Комп. Электроника. Курсовая

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара

Кафедра ЕОМ

Навчально-методичний посібник для курсового проектування з дисципліни „ Комп’ютерна електроніка”

Дніпропетровськ

2011

УДК 621.3.049.77 ББК 32.973.2

Навчально-методичний посібник для курсового проектування з дисципліни „ Комп’ютерна електроніка” / О.І. Івон, Л.Г. Ахметшина, В.Ф. Істушкін, Л.А. Можаровський, І.В. Пономарьов −Днепропетровськ:

, 2011. − 54 с., ил.

Містить теоретичний матеріал і методичні рекомендації для проек- тування цифрових пристроїв на основі інтегральних мікросхем малого та середнього ступеня інтеграції. Розглянуто етапи проектування при- строю: розробка функціональної та електричної принципової схем, ви- бір серії інтегральних мікросхем, побудова та аналіз часових діаграм, розрахунок елементів принципової схеми, розробка друкованої плати. Дані рекомендації з оформлення графічної частини проекту згідно ви- могам ЄСКД, які супроводжені прикладами і посилками на відповідні нормативні документи. Наведені індивідуальні завдання студентам для курсового проекту загальним обсягом 150 варіантів, які охоплюють проектування семі типів цифрових пристроїв.

Для студентів, що навчаються за напрямами підготовки: 6.050102 „ Комп’ютерна інженерія”, 6.050903„ Телекомунікації”, 6.050802 „ Елект- ронні пристрої та системи”.

Навчальне видання

Автори Олександр Іванович Івон, Людмила Георгіївна Ахметшина,

Валерій Федорович Істушкін, Леонід Андрійович Можаровський, Ігор Володимирович Пономарьов

Рецензенти: І.М. Черненко − д.ф.-м.н., професор кафедри автомати- зації виробничих процесів українського державного хіміко- технологічного університету, заслужений працівник народної освіти України; О.С. Тонкошкур − д.ф.-м.н., професор кафедри радіоелектро- ніки Дніпропетровського національного університету ім. О. Гончара

Навчально-методичний посібник для курсового проектування з дисципліни „ Комп’ютерна електроніка”

2

	З М І С Т
1.	ВСТУП...............................................................................	4
2.	ЗАГАЛЬНІ ВИМОГИ ДО КУРСОВОГО ПРОЕКТУ....	5
3.	ЕТАПИ ПРОЕКТУВАННЯ.............................................	5
	3.1. Розробка функціональної схеми............................	5
	3.2. Вибір серії інтегральних мікросхем......................	7
	3.3. Розробка схеми електричної принципової............	9
	3.4. Часові діаграми........................................................	15
	3.5. Розрахункова частина проекту..............................	18
	3.6. Розробка друкованої плати.....................................	24
4.	ОФОРМЛЕННЯ ГРАФІЧНИХ ДОКУМЕНТІВ............	26
5.	СКЛАД КУРСОВОГО ПРОЕКТУ..................................	28
6.	ЗАВДАННЯ ДО КУРСОВОГО ПРОЕКТУ...................	29
	Варіанти завдання 1.......................................................	29
	Варіанти завдання 2.......................................................	30
	Варіанти завдання 3.......................................................	32
	Варіанти завдання 4.......................................................	33
	Варіанти завдання 5.......................................................	34
	Варіанти завдання 6.......................................................	35
	Варіанти завдання 7.......................................................	36
7.	ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕМЕНТІВ ІНДИКАЦІЇ В
ПРИСТРОЯХ КУРСОВОГО ПРОЕКТУ............................		39
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ...............		43
Додатки..................................................................................		44

3

1. ВСТУП

Метою курсового проекту є вивчення та закріплення на практиці навичок логічного та схемотехнічного проекту- вання цифрових схем.

Курсовий проект передбачає проектування цифрового пристрою на базі інтегральних мікросхем (ІМС) малого та середнього ступеня інтеграції. Завдання орієнтовані на ви- користання ІМС ТТЛШ і КМОНТЛ серій: серії 555, 1533, 1531, 561, 1561, 1564, 1554, 1594. Вибір конкретної серії ІМС студент здійснює самостійно, на підставі технічних вимог до пристрою: частоти тактового генератора, спожи- ваної потужності та струму.

