента.

Для разработки цифрового автомата используется интерактивный эмулятор схем Multisim. Он позволяет создавать лучшие продукты за минимальное время. Электронная система моделирования Multisim имитирует идеальное рабочие место исследователя - лабораторию, оборудованную измерительными приборами, работающими в реальном масштабе времени.

Необходимо отметить уникальность данного устройства в том смысле, что сигналы на его выходах для каждого выполняющего будут уникальны и имеют прямую корреляцию с личными данными выполняющего (ФИО).

Для конструирования макета печатной платы используется программа Ultiboard, включающая широкий набор функций, существенно ускоряющих процесс разработки, обладает наиболее простым промышленным интерфейсом. Ultiboard позволяет легко создавать как простые, так и самые сложные современные платы, дает в руки конструкторов инструменты, позволяющие браться за выполнение самых сложных проектов.

В разработке проекта будем придерживаться данных о работе устройства, полученных от программы-симулятора, проверим работоспособность путем сборки реального устройства по данным систем автоматизированной разработки, продемонстрируем преобразование схемы цифрового автомата в макет печатной платы.

 

1. Аналитический обзор

 

1. Введение в схемотехнику

 

В этом разделе разберем более подробно смысл термина «схемотехника», а так же выделим отличия этой дисциплины от других, связанных с электрическими явлениями. Схемотехника, научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники.

Если оставить только ключевые слова из определения, то схемотехника - это наука о проектировании и исследовании схем электронных устройств.

Слова проектирование и исследование достаточно понятны, они говорят нам о том, что в схемотехнике, как и во многих других научно-технических дисциплинах, большинство задач можно разделить на два класса:

 

• задачи синтеза («объединения ранее разрозненных вещей») - создание схемы некоего устройства из отдельных деталей или блоков.

 

• задачи анализа («расчленения целого на составные части») - исследование поведения и свойств большой системы на основании информации о свойствах её составляющих.

 

Слово схема нуждается в отдельном пояснении. Предмет изучения схемотехники - это схемы, и этот термин имеет два значения:

 

• Во-первых, электрическая схема - это условное графическое представление некоторой электрической цепи. В зависимости от назначения используются различные виды схем (принципиальная схема, эквивалентная схема и другие).

 

• Во-вторых, схема - это сама электрическая цепь (например, интегральная схема).

 

Можно сказать, что задача схемотехники - это анализ и проектирование реальных электронных устройств, но при этом схемотехника оперирует «схемой» - абстрактным представлением устройства в виде совокупности условных обозначений.

 

2. Теория электрических цепей

 

Изучение свойств отдельных электронных компонентов (например, транзистора) является задачей электроники. Но если соединить несколько компонентов проводниками, то возникает совершенно новая сущность - электрическая цепь; в ней отдельные компоненты взаимодействуют и, благодаря этому, возникают новые эффекты и процессы, которые в отдельных компонентах наблюдать нельзя. Изучением процессов в электрических цепях занимается отдельная дисциплина - теория электрических цепей.

Теория электрических цепей - раздел теоретической электротехники, в котором рассматриваются математические методы вычисления электрических величин в электрических цепях.

Теория цепей оперирует не реальными электронными компонентами (они слишком сложны для точного математического описания), а их простыми идеализированными моделями. Можно даже считать, что теория цепей вообще не интересуется реальными компонентами (транзисторами, диодами и т.д.), а ограничивается изучением только идеализированных моделей. Чтобы применить методы теории цепей к реальным устройствам, их необходимо представить в виде эквивалентных схем, содержащих только идеализированные модели.

Теория цепей дает для схемотехники методы для изучения процессов в электрических цепях. В некотором смысле задачи этих двух дисциплин перекрываются (обе имеют дело с процессами в электрических цепях). Отличие заключается в том, что теория цепей дает методы работы с абстрактными идеализированными моделями, а схемотехника применяет эти методы для построения реальных устройств.

В рамках данного курса будут рассмотрены основы теории цепей, необходимые для перехода к схемотехнике.

