Цифровая схемотехника. Курсовой

Q =T / tu

Базовая структура генератора выполнена на логических элементах DD1, DD2 и в схемном отношении представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью, осуществляемой с помощью времязадающих цепочек R1C1 и R2C2. Логические элементы DD3 и DD4 имеют вспомогательное назначение и служат для создания режима “мягкого” самовозбуждения. Базовая схема мультивибратора склонна к жесткому самовозбуждению, когда после подачи питающего напряжения элементы DD1 и DD2 из-за высокой симметрии схемы могут одновременно оказаться в единичном состоянии и автоколебания не возникают. Логические элементы DD3 и DD4 обеспечивают перевод схемы в автоколебательный режим. При появлении единичных уровней на выходах DD3 и DD4 срабатывают элементы DD3 и DD4 и на вход DD2 поступает единичный уровень сигнала, который переводит DD2 в состояние логического нуля, вызывая развитие устойчивых автоколебаний.

Расчет схемы следует производить в следующей последовательности: 1) Определение длительности импульса tu и паузы tn, исходя из

заданной частоты f и выбранной скважности выходных импульсов

tu = fQ1 ,

		1			1		(4.9)
	tn =		1	−
		f
					Q

Обычно скважность импульсов выбирают равной двум.

2)Выбор сопротивления резистора времязадающей цепочки

(обычно R1=R2=R) производится исходя из выполнения следующих условий

R1вых<R<Rmax,	(4.10)
где R1вых – выходное сопротивление логического элемента в единичном
состоянии.
Rmax находится из условия обеспечения работоспособности схемы:
U R = Iвх Rmax <Uпор,	(4.11)

где Uпор – пороговое напряжение переключения логического элемента; Iвх – входной ток логического элемента при низком уровне на

входе.

31

U вых1 ,Uвых0

В схеме, представленной на рис.4.13,				входной ток находится из
выражения
Iвх	=	U п −U БЭ	,	(4.12)
		R + RБ

где Uп – напряжение питания;

RБ и UБЭ – соответственно сопротивление в цепи базы и напряжение между базой и эмиттером транзистора входного каскада логического элемента DD1 (DD2).

В соответствии с выражениями (4.11) и (4.12) находим максимальное сопротивление резистора

U пор RБ
Rmax = uП −U БЭ −U пор .	(4.13)

Для логических элементов серии К155 UБЭ=0,7 В; RБ= 4 кОм.

Если неизвестны параметры RБ и UБЭ входного каскада логического элемента, можно воспользоваться соотношением

Rmax =	Uпор	,	(4.14)
	Iвх0

где Iвх0 – справочное значение входного тока логического нуля элементов DD1, DD2.

В этом случае величина сопротивления резистора Rmax будет несколько занижена по сравнению с точным расчетом по формуле (4.13).

3) Емкости конденсаторов С1 и С2 определяются из соотношений

C1 =			tп					;	(4.15)
	(R + Rвых1 )ln		U вых1 −U вых0		+U R
			Uпор
	С2 =			tu						,
		(R + Rвых1 )ln		Uвых1	−Uвых0 +U R
					Uпор

(4.16)

где Rвых1 – выходное сопротивление логического элемента в единичном состоянии; – уровни выходного напряжения для единичного и нулевого состояния логического элемента.

32

Диоды VD1 и VD2 обеспечивают быстрый разряд соответствующего времязадающего конденсатора и защищают входы DD1 и DD2 от недопустимо больших напряжений отрицательной полярности, ограничивая их на уровне прямого падения напряжения на диоде. В качестве VD1 и VD2 следует выбирать высокочастотные (импульсные) диоды, максимальная частота fmax которых не ниже частоты генератора

fmax ≥ f . (4.17)

Более совершенными являются генераторы импульсов, выполненные на интегральном таймере и обеспечивающие большую точность и стабильность частоты выходных импульсов.

По функциональному составу всех внутренних узлов и способу выполнения данной функции таймеры не являются полностью аналоговыми или цифровыми схемами. Основные функции выполняют в таймере цифровые узлы, точность формирования временных интервалов определяют компараторы напряжения.

Для выбора схемы автоколебательного мультивибратора и расчета его элементов необходимо знать структурную схему таймера, назначение выводов и основные его параметры. Наибольшее распространение получил таймер КР1006ВИ1, структурная схема которого представлена на рис.4.14.

8

+Uп

Пороговый
вход	6
Опорное	5
напряжение
Напряжение
запуска	2
	1

R1R1

DA1

==

U2
R2	DA2
U1	==

R3

DD1	VT1

R

T

R	RVT2

S

4Сброс

3Выход

7 Выход

цепи

разряда

VT3

Рисунок 4.14 – Структурная схема таймера КР1006ВИ1

33

Роль источников опорных напряжений U1 и U2 выполняет делитель напряжения на резисторах R1, R2, R3, при этом U1 =U П / 3, U 2 = 2U П / 3. Напряжение питания может находиться в пределах UП = (5÷16,5)В. К выводу 5 можно подключить дополнительно резистор и в небольших пределах изменять опорные напряжения U1, U2. Для уменьшения влияния помех и пульсаций питающего напряжения на точность работы таймера к выводу 5 рекомендуется подключить фильтрующий конденсатор Сф 0,01 мкФ.