В кожному завданні рекомендовано перелік функціо- нальних вузлів, що можуть належати до складу пристрою. Але це не повинно обмежувати творчий підхід студента до розв’язання поставленої задачі. Він може за бажанням ви- користовувати додаткові елементи та вузли або замінюва- ти рекомендовані іншими. Але такі зміни повинні бути об- ґрунтованими. У будь-якому випадку необхідно намагати- ся розв’язати задачу з мінімальною витратою ІМС та мак- симальним використанням елементів, що входять до скла- ду однієї мікросхеми.

Згідно технічним умовам у деяких завданнях рівні на- пруги електричних сигналів на виході пристрою можуть відрізнятися від відповідних рівнів напруги логічних сиг- налів в ІМС, використаних в схемі пристрою. Ці рівні на- пруги забезпечують за допомогою формувача логічних си- гналів (ФЛС) на дискретному транзисторному ключі. Як- що в завданні рівні напруги вихідного сигналу не задані, передбачається, що вони відповідають логічним рівням нуля і одиниці для обраної серії інтегральних мікросхем.

Графічна частина курсового проекту має бути само- стійно розроблена студентом. У загальному випадку зміст графічної частини може включати наступне:

1) рисунки самостійних конструкторських розробок, наприклад, окремих функціональних вузлів пристрою, як- що це необхідно для розрахунку електронних компонентів, що входять до складу вузла;

2)креслення структурної або функціональної схем, принципової схеми і друкованої плати;

3)інші графічні матеріали, пов’язані з розробкою кур- сового проекту: часові діаграми сигналів, перелік елемен-

тів схеми електричної принципової, тощо.

4

При виконанні креслень використовують формати А3 297 х 420 мм або А4 297x210 мм. Масштаб креслення ви- бирається залежно від габаритів конструкції і вибраного формату з ряду масштабів, рекомендованих в ГОСТ 2.30168. Масштаб 1:1 є переважним.

2. ЗАГАЛЬНІ ВИМОГИ ДО КУРСОВОГО ПРОЕКТУ

Курсовий проект повинен відображати всі етапи прое- ктування цифрового пристрою:

-розробку алгоритму роботи пристрою і його функ- ціональної схеми;

-технічне обґрунтування вибору серії ІМС з ураху- ванням швидкодії пристрою і споживаної потужності. Таке

обґрунтування повинне базуватися на значеннях тактової частоти і споживаної пристроєм потужності, наведених для кожного завдання;

-розробку схеми електричної принципової пристрою та докладний опис її роботи;

-побудову та аналіз часових діаграм;

-розрахунки, які мають дати оцінку працездатності розробленої схеми за навантажністю та швидкодією, а та-

кож за споживаними струмом та потужністю;

- розрахунки компонентів принципової схеми (RC- ланцюгів тактового генератора та формувачів сигналів, ключів на дискретних транзисторах, якщо вони використо- вуються в схемі пристрою, ланцюгів індикації на світлоді- одах та ін.);

-розробку друкованої плати пристрою.

3.ЕТАПИ ПРОЕКТУВАННЯ

3.1. Розробка функціональної схеми

Функціональна схема роз’яснює певні процеси в окре- мих функціональних ланцюгах пристрою або у пристрої в цілому. Така схема визначає загальний склад та організа- цію зв’язків між вузлами і елементами пристрою та надає повне уявлення про його функціонування. Функціональна схема будується безвідносно до елементної бази і може не враховувати розташування елементів та вузлів у пристрої. Її побудування повинно відображати послідовність функ- ціональних процесів зліва направо та зверху вниз.

5

При розробці функціональної схеми спочатку визна- чають склад функціональних вузлів, потрібних для реалі- зації пристрою. Відправним пунктом може бути склад, ре- комендований у завданнях. Потрібно детально продумати алгоритм роботи пристрою з урахуванням взаємодії різних функціональних вузлів, визначити електричні зв’язки між ними. При цьому не слід надмірно деталізувати елемент- ний склад функціональних вузлів. Ступінь деталізації по- винна бути достатньою для розкриття суті процесів, що відбуваються у пристрої.

Графічна побудова функціональної схеми повинна да- вати найбільш наочне уявлення про послідовність проце- сів, які вона ілюструє. Функціональну схему виконують відповідно до ГОСТ 2.702-75. Для схем цифрової обчис- лювальної техніки існує спеціальний стандарт ГОСТ 2.70881, що встановлює правила виконання електричних схем, які можуть виконуватися вручну або за допомогою ЕОМ. Тому схеми виробів цифрової обчислювальної техніки ви-

конують відповідно до вимог двох стандартів − ГОСТ

2.702-75 і ГОСТ 2.708-81 [1].

