Функциональные узлы цифровых устройств

Функциональные узлы цифровых устройств
Вариант 13
...

Устройство должно содержать генератор тактовых импульсов, рассчитанный на заданную частоту, и формирователь, вырабатывающий в цикле из восьми тактов работы генератора, пять управляющих сигналов с заданными временными диаграммами. Устройство должно работать циклически, последовательно повторяя вид сигналов в каждом цикле из восьми тактов. Необходимо также предусмотреть начальную установку устройства при запуске, чтобы после подачи питающего напряжения на микросхемы и элементы устройства, выработка управляющих сигналов начиналась с первого рабочего такта.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Российский государственный профессионально-педагогический университет
Институт электроэнергетики и информатики
Кафедра микропроцессорной управляющей вычислительной техники










КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Поэтому выбираем этот вариант.При выборе базовой серии для реализации формирователя будем ориентироваться на широкодоступные серии, позволяющие реализовать это устройство. Наиболее широко применяются ИМС серий КМОП и ТТЛ, а также n- и p-МОП логик. Основное достоинство серий с МОП транзисторами – низкое энергопотребление, но эти серии отличаются низким быстродействием, хотя заданная тактовая частота относится к средним, но большая часть КМОП серий надёжно работает до частот в 1 МГц. Кроме того, эти ИМС гораздо менее надёжны в эксплуатации, чем ТТЛ, они требуют специальных приёмов монтажа, так как чувствительны к статическому электричеству. Поэтому выбираем ТТЛ схемы.Анализ справочной литературы [1,2,3,4] привёл к выводу о целесообразности использования ИМС серии К1533.Первые отечественныесерии ТТЛ – К131, К155 и К134 в начале 70-х годов подверглись существенной модернизации. Технологи применили в полупроводниках эффект Шоттки. Быстродействие интегральных транзисторов сейчас приблизилось к пределу для кремния – 6 ГГц. Маломощные быстродействующие цифровые интегральные микросхемы серии KP1533 предназначены для организации высокоскоростного обмена и обработки цифровой информации, временного и электрического согласования сигналов в вычислительных системах. Микросхемы серии КР1533 по сравнению с известными сериями логических ТТЛ микросхем обладают минимальным значением произведения быстродействия на рассеиваемую мощность.Зарубежный аналог – серия SN74ALSxxxx фирмы Texas Instruments (США).Микросхемы изготавливаются по усовершенствованной эпитаксиальпо-планарной технологии с диодами Шоттки и окисной изоляцией, одно- и двухуровневой металлизированной разводкой.Конструктивно микросхемы серии KP1533 выполнены в 14-, 16-, 20- и 24-выводных стандартных пластмассовых.Технические характеристикиСтандартные ТТЛ входные и выходные уровни сигналовНапряжение питания 5,0 В ±10 %Задержка на вентиль 4 нсМощность потребления на вентиль 1 мВтТактовая частота до 70 МГцВыходной ток нагрузки низкого уровня до 24 мАВыходной ток нагрузки высокого уровня до –15 мАГарантированные статические и динамические характеристики при емкости нагрузки 50 пФ в диапазоне температур от -10°С до +70°С и напряжений питания 5 В±10%Устойчивость к статическому электричеству до 200 ВСерия отличается широким набором типономиналов микросхем.2. Разработка и расчёт функциональных узлов. Генератор тактовых импульсов строим по схеме рис.1 на ИМС К1533ЛА3. Эта ИМС содержит 4 ЛЭ типа 2И-НЕ.1327154445Uвых1 ≥ 2,5 В; Uвых0 ≤ 0,5 В; Uпор = 1,4 В – для ТТЛ логики [4].f = 1,4 МГц – по условию. Период Т = 1/1,4·10–6 = 71,42286 мкс.Для проектируемой схемы Т = tи + tп = 2t, где t = CRln[(Uвых1 – Uвых0)/Uпор] [5], отсюдаt = CRln[(2,5 – 0,5)/1,4] ≈ 0,35667CR.71,4228610–6 = 20,3567CR.СR ≈ 1,00131·10–6 с.Задаёмся С = 0,1 нФ (по ряду Е12, конденсатор типа К10-50, керамический на 16 В [6]), тогда R = 10013,12 Ом. По ряду Е24 принимаем R = 10 кОм. С учётом общей нестабильности ГТИ при изменении температуры и напряжения питания такой точности и допусков выбранных рядов достаточно.Максимальная мощность, которая может выделяться на резисторе может быть оценена из условия, что на нём падает всё напряжение питания, 5 В.Рmax ≤ U2/R = 52/10000 = 2,5·10–3 Вт = 2,5 мВт. Исходя из удобства монтажа применим резисторы на 0,125 Вт.Импульсы с мультивибратора подаём на схему ФУИ. На входе схемы ФУИ находится двоичный счётчик с коэффициентом счёта 8 = 23. В качестве такого счётчика используем ИМС КР1533ИЕ5. -13335-56515ИМС представляет собой 4-х разрядный двоичный счётчик. В его состав входит две секции – счётчик-делитель на 2 и счётчик–делитель на 8. Последний реализуется, если счётные импульсы подавать на вход D1, вход D0 при этом не будем использовать. Если оставить вход D0 «висящим в воздухе» от случайных помех он может приводить к ложным срабатываниям, на выходе Q0 может появляться высокий уровень сигнала, логическая 1. Но этот выход не будет задействован и поэтому это не будет приводить к сбоям в работе всего устройства. Эта ИМС имеет динамические счётные входы, которые срабатывают по заднему фронту входных импульсов (по перепаду сверху вниз). Это обеспечит требуемый порядок срабатывания проектируемого узла, так как по заданию изменение управляющих сигналов, кроме Y11, происходит именно по заднему фронту тактовых импульсов. Для реализации Y11 потребуется дополнительная логика.Максимальная задержка распространения сигнала менее 70 нс, это соответствует максимальной частоте 2/70·10–9 ≈ 28 МГц > 1,4 МГц.Выходной ток при Uвых = 2,25 В не менее 30 мА (|–30|…|–120| мА) [1].На выходах Q1,Q2,Q3 при последовательном поступлении ТИ будет чередоваться двоичная последовательность – натуральный ряд двоичных чисел в двоичном коде, от 000 до 111. Эта последовательность будет использоваться как адресная для 5 мультиплексоров. Чтобы последовательность начиналась от 000 счётчик необходимо будет перед началом работы (при включении питания или принудительно) сбрасывать в нуль. Для этого у ИМС КР1533ИЕ5 есть два входа R0,R1. Для сброса счётчика на них необходимо подать высокий уровень.Адресная последовательность будет подаваться на адресные входы мультиплексоров, а на их входы подадим постоянные уровни сигналов, низкие, закоротив соответствующий вход на общую точку схемы и высокие, подав их от источника + 5 В через резисторы в 2 кОм. Таким образом, мы запрограммируем эту схему так, чтобы при переборе её адресных входов на выходе устанавливался уровень сигнала, требуемый для данного управляющего сигнала.Нам потребуется мультиплексор 8/1. В качестве мультиплексоров применим ИМС КР1533КП7.-22288552705Максимальная задержка не более 35 нс, следовательно, частота в 1,4 МГц будет обеспечена, входной ток для одиночного входа не боле 0,2 мА. Таким образом, все 5 входов потребят не более 1 мА и выход счётчика КР1533ИЕ5 обеспечит надёжное срабатывание мультиплексора по адресным входам при параллельной подаче этих сигналов на все 5 мультиплексоров напрямую, без дополнительных мер умощения сигнала.