Компаратор DA2 является компаратором минимального типа и он срабатывает, когда напряжение запуска меньше U1, в этом случае на выходе (вывод 3) устанавливается единичный уровень напряжения. Компаратор DA1 является компаратором максимального типа и срабатывает при пороговом напряжении больше опорного U2. Выходной сигнал компараторов управляет состоянием триггера DD1, при этом состояние S=R=1 исключается.

RS-триггер имеет дополнительный асинхронный вход R для сброса таймера. Для повышения нагрузочной способности таймера на выходе стоит двухтактный усилитель мощности на транзисторах VT1 и VT2. Сигнал с инверсного выхода триггера используется для управления транзистором VT3: при Q=0 транзистор находится в насыщенном состоянии, обеспечивая цепь разряда внешней времязадающей RC-цепи.

Схема автоколебательного мультивибратора, построенного на базе таймера КР1006ВИ1, приведена на рис.4.15.

R1

8

4

	7
R2	6	ИТ

	2
С	1	5

Uп

3

Uвых

Сф

Рисунок 4.15 – Автоколебательный мультивибратор на интегральном таймере

34

Заряд конденсатора производится от источника питания с постоянной

времениτз = C(R1 + R2 ),	разряд происходит через		насыщенный транзистор
таймера VT3 с постоянной времени τp = CR2 .
Диаграммы,	поясняющие	работу	мультивибратора	в

автоколебательном режиме, представлены на рис.4.16. Промежуток t0 определяет выход схемы на рабочий цикл. Время заряда конденсатора от U П / 3 до 2U П / 3 соответствует длительности импульса, время разряда конденсатора от 2U П / 3 до U П / 3 - длительности паузы.

U вых

0

t0

tп

tи

U с

2/3Uп

1/3 Uп

0

Рисунок 4.16 – Временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора

Основные расчетные соотношения для приведенной схемы: длительность импульса

tu ≈ 0,693(R1 + R2 )C ;					(4.18)
длительность паузы
tn ≈ 0,693R2C ;					(4.19)
частота генерации
1,443				.	(4.20)
f =
	(2R	2	+ R )C
			1

35

Выбор сопротивления резистора R2 должен производиться исходя из максимально допустимого тока разрядного транзистора VT3. Для таймера КР1006ВИ1 рекомендуется принимать R2 min≥1 кОм.

4.4.3 Формирование тактовых интервалов

Формирователи тактовых интервалов TF1, TF2 должны обеспечить прохождение сигналов F1 и F2 в заданные временные промежутки.

Для реализации формирователей на логических элементах следует составить таблицы истинности функций TF1, TF2, информационными сигналами которых являются потенциальные уровни разрядов двоичного счетчика Q1, Q2, Q3, Q4 и, используя карту Карно, произвести минимизацию по единичным и нулевым значениям этих функций. Затем выполнить реализацию полученных МДНФ в базисах И – НЕ и И – ИЛИ – НЕ и выбрать наиболее подходящую обобщенную комбинационную схему, на выходе которой формируются сигналы TF1, TF2, руководствуясь условием реализации с применением наименьшего числа корпусов.

Рассмотрим пример составления таблицы истинности и получения МДНФ формирователей тактов: значение функции F1 проходит на выход цифрового устройства в тактах TF1 (2 – 5), F2 - в тактах TF2 (7 – 9), коэффициент счета Ксч=10.

В связи с тем, что при Ксч=10 минтермы m11 – m15 никогда не реализуются, их наборы информационных сигналов Q1 – Q4 считают безразличными (табл.4.3). Для функций TF1 и TF2 информационный сигнал Q4 является старшим разрядом, Q1 – младшим разрядом и карты Карно для них будут соответствовать рис.4.17.

МДНФ для формирователя тактов TF1 определяются выражениями: при минимизации по единичным значениям

TF11 =Q			Q		3		Q		4	+	Q	2	Q ;			(4.20)
2													3
по нулевым значениям
TF10 =															.	(4.21)
								+Q			Q +Q
	Q			Q										4
2					3					2		3

36

Таблица 4.3 – Таблица истинности формирователя тактов

			№				Q4			Q3			Q2			Q1		TF1			TF2
			набора
		0				0				0			0		0		0				0
		1				0				0			0		1		0				0
		2				0				0			1		0		1				0
		3				0				0			1		1		1				0
		4				0				1			0		0		1				0
		5				0				1			0		1		1				0
		6				0				1			1		0		0				0
		7				0				1			1		1		0				1
		8				1				0			0		0		0				1
		9				1				0			0		1		0				1
		10				1				0			1		0		0				0
		11				1				0			1		1
		12				1				1			0		0
		13				1				1			0		1
		14				1				1			1		0
		15				1				1			1		1
								Q4													Q4
																				1
				1
																				1
				1
												Q1													Q1
			1														1
Q2														Q2
			1
						Q3												Q3
							а													б

Рисунок 4.17 – Карта Карно для 4-х переменных формирователя тактов

TF1 (а) и TF2 (б)

МДНФ для формирователя тактов TF2 определяются выражениями: при минимизации по единичным значениям

TF 21 =			Q		+Q Q		Q	;	(4.22)
	Q			4
2					1	2	3

37

по нулевым значениям

TF 2	0 =	Q		Q	4	+	Q	Q +		Q		Q	2	.	(4.24)
	3					2			3	1

4.5 Расчет быстродействия и потребляемой мощности цифрового устройства

Быстродействие разработанного цифрового устройства с временным разделением сигналов определяется максимальным временем задержки передачи информационного сигнала со входа на выход комбинационной схемы, формирующей значения функций F1 и F2, что обусловлено конечным временем переключения логических элементов цифровых микросхем из единичного состояния в нулевое и обратно.

