Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
Гуров В.В., Чуканов В.О. Основы теории и организации ЭВМ Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ
РУКОВОДИТЕЛЬ
доц., к.т.н.
О.И. Курсанов
должность, уч. степень
подпись, дата
инициалы, фамилия
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОДА
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине
«СХЕМОТЕХНИКА»
РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ
СТУДЕНТ ГР.
А.А. Кузнецова
подпись, дата
инициалы, фамилия
Санкт-Петербург 2011
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ.. 1
1. ВВЕДЕНИЕ.. 2
2. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.. 3
3. РАЗРАБОТКА ИМИТАРОРА ВХОДНОГО КОДА (СЧЕТЧИКА S) 4
4. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ КОДА (PK) 6
5. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ... 9
6. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ MC-9 GUAP Edition. 11
7. ПРИМЕНЕНИЕ МАКРООПРЕДЕЛЕНИЙ (МАКРОСОВ) 16
8. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПЛАТ (РАЗРАБОТКА ЦЕПЕЙ ПИТАНИЯ) 19
9. КОМПАНОВКА ИМС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ... 20
10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 22
11. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 22
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
Разработала
А.А. Кузнецова
Преобразователь двоично-десятичного кода 2421 в двоично-десятичный код 5211
Литер
Лист
Листов
Проверил
О.И. Курсанов
У
Группа 4841
Н. К.
Утв.
1. ВВЕДЕНИЕ
Целью курсового проектирования является освоение методов расчета, схемотехнического проектирования и конструирования элементов и блоков ЦВМ.
При выполнении проекта было необходимо разработать электронное устройство в соответствии с предложенной схемой и исходными данными, которое обеспечило бы заданную точность и качество работы.
Представленное в данном курсовом проекте электронное устройство предназначено для автоматического преобразования кода 2421 в код 5211.
В цифровых устройствах часто возникает необходимость перекодирования чисел, т.е. представления их в ином коде. Узлы-переводчики, преобразующие многоразрядный входной код в выходной код, построенный по иному закону, называются кодирующими устройствами или кодовыми преобразователями (КП). Название в большой мере условно, поскольку любое цифровое устройство преобразует некоторый входной код в некоторый выходной, т.е. является кодовым преобразователем. В дальнейшем будем применять этот термин к узлам, работа которых не описывается достаточно простым алгоритмом, а задается таблицей соответствия входов и выходов.
Существует несколько способов реализации КП:
- на постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ);
- на программируемых логических матрицах (ПЛМ);
- на отдельных логических микросхемах.
В зависимости от требований, предъявляемых к преобразователю кода, для его реализации выбирают один из вышеуказанных способов. В данном курсовом проекте используется третий способ реализации - построение КП на отдельных логических элементах.
Целью данного курсового проекта является разработка КП, который включает в себя:
- двоично-десятичный четырехразрядный счетчик;
- непосредственно преобразователь кода, построенный на отдельных логических элементах;
- четырехразрядный регистр;
- схема контроля четности входного и выходного кодов.
Основной элементной базой данного курсового проекта взята серия К155 (Тип логики: ТТЛ), так как она удовлетворяет всем поставленным условиям.
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
2. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Индивидуальное задание на синтез КП:
Схема
Номер варианта
Входной код КП
Выходной код КП
Преобразователь двоично-десятичного кода 2421 в двоично-десятичный код 5211.
Таблица 1: Функционирование КП
«10»
«2»
Код 2421
mod2_1
Код 5211
mod2_2
Итог
mod2
Q4
Q3
Q2
Q1
С4
С3
С2
С1
Рисунок 1: ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА КП
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
3. РАЗРАБОТКА ИМИТАРОРА ВХОДНОГО КОДА (СЧЕТЧИКА S)
Цифровой счетчик – это конечный автомат (последовательная схема), который может находиться в любом из разрешенных устойчивых состояний.
В цифровой технике используются двоичные счетчики, обеспечивающие в заданном типе кодирования подсчет входных сигналов, деление частоты их следования, формирование временных интервалов и т.д.
В качестве элементов памяти в счетчиках используются триггеры.