Функціональні частини на схемі, як правило, зобража- ють у вигляді умовних графічних позначень (Додаток А). Окремі функціональні частини допускається зображати у вигляді прямокутників. Найменування, позначення і типи функціональних частин рекомендується вписувати в пря- мокутники. Рекомендується вказувати на схемі технічні характеристики функціональних частин (поряд з графіч- ними позначеннями або на вільному полі схеми).

Для виробів цифрової обчислювальної техніки на фун- кціональній схемі у вигляді умовних графічних позначень показують двійкові логічні елементи, що є функціональ- ними групами в пристрої, або цифровими вузлами, що ма- ють певне функціональне призначення, наприклад: деши- фратори, тригери, лічильники, перетворювачі кодів, тощо. Функціональні групи, що складаються з декількох логіч- них елементів, цифрових вузлів і (або) функціональних груп, допускається зображати суміщеним способом; розді- ляючи зображення складових частин штриховими лініями згідно ГОСТ 2.743-91. Наприклад, багаторозрядні регістри, лічильники та ін. Якщо необхідне детальне зображення функціональної структури пристрою, допускається на фу- нкціональній схемі показувати фрагмент принципової схе- ми і повторювати зображення логічних елементів, наведені на принциповій схемі. Умовне графічне позначення логіч- них елементів повинне відповідати ГОСТ 2.743-91.

6

Приклад оформлення функціональної схеми (для фор- мату А4) наведено у додатку А.

3.2. Вибір серії інтегральних мікросхем

Для подальшого проектування цифрового пристрою необхідно визначити серію інтегральних мікросхем, на якій цей пристрій буде реалізовано. При цьому потрібно врахувати такі фактори як швидкодія пристрою, вихідні рівні сигналів, споживаний пристроєм струм та потуж- ність, а також індивідуальні особливості та параметри різ- них серій інтегральних мікросхем.

Параметри базових логічних елементів інтегральних мікросхем ТТЛШ і КМОНТЛ малого і середнього ступенів інтеграції, на які орієнтовано даний курсовий проект, для деяких серій ІМС наведено у табл. 3.1.

Особливістю мікросхем КМОНТЛ є низьке енергоспо- живання, тому елементам цього типу логіки надають пере- вагу, коли проектують пристрої з малими споживаними струмами і потужністю. Позитивна якість елементів КМОНТЛ – висока завадостійкість. Недоліком мікросхем малого і середнього ступеня інтеграції цього типу логіки, порівняно з відповідними мікросхемами ТТЛШ, є відносно низька швидкодія (серії 564, 1561). Ці серії придатні для використання в пристроях з тактовою частотою, яка не пе- ревищує 3 МГц. Останнє не стосується сумісних с мікро- схемами ТТЛШ за логічними рівнями і швидкодією серій КМОНТЛ 1554 і 1594), які мають високу робочу частоту

(табл. 3.1).

Мікросхеми ТТЛШ малого і середнього ступенів інтег- рації мають більш високу швидкодію, ніж відповідні мік- росхеми КМОНТЛ серій 561, 564, 1561, але споживають суттєво більшу потужність. Промисловість випускає до- статньо широкий набір серій ІМС ТТЛШ. Широко розпо- всюджені ІМС серії К555 можуть бути використані в при- строях з тактовою частотою до 10 МГц. Достатньо високу швидкодію цифрового пристрою (робоча частота до 50 МГц), при помірній споживаній потужності, дозволяють забезпечити мікросхеми ТТЛШ серії 1530, а високу швид- кодію (робоча частота до 100 МГц) при малій споживаній потужності – мікросхеми ТТЛШ серій 1533, КР1533. Най- більш швидкодіючими з сучасних мікросхем малого та се- реднього ступенів інтеграції є мікросхеми серій 1531,

КР1531 (табл. 3.1).