Динамические свойства логических элементов количественно оцениваются средним временем задержки переключения tз.ср., определяемым по соотношению

	tз.ср. =	1	(tз10	+tз01 ),	(4.25)
		2

где tз10 , tз01 - время задержки переключения логического элемента из единичного в нулевое состояние и обратно, измеренное на половине амплитуды входного и выходного сигналов и являющегося справочным параметром цифровой микросхемы.

Общее время задержки по каналу А либо В определяется суммарным временем задержки переключения логических элементов в канале передачи информации:

N
tзад = ∑tз.ср.i ,	(4.26)

i=1

где N- число переключающихся логических элементов.

Мощность, потребляемая цифровым устройством от источника питания, определяется суммарной средней мощностью, потребляемой всеми цифровыми микросхемами и другими элементами, входящими как в структуру комбинационной схемы, так и в блок формирования временных интервалов, включающих генератор тактовых импульсов, формирователь

38

импульсов (если он используется), двоичный счетчик, комбинационные схемы формирователей тактов TF1 и TF2:

K
Pпот = ∑Iпот U n ,	(4.27)

j=1

где Iпот- средний потребляемый ток интегральной микросхемой в режиме переключения, приводимый в справочной литературе; К – общее число логических и ключевых элементов, входящих в структуру цифрового устройства.

В том случае, когда в источниках информации приводятся данные о

потребляемом токе интегральной микросхемой в единичном Inon1							и нулевом
Iпот0 состояниях, средняя потребляемая мощность находится по соотношению.
P	= K	1	(I 1	+ I 0	) U	n	(4.28)
пот	∑	2	пот	пот
	j=1

5 ОФОРМЛЕНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Пояснительная записка курсового проекта относится к текстовым научно-техническим документам и должна содержать полное описание методов синтеза и электрического расчета цифрового устройства с временным разделением сигналов, а также иллюстрироваться для пояснения излагаемого текста схемами, чертежами, графиками, диаграммами в виде рисунков.

Пояснительная записка оформляется в соответствии с государственными стандартами и разработанным на их основе, с учетом требований учебного процесса, стандартом предприятия СТВУЗ – ХПИ – 3.01 – 2003 [12]. Документ выполняют на листах писчей бумаги стандартного формата А4 (297х210) мм, но при необходимости (выполнение таблиц, иллюстраций и приложений) допускается использовать формат А3 (297х420) мм. На всех листах пояснительной записки должны быть оставлены поля: левое – 30 мм, правое – не менее 10 мм, верхнее и нижнее – 20 мм.

39

Листы документа нумеруют арабскими цифрами, проставляя их в правом верхнем углу листа без каких-либо знаков. Нумерация листов должна быть сквозной для всей записки, при этом на титульном листе (приложение В) номер не ставят, но включают его в общую нумерацию листов.

Текст пояснительной записки выполняют на одной стороне листа одним из способов:

а) машинным (при помощи компьютерной техники) - кегль 12-14 через полтора интервала, рекомендуемый шрифт Times New Roman;

б) рукописным – четким разборчивым почерком или чертежным шрифтом с высотой букв и цифр не менее 2,5 мм при одинаковой плотности записи.

Графический материал выполняют на листах с текстом записки или на отдельных листах простым мягким карандашом в соответствии с действующими стандартами на условные графические изображения элементов электрических схем.

Структурные элементы пояснительной записки должны начинаться с новых страниц. Наименования элементов «РЕФЕРАТ», «СОДЕРЖАНИЕ», «ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ», «ВВЕДЕНИЕ», «ЗАКЛЮЧЕНИЕ», «СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ», «ПРИЛОЖЕНИЕ» служат их заголовками и их располагают симметрично тексту (по центру), не нумеруют, выполняют прописными буквами без точки в конце и не подчеркивают.

Текст пояснительной записки следует излагать, используя безличную форму глаголов, или от первого лица множественного числа. В тексте должны применяться научно-технические термины, обозначения и определения, установленные соответствующими стандартами, а при их отсутствии – общепринятыми в научно-технической литературе. Если в тексте применяется специфическая терминология, то она должна быть разъяснена в перечне условных обозначений.

Текст пояснительной записки должен быть разделен на структурные элементы в виде разделов и подразделов так, как этого требует смысловое содержание документа; разделы и подразделы (при необходимости) делят на пункты, при этом все структурные элементы должны быть пронумерованы.

40