Двоичный N-разрядный счетчик может находиться в одном из 2N устойчивых состояний, каждому состоянию соответствует определенный код, записанный в счетчик. Суммарное количество устойчивых состояний называется коэффициентом пересчета K.
Таблица 2: Таблица истинности суммирующего счетчика S
t
t+1
Входы
Q4
Q3
Q2
Q1
Q4
Q3
Q2
Q1
D4
D3
D2
D1
Диаграммы Вейча для минимизации функций возбуждения D-триггера (D1,D2,D3,D4)
Q2
Q1
Q4
Q3
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
Q2
Q1
Q4
Q3
⋁ ⋁ = ⋁
Q2
Q1
1
Q4
Q3
⋁ ⋁
Q2
Q1
Q4
Q3
⋁ ⋁
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
4. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ КОДА (PK)
Таблица 3: Функционирование КП
Десятичное значение
Двоичный код
Код 2421
Код 5211
Q4
Q3
Q2
Q1
С4
С3
С2
С1
Диаграммы Вейча для минимизации выходных выражений для серии выходных функций КП (С1, С2, С3, С4)
5. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
В процессе выполнения курсового проекта необходимо обоснованно выбрать элементную базу для реализации данного блока. Основные характеристики различных базовых элементов, наиболее часто используемых при создании ЭВМ типов микросхем, приведены в таблице 5.
Таблица 5: Среднее время задержки распространения tЗ;
Максимальная потребляемая мощность PMAX
Тип микросхемы
tЗ, нс
PMAX, мВт
ТТЛ
5…10
1…10
ТТЛШ
1…3
1…5
КМДП
3…80
0,0002…0,2
ЭСЛ
1…2
30…50
И2Л
1…25
0,1
При построении микросхем ТТЛ и ТТЛШ на неиспользуемые входы модно подать напряжение высокого уровня от напряжения источника питания через резистор 1 кОм или от выхода свободного логического элемента, замедлив его вход. Допустимо также оставлять такие входы неподключенными. Входы неиспользуемых элементов ТТЛ рекомендуется заземлять для меньшего потребления токов от источника питания.
Основной элементной базой данного курсового проекта взята серия К155 (Тип логики: ТТЛ), так как она удовлетворяет всем поставленным условиям.
Микросхемы серии К155 являются предпочтительнее по сравнению с серией К133, т.к. являются маломощными и обладают более низким временем задержки при переходе микросхемы из одного состояния в другое.
Электрические схемы некоторых микросхем из серии К155, которые непосредственно задействованы в данном курсовом проекте:
Рисунок 2: K155LI1; K155LL1
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
Рисунок 3: K155LR
Рисунок 4: K155ТМ2
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
6. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ MC-9 GUAP Edition
Программа MC-9 GUAP Edition имеет удобный пользовательский интерфейс. Она позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые, и аналого-цифровые электронные устройства.
Воспользуемся программой MC-9 GUAP Edition для непосредственного конструирования и тестирования каждого блока разрабатываемого нами узла ЦВМ, а также устройства в целом.
6.1 ИМИТАТОР ВХОДНОГО КОДА
Рисунок 5: Двоично-десятичный четырехразрядный счетчик S
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
Рисунок 6: Временные диаграммы работы счетчика S
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
6.2 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОДА
Рисунок 7: ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОДА PK
Рисунок 8: Временные диаграммы работы КП PK
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
6.3 СХЕМА КОНТРОЛЯ
Рисунок 9: Схема контроля MOD2
Рисунок 10: Временные диаграммы работы схемы контроля MOD2
7. ПРИМЕНЕНИЕ МАКРООПРЕДЕЛЕНИЙ (МАКРОСОВ)
В процессе моделирования устройств в ряде случаев отдельные элементы могут отсутствовать в библиотеке компонентов. В этом случае необходимо строить макросы, представляющие собой компиляцию однородных или разнородных элементов и объединенных в отдельную схему, которой присваивается некоторое название. Подобную процедуру также удобно применять для объединения блоков схемы одинакового функционального назначения с целью упрощения самой принципиальной схемы.