7

8

Вибір конкретної серії ІМС здійснюють, виходячи з за- даних в кожному варіанті завдань експлуатаційних пара- метрів пристрою: частоти тактового генератора, спожива- них струму та потужності. При цьому враховують особли- вості різних серій ІМС, про які йшла мова вище. Доцільно виконати попередні оцінки енергоспоживання пристрою. Для цього, виходячи з функціональної схеми, визначають орієнтовний склад та кількість ІМС. Далі, використовуючи довідкові дані [2-6], оцінюють значення сумарного струму та потужності, споживаних цими ІМС. Якщо серія вибрана правильно, знайдені величини не перевищують тих, що задані. Надалі при розробці схеми електричної принципо- вої та з аналізу часових діаграм роблять більш точні оцінки експлуатаційних параметрів цифрового пристрою, які до- зволяють остаточно визначитися з вибором серії ІМС.

3.3. Розробка схеми електричної принципової

Схема електрична принципова визначає повний склад елементів і зв’язки між ними, дає детальне уявлення про принципи роботи пристрою. Ця схема виконується згідно ГОСТ 2.702-75. Вона є найбільш повною електричною схемою пристрою, на якій зображають усі елементи, необ- хідні для здійснення та контролю в пристрої заданих елек- тричних процесів, усі зв’язки між елементами, а також елементи підключення, котрими закінчуються вхідні та вихідні ланцюги. Розробку принципової схеми здійснюють на базі функціональної схеми з урахуванням вибору конк- ретної серії ІМС.

Перш за все визначають кількість та тип ІМС, які бу- дуть потрібні для реалізації принципової схеми цифрового пристрою. Якщо потрібно, з метою оптимізації схеми, для окремих її функціональних вузлів, здійснюють логічне проектування методами алгебри логіки.

Принципова схема повинна розроблятися з урахуван- ням навантажувальної здатності ІМС, яку кількісно визна- чає коефіцієнт розгалуження Кроз. Гранично допустимий вихідний струм ІМС Iвих. макс. знаходять в довідковій літера- турі або визначають для мікросхем ТТЛШ за формулою:

Iвих. макс = Kроз×I0вх, (3.1)

де I0вх – вхідний струм при рівні логічного нуля на вході мікросхеми.

При проектуванні принципової схеми необхідно сте- жити, щоб виходи ІМС не перевантажувалися струмом, тобто повинна виконуватися умова:

9

Iвих .макс. ³ ∑Iвх .i

(3.2)

i

де Iвх.i – вхідний струм і -го логічного елемента (ЛЕ), під- ключеного до виходу даного (ЛЕ).

Необхідно зазначити, що співвідношення (3.2) має сенс і тоді, коли навантаженням є не тільки входи логічних елементів, але й резистори, елементи індикації та ін. У будь-якому випадку вихідний струм ІМС не повинен пере- вищувати граничне значення Iвих. макс.

Якщо умова (3.2) не виконується, застосовують розва- нтаження ІМС. Один із способів розвантаження полягає у використовуванні підсилювачів потужності. Як підсилю- вачі потужності можна використовувати логічні елементи. Кількість підсилювачів потужності n з коефіцієнтом розга- луження K′роз., яка необхідна для підключення до виходу логічного елемента N входів інших логічних елементів, можна оцінити за формулою

		N - K	роз .
	n =				(3.3)

К'роз .

де N – кількість входів інших ЛЕ (мається на увазі N>Kроз.). Тут розвернуті квадратні дужки ] [ означають, що праву частину (3.3) треба округлити до найближчого меншого цілого.

Схема підключення N входів інших логічних елементів до виходу даного ЛЕ з використанням n підсилювачів по- тужності наведена на рис.3.1а. Необхідно зазначити, що розвантаження таким способом збільшує затримки розпо- всюдження сигналів. Окрім того виникає різниця часу роз- повсюдження сигналу крізь нерозв’язані та розв’язані під- силювачами виходи логічних елементів.

Такі недоліки не має спосіб дублювання, що полягає у паралельному підключенні до перевантаженого логічного елемента ідентичних ЛЕ так, щоб навантаження розподі- лялося між ними приблизно однаково (рис.3.2б). Ідентичні входи елементів ЛЕ1, ЛЕ2,… ЛЕn, які підключені до дуб- льованого ЛЕ, об’єднують між собою, а кількість логічних елементів n, вибирають таким чином, щоб забезпечити умову (1+n)Kроз ≥ N (тут N – кількість входів інших логіч- них елементів, які треба підключити до виходу даного ЛЕ). Розглянутий спосіб розвантаження не дає додаткової за- тримки, але підвищує навантаження на виходи попередніх логічних елементів, що може, в свою чергу, потребувати їх розвантаження.

10