 

3. Создание электронных устройств

 

Элементной базой для создания электронных устройств служат дискретные электро- и радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т. д.) и интегральные микросхемы. Если электронная схема реализуется в виде интегральной схемы (ИС) либо нескольких ИС, то говорят о "микросхемотехнике", под которой понимают область микроэлектроники, связанную с проектированием ИС. Помимо синтеза и расчёта электронных схем, микросхемотехника решает задачу разработки на основе электронных схем структуры ИС. Основные этапы разработки:

 

-   расчёт геометрических размеров элементов ИС;

-   рациональное размещение элементов на поверхности или в объёме подложки ИС;

 

-  нахождение оптимальных соединений элементов (возможные критерии оптимальности - обеспечение минимальных длин проводников, либо числа их пересечений, либо взаимного влияния и т. д.).

 

Так как создание новой ИС - комплексная проблема, то её решают совместно специалисты по микросхемотехнике, физики, технологи, конструкторы, используя комплексные опытно-теоретические методы, в том числе моделирование на ЭВМ как самой схемы, так и условий её работы.

Теоретической базой схемотехники (в том числе микросхемотехники) служат теория линейных и нелинейных электрических цепей, электродинамика, математическое программирование, теория автоматов и др. При создании электронных схем перспективно использование методов проектирования с применением ЭВМ.

 

2. Проектирование цифрового автомата

 

Цифровой автомат представляет собой последовательную схему для обработки дискретной информации. В операционном устройстве выполняются арифметические и логические операции, в качестве узлов в состав операционного устройства входят: регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы и др. Управляющие устройства координируют действия узлов операционного устройства. Управляющие устройства определенной временной последовательности вырабатывают управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые функции.

Процессорное устройство описывается множеством входных сигналов являющихся исходными данными. Управляющее устройство вырабатывает множество управляющих сигналов, операционное устройство вырабатывает множество признаков, которые позволяют изменить последовательность выполненных микрокоманд. На последовательность выполнения микрокоманд так же влияют внешние признаки.

 

1. Структурная схема цифрового автомата

 

Обобщенная структурная схема ЦА (Рисунок 1) содержит запоминающее устройство (ЗУ) (регистр, выполненный на триггерах) и два комбинационных устройства: для формирования сигналов управления триггерами КС1 и для формирования требуемых выходных сигналов КС2.

 

 

Рисунок 1 - Полная структурная схема цифрового автомата

 

В схему входит:

 

- КС1-комбинационное устройство управления регистром на триггерах;

 

- КС2-ПЗУ с запрограммированными кодами символов (заменено комбинационной схемой);

 

- ЗУ-запоминающее устройство (регистр) на триггерах;

- W-сигнал сброса устройства;

 

- Ф-синхронизирующий сигнал внутри устройства

 

Так как ЦА должен работать совместно с другими устройствами (например, с устройствами вывода символов и т.п.), то целесообразно будет использовать внешний (по отношению к проектируемому устройству) генератор тактовых импульсов для синхронизации всех совместно работающих устройств.

 

2. Алгоритм функционирования цифрового автомата

 

По сигналу с дешифратора команд ДШ схема запуска формирует входной сигнал х, который принимает только два значения: х1=0 (пауза в работе ЦА) и х2=1 (запуск и работа ЦА). После завершения цикла вывода формируется сигнал W, который сбрасывает регистр на триггерах в 0 и запрещает подачу тактовых импульсов Ф на схемы ЦА до момента прихода импульса запуска ЦА с дешифратора  команд (длина импульса запуска должна быть не меньше длины импульса синхронизации - для срабатывания схемы).

 

           Таблица 1 – Таблица кодирования символов

 

	0	1	2	3	4	5	6	7
0	-	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж
1	З	И	Й	К	Л	М	Н	О
2	П	Р	С	Т	У	Ф	Х	Ц
3	Ч	Ш	Щ	Ы	ЬЪ	Э	Ю	Я

 

 

 

В соответствии с таблицей кодирования символов составим таблицу выходных значений (таблица 2)

       Таблица 2 – Таблица выходных значений

 

Символы	-	Б	ы	к	о	в	а	-	Н	-	В	-
8-ричный код	00	02	33	13	17	03	01	00	16	00	03	00

 

 

 

Период функционирования цифрового автомата равен количеству символов,    т. е. 12.

