Проектирование электронной схемы на цифровых ИМС

 

 

Содержание

 

 

     Ведение………………………………………………………………………….

1. Постановка задачи……………………………………………………………..

2. Составление таблицы истинности…………………………………………….

 

3. Схема генератора  импульсов………………………………………………...

 

4.   Выбор счетчика………………………………………………………………..

 

5. Схемы совпадений……………………………………………………………...

 

6.   Регистры памяти……………………………………………………………….

 

7.   Минимизация Булева выражения……………………………………………..

 

8.   Расчет  энергетических  параметров…………………………………………..

 

      Заключение……………………………………………………………………...

 

      Литература……………………………………………………………………...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ведение

 

Широкое 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 вышесказанное 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 с целью привития навыков использования существующей элементной базы цифровых микросхем и закрепления пройденного теоретического курса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Постановка  задачи

 

В данной работе необходимо спроектировать электронную схему на цифровых ИМС. Схема должна осуществлять генерацию пятибитного кода неполного алфавита русского языка, а также выводить   последовательности этих кодов в соответствии с наименованием и количеством букв фамилии исполнителя, с целью последующей обработки и отображения на буквенно-цифровом индикаторе.  

Поставленную задачу можно решить, используя структурную схему представленную на рис. 5 .

 

Рис. 1. Структурная схема устройства

 

Схема содержит следующие блоки:

 

• генератор прямоугольных импульсов с частотой f=100 кГц;
• формирователь двоичного кода, преобразует последовательность импульсов в параллельный двоичный код;
• устройство совпадения, выдаёт строб. импульс при совпадении входного кода с заданным;
• устройство запоминания, запоминает код по строб. импульсу устройства совпадения;

 

1. Составить таблицу истинности для 5-ти входных переменных (A,B,C,D,E).
2. Разработать схему генератора импульсов с f = 100 (кГц), относительная нестабильность частоты .
3. Студентам, номера которых чётные (как в данном случае  № 20), разработать схему на КМОП микросхемах.
4. К выходу генератора импульсов подключить счётчик разрядом 5+n, к выходам разрядов счётчика подключить N схем сравнения кодов, обеспечивающих формирование импульсов записи в моменты совпадения кодов 5-ти младших разрядов счётчика кода букв с интервалом времени, соответствующем каждой букве фамилии.
5. По каждому из этих N импульсов записи произвести запись 5-ти разрядного двоичного кода каждой буквы фамилии в соответствующий регистр памяти.
6. Преобразовать таблицу истинности: все единицы всех столбцов в одном столбце. По такой преобразованной таблице составить Булево выражение, заполнить карту Карно. Произвести минимизацию Булева выражения по карте Карно и записать минимизированное Булево выражение. 
7. Разработать структурную схему по первоначальной таблице истинности.
8. Разработать принципиальную схему.
9. Привести энергетические параметры.

 

2. Составление таблицы истинности

Таблица букв русского алфавита.

                                                                                                             Таблица 1

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
-	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж	З	И	Й	К	Л	М	Н	О
16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
П	Р	С	Т	У	Ф	Х	Ц	Ч	Ш	Щ	Ы	Ь	Э	Ю	Я

 

Составим таблицу истинности для пяти входных переменных A,B,C,D,E, учитывая количество букв в фамилии Пекурин N=7

                                                                                    Таблица 2

							П	Е	К	У	Р	И	Н
	№	A	B	C	D	E	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F
	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
А	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Б	2	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
В	3	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Г	4	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Д	5	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Е	6	0	0	1	1	0	0	1	0	0	0	0	0	1
Ж	7	0	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
З	8	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
И	9	0	1	0	0	1	0	0	0	0	0	1	0	1
Й	10	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
К	11	0	1	0	1	1	0	0	1	0	0	0	0	1
Л	12	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
М	13	0	1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Н	14	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	1
О	15	0	1	1	1	1	0	0	1	0	0	0	0	1
П	16	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0
Р	17	1	0	0	0	1	0	0	0	0	1	0	0	1
С	18	1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Т	19	1	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
У	20	1	0	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	1
Ф	21	1	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Х	22	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Ц	23	1	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Ч	24	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Ш	25	1	1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Щ	26	1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Ы	27	1	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Ь	28	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Э	29	1	1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
Ю	30	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Я	31	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0

 

 

 

 

Номер и код буквы  в фамилии студента:

 

1	П	000
2	Е	001
3	К	010
4	У	011
5	Р	100
6	И	101
7	Н	110

 