Рассмотрим процедуру составления макроса, на примере разрабатываемого в данном курсовом проекте имитатора входного кода, построенного на основе двоично-десятичного счетчика.
Входы: счетчик имеет 3 входа:
- вход для сигнала очистки (C);
- вход для синхронизирующего сигнала (SYN);
- вход для подключения к Логической 1(U).
Выходы: счетчик имеет 8 информационных выходов: 4 прямых и 4 инверсных. (При создании макроса были задействованы только прямые выходы счетчика).
Принцип работы:Для нормальной работы счетчика на вход U всегда должен подаваться высокий уровень. После того, как произошла очистка счетчика и установка его в первоначальное состояние (0000), начинается последовательный отсчет при наличии единичного сигнала на входе SYN. Если на входе SYN сигнал отсутствует, счетчик сохраняет свое предыдущее состояние.
Для создания макроса открываем меню «Файл», выбираем пункт «Создать», выбираем «Схемный файл», нажимаем кнопку «OK». Появляется пустое окно, в котором нужно нарисовать схему, изображенную на рисунке 5. Сохраняем схему под именем «M_SCHETCHIK», с расширением mac.
Для разработанного макроса необходимо создать (нарисовать) его условное обозначение в соответствии с действующими стандартами. В меню «Окна»выбираем пункт «Редактор изображений». Справа в дереве выбираем нужную нам группу и нажимаем кнопку «Добавить», вводим имя «M_SCHETCHIK», рисуем фигуру, соответствующую разрабатываемому нами элементу, затем нажимаем кнопку«Закрыть», подтверждая сохранение изменений (рис.13).
Вторично выбираем меню «Окна», выбираем пункт «Редактор компонентов». В поле «Name» пишем «M_SCHETCHIK». В поле «Форма» выбираем «M_SCHETCHIK». В поле «Определение» выбираем «Macro». Устанавливаем галочки в полях в соответствии с рис. 14. В окне с изображением схемы наводим курсор на каждую ножку и вводим её название в соответствии с названиями на схеме. Нажимаем кнопку «Закрыть», подтверждая сохранение изменений (рис.14).
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
Рисунок 13: Окно составления макроса и выводов
Рисунок 14: Окно обозначения выводов счетчика S
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
Аналогичным способом создаем остальные макросы:
Рисунок 15: Макросы, разработанные в данном курсовом проекте
Итоговая принципиальная схема приведена в С.53.230101.4841.КП.1.3.ЭЗ
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
8. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПЛАТ (РАЗРАБОТКА ЦЕПЕЙ ПИТАНИЯ)
Для подавления ВЧ и НЧ помех, поступающих в устройство по цепям питания, на платах устанавливаются развязывающие конденсаторы по питанию.
8.1 НЧ помехи блокируются электролитическими конденсаторами, типа К50-12, К50-38, К50-68 из расчета 0,1 мкФ.*N, где N – общее количество микросхем на плате.
- С1НЧ = 0,1 * 15 = 1,5 мкФ
Устанавливается между шинами +5В и общий провод возле разъема.
8.2 Для подавления ВЧ помех на каждую ИМС повышенной степени интеграции (8 триггеров) устанавливается керамический конденсатор, типа К10-7, К10-17, К10-62, емкостью 0,1 мкФ.
- С2ВЧ… С5ВЧ
Устанавливается между шинами +5 и общим проводом возле соответствующей ИМС.
8.3 Если в устройстве есть ряды ИМС, состоящие только из ИМС типа «Логика», то на каждый такой ряд устанавливается один конденсатор для подавления ВЧ помех (К10-7, К10-17, К10-62) из расчета 0,002 мкФ*К, где К – количество микросхем в ряду.
- С6ВЧ = 0,002*5 = 0,01 мкФ;
- С7ВЧ, С8ВЧ = 0,002*3 = 0,006 мкФ;
- С9ВЧ, С10ВЧ = 0,002*1 = 0,002 мкФ;
8.4.Если в одну ряду кроме ИМС типа «Логика» располагаются ИМС повышенной степени интеграции, то установка дополнительного конденсатора, блокирующего ВЧ помехи на ИМС типа «Логика», не требуется.