Каждый период (цикл) функционирования ЦА начинается в момент поступления на его вход сигнала запуска x(t)=1. При поступлении на его вход очередного тактового импульса Ф, максимальное число которых равно периоду функционирования автомата R=12 ЦА проходит ряд сменяющих друг друга состояний a(t) = al (l = 0, 1, 2, …, S). Число рабочих состояний равно S=12 а общее число состояний ЦА, включая исходное a0, равно S+1=13 и связано с максимальным числом рабочих тактов R соотношением     S ³ R (R=12).

Минимально необходимое количество триггеров для синтеза регистра (памяти) определяем из соотношения n ³ log2(S + 1), N=4;

В соответствии с заданием последовательность состояний регистра должна состоять из вычетов по модулю М, образовывать арифметическую прогрессию с разностью, равной наименьшему простому числу, не являющемуся делителем числа М, где М – период генерируемой последовательности.

В рассмотренном случае М = 12. Наименьшее простое число, не являющееся делителем 12, это 5. Поэтому состояния регистра будут изменяться в такой последовательности:

0, 5, 10, 1, 6, 11, 2, 7, 3, 8, 4, 9, …

Для синтеза КС1 и КС2 зададим таблично функцию переходов (таблица 3) и функцию выходов (таблица 4).

 

                       Таблица 3 - Таблица функций переходов

 

Предшествующее состояние автомата a(t)		Последующее состояние автомата a(t+1)
		при x(t)=1	при x(t)=0
a0	0000	a5	a0
a5	0101	a10	a0
a10	1010	a1	a0
a1	0001	a6	a0
a6	0110	a11	a0
a11	1011	a2	a0
a2	0010	a7	a0
a7	0111	a3	a0
a3	0011	a8	a0
a8	1000	a4	a0
a4	0100	a9	a0
a9	1001	a0	a0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             

 

                   Таблица 4 - Таблица функций выходов

 

Состояние автомата a(t)		Значения выходных сигналов y(t)
		y1	y2	y3	y4	y5	W
a0	0000	0	0	0	0	0	0
a5	0101	0	0	0	1	0	0
a10	1010	1	1	0	1	1	0
a1	0001	0	1	0	1	1	0
a6	0110	0	1	1	1	1	0
a11	1011	0	0	0	1	1	0
a2	0010	0	0	0	0	1	0
a7	0111	0	0	0	0	0	0
a3	0011	0	1	1	1	0	0
a8	1000	0	0	0	0	0	0
a4	0100	0	0	0	1	1	0
a9	1001	0	0	0	0	0	0
a0	0000	0	0	0	0	0	1

 

 

 

 

                    

 

 

 

 

Алгоритм функционирования ЦА можно задать с помощью графа (рисунок 2), в котором номер состояния удобно обозначить числом, характеризующим состояние регистра, а также указать номер выхода в каждом состоянии, на котором формируется сигнал «1» (граф составляем по таблицам 3 и 4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - Алгоритм функционирования ЦА, заданный с помощью графа

 

3. Описание состояний цифрового автомата

 

Цифровой автомат можно представить как «черный ящик», имеющий конечное число входов и выходов и некоторое множество внутренних состояний Q ={a1(t), a2(t), …, an(t)}, в которые он под воздействием входных сигналов переходит скачкообразно. Выходные сигналы y(t) возникают в результате действия входных сигналов x(t), при этом одновременно с появлением выходного сигнала происходит скачкообразный переход автомата из состояния an(t) в состояние an+1(t).

Выходные сигналы зависят не только от входных сигналов в данный момент времени, но и от сигналов, которые поступили на входы автомата ранее, т.е. от состояния автомата в текущий момент.

Каждое состояние регистра отождествляется с записанным в триггеры 4-разрядным двоичным числом в соответствии с установленным выше правилом и может быть представлено в таблице 5.

 

              Таблица 5 - Таблица состояний цифрового автомата

 

Состояние регистра	Сигналы QB(t) на прямых выходах триггеров T4, T3, T2, T1
	Q4(t)	Q3(t)	Q2(t)	Q1(t)
a0	0	0	0	0
a5	0	1	0	1
a10	1	0	1	0
a1	0	0	0	1
a6	0	1	1	0
a11	1	0	1	1
a2	0	0	1	0
a7	0	1	1	1
a3	0	0	1	1
a8	1	0	0	0
a4	0	1	0	0
a9	1	0	0	1
a0	0	0	0	0