Полный код буквы  в фамилии студента:

 

Буква	Полный код
П	000 10000
Е	001 00110
К	010 01011
У	011 10100
Р	100 10001
И	101 01001
Н	110 01110

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Схема генератора импульсов

 

Схема генератора  прямоугольных импульсов требуется сделать с частотой  повторения 100 кГц с нестабильностью частоты:

 

 

Так как  номер в  журнале  четный(N20), то разрабатываем схему на КМОП-микросхемах:

Рис.2 Генератор импульсов

 

Схема основана на широко распространенном генераторе  на 3-х инверторах. В качестве времязадающих элементов используются резистор и конденсатор [4]:

R: МЛТ-0,125- 47кОм ± 5%

Конденсатор С рассчитаем как:

 

Выбираем  С = 110 пФ [4]: К 73 - 17- 110 пФ ± 5%   

 

Необходимость использования  серии 561 в генераторе обусловлена необходимостью подключения к выходу генератора большого числа входов микросхем, а микросхемы 561-й серии обладают достаточной для использования в данной работе нагрузочной способностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор счетчика.

 

К выходу генератора импульсов требуется подключить счетчик с числом разрядов равным (5+n).

В качестве счетчика возьмем  микросхему К561ИЕ10 [1].

Микросхема  К561ИЕ10 содержит два независимых 4-разрядных двоичных счетчика с параллельным выходом. Для повышения быстродействия в ИС применен параллельный перенос во все разряды. Подача счетных импульсов может производиться либо в положительной полярности (высоким уровнем) на вход С, либо в отрицательной полярности (низким уровнем) на вход V. В первом случае разрешение счета устанавливается высоким уровнем на входе V, а во втором случае — низким уровнем на входе С.

Структурная схема и  условное обозначение счетчиков типа ИЕ10 приведены на рис.7 .

 

Рис.3 Структурная схема и условное обозначение счетчиков типа ИЕ10

 

При построении многоразрядных счетчиков с числом разрядов более четырех соединение между собой ИС ИЕ10 может производиться с последовательным или параллельным формированием переноса. В первом случае на вход С (вывод 1 или 9) следующего каскада счетчика подается высокий уровень с выхода Q4 (выводы 6 или 14) предыдущего каскада. Условное обозначение на рис.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

Схемная реализация счётчика приведена на рис.9.

Рис.5 Схема реализации счетчика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Схемы совпадений.

 

К выходам разрядов счетчика подключить n-схем совпадения кодов, обеспечивающих формирование импульсов записи.

Формирование импульсов записи обеспечивают микросхемы [1]:

DD1, DD3 - К561ЛН2

DD4-DD8 - К561ЛА8

DD9-DD10 - К561ЛЕ5

 

Рассмотрим подробнее  каждую микросхему:

Микросхема К561ЛH2 содержит шесть буферных инверторов. Условное обозначение ИС и ее цоколевка изображены на рис.10. Для ИС необходимо лишь   одно   напряжение   питания,   поэтому   она   удобна   как

преобразователь уровней сигналов от КМДП ИС к ТТЛ ИС.

Основные параметры:

 

 

 

 

Микросхемы типа  К561ЛА8 выполняют логическую функцию m И-НЕ, где m – количество входов. Реализация этой логической функции обеспечивается последовательным соединением m МДП-транзисторов с каналом n-типа и параллельным соединением т МДП-транзисторов с каналом р-типа.

Рис.7 Принципиальная электрическая схема логического элемента 2И-НЕ и таблица ее состояний.

На рис.7 приведена принципиальная электрическая схема логического элемента 2И-НЕ, являющегося составной частью (одним из каналов), и таблица ее состояний, где 0 – низкий уровень, 1 – высокий уровень напряжения. Поскольку в ИС типа ЛА необходимо последовательное соединение МДП-транзисторов, выходные напряжения и в условиях номинальной нагрузки и наличия помех имеют несколько отличные значения от простейшего КМДП-инвертора на двух МДП-транзисторах. Эти отличия выражаются в более высоком уровне и более низком уровне (по сравнению с ИС, у которых на выходе используется простейший КМДП-иивертор). Для того чтобы при последовательном соединении т МДП-транзисторов напряжение не превысило допустимого уровня (по условию обеспечения помехоустойчивости), ширина каналов последовательно соединенных МДП-транзисторов увеличена в т раз. (МДП-транзисторы с большей шириной канала имеют более высокую крутизну характеристик и обеспечивают меньшее сопротивление открытого капала.)