Рисунок 16
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
9. КОМПАНОВКА ИМС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
Таблица 6: ВСЕ ИМС, использованные в курсовом проекте
Микросхема
Логическая функция
Количество элементов на кристалле
Установочный размер, мм
Количество микросхем
К155ЛИ1
И
7,5 × 15
К155ЛЛ1
ИЛИ
7,5 × 15
OR
ИЛИ
7,5 × 15
K155ЛН1
НЕ
7,5 × 15
К555ЛР13
И-ИЛИ-НЕ
7,5 × 15
К155ЛП5
MOD2
7,5 × 15
К155ТМ2
D-триггер
7,5 × 15
Итог:
Расчет габаритных размеров печатной платы:
Рисунок 17: Печатная плата
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
lx = 7,5 мм
tx = 20 мм
n= 5
ly = 15 мм
ty = 30 мм
m= 3
Lx зоны установки = n*tx – (tx-lx) = 5*20 – 12,5 = 87,5 мм
Ly зоны установки = m*ty – (ty-ly) = 3*30 – 15= 75 мм
Lx рабочей зоны = Lx зоны установки + 2*(tx-lx) = 87,5+ 2*12,5 = 112,5 мм
Ly рабочей зоны = Ly зоны установки + 2*(ty-ly) = 75 + 2*15 = 105 мм
LX = Lx рабочей зоны + S1 + S2 = 112.5 +5 +5 =122,5 мм = 125 мм
LY = Ly рабочей зоны + S3 + S4 = 105 +5 +15 =125 мм
S1 = 5 мм (выбирается из интервала 2,5-5 мм);
S2 = 5 мм (выбирается из интервала 2,5-5 мм);
S3 = 5 мм (т.к. в устройстве не устанавливается лицевая панель и консольная колодка);
S4 = 15 мм (выбирается из интервала 10-20 мм).
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был разработан преобразователь двоично-десятиного кода 2421 в двоично-десятичный код 5211, который в свою очередь был оснащен дополнительными устройствами, такими как: имитатор входного кода, построенный на основе двоично-десятичного счетчика, четырехразрядный регистратор выходного кода и схема контроля.
Устройство было отлажено в программе-модуляторе MC-9 GUAP Edition и для упрощения принципиальной схемы было разбито на четыре отдельных независимых блока - макроса.
Разработанное устройство находится в полном рабочем состоянии, что подтверждают временные диаграммы.
11. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
11.1. О.И.Курсанов, С.Г.Марковский, Л.А.Осипов, А.И.Попов, Т.В.Семененко «Проектирование цифровых устройств ЭВМ в программном пакете MICROCAP-9» (3 части; изд. «Санкт-Петербург» 2008 г.);
11.2. О.И.Курсанов, Л.А.Осипов, А.И.Попов, Т.В.Семененко «Синтез и компьютерный анализ элементов и узлов ЦВМ на базе программного пакета MICROCAP-9» (изд. «Санкт-Петербург» 2009 г.);
11.3. В.Л.Шило «Популярные цифровые микросхемы» (изд. «Металлургия» 1989 г.).
С.53.230101.4841.КП.1.3.ПЗ
Лист
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
С.53.230101.4841.КП.1.3.СБ
Преобразователь двоично-десятичного кода 2421 в двоично-десятичный код 5211
СБОРОЧНЫЙ ЧЕРТЕЖ
Литер
М
Изм
Лист
Документ
Подпись
Дата
У
1:1
Разработала
А.А. Кузнецова
Проверил
О.И. Курсанов
Лист 1
Листов 1
Рецензия
Группа 4841
Н. К.
С.53.230101.4841.КП.1.3.ЭЗ
Преобразователь двоично-десятичного кода 2421 в двоично-десятичный код 5211
⋁ 
⋁ 
= 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
⋁ 
Рисунок 8: Временные диаграммы работы КП PK
Рисунок 10: Временные диаграммы работы схемы контроля MOD2
Рисунок 12: Временные диаграммы работы регистр RG
Рисунок 14: Окно обозначения выводов счетчика S
Итоговая принципиальная схема приведена в С.53.230101.4841.КП.1.3.ЭЗ
