--PAGE_BREAK--
Это четырехразрядный асинхронный реверсивный счётчик с возможностью предустановки. Модуль счета счетчика16, т.е. при работе в режиме счета он последовательно переходит из одного состояния в другое начиная с состояния 010=00002 и заканчивая состоянием 1510== 11112.
Выводы счетчика имеют следующее назначение:
Входы "D1", "D2", "D4" и "D8" предназначены для предварительной установки состояния счетчика. На эти выводы подается четырехразрядная кодовая комбинация, которую можно загрузить в счетчик.
Вход "L" – вход разрешения предустановки. При подаче логического «0» установленная на входах предустановки комбинация записывается в триггеры счетчика и появляется на выходах.
Входы"+1" и"-1" - суммирующий и вычитающий входы счетчика соответственно. Срабатывание счетчика происходит при положительном перепаде напряжения на одном из входов. При этом на неиспользуемый вход должен подаваться уровень логической«1».
Вход "R" — асинхронный вход сброса всех триггеров счетчика в состояние 0. Сброс осуществляется подачей логической«I».
Выходы«1», «2», «4», «8» - прямые выходы разрядов счетчика.
На выходах "≥15" и"≤0" – формируются сигналы логического «0» при достижении максимального и минимального состояний счетчика соответственно.
Напряжение питания счетчика+5 В, потребляемый ток34 мА.
Максимальная тактовая частота25 МГц, время установки кода счетчика около40 нс.
Исходные данные для синтеза счетчика берем из таблицы 1. Для нашего варианта счетчик должен работать в режиме вычитания, иметь11 состояний, начальное состояние счетчика М(0)=9, конечное состояние счетчика М(10)=15. Принцип синтеза счетчиков с произвольным модулем счета заключаются в исключении из работы «лишних» состояний. Для нашего варианта требуется исключить из работы5 «лишних» состояний, что можно осуществить с помощью принудительной установки счетчика в начальное состояние М(0)=9 вместо состояния М(10+1)=14. Такую принудительную установку можно выполнить, если на входы предустановки подать код начального состояния счетчика, а в момент перехода счетчика в состояние М(10+1) сформировать сигнал разрешения предустановки. Сигнал разрешения предустановки формируется схемой предустановки, которая по сути является дешифратором числа14.
Для синтеза схемы предустановки составим таблицу истинности ее работы, исходя из следующих предположений: логический0, необходимый для разрешения предустановки, должен появляться на ее выходе только в момент времени, когда счетчик находится в состоянии М(10+1)=14. Это значит, что для любых других состояний счетчика на выходе схемы предустановки должна формироваться логическая 1. Таким образом, таблица истинности будет иметь вид таблицы 2.
Входные сигналы
Выходной сигнал
YПУ
Q4
Q3
Q2
Q1
1
1
1
0
0
остальные комбинации
1
Таблица 2. Таблица истинности схемы предустановки
Записав по этой таблице логическое выражение в СКНФ, получим:
Временные диаграммы работы счетчика в этом режиме показаны на рис.5.
Согласно заданию, счетчик имеет два дополнительных входа:X1- вход установки начального состояния и Х2 — вход остановки счета. Это значит, что при подаче на входыX1 и Х2 активных логических уровней должна происходить установка начального состояния счетчика и остановка счета соответственно. Причем эти входы должны обладать наивысшим приоритетом по сравнению с другими. Поскольку установка начального состояния происходит с помощью механизма предустановки, то по сигналуX1 должен формироваться сигнал разрешения предустановки, который следует подать на вход "L" счетчика. Его формирование происходит в схеме установки начального состояния. Остановку счета можно произвести, если прекратить подачу импульсов на счетный вход счетчика по сигналу Х2. Это осуществляется в схеме остановки счета.
Произведем синтез схем установки начального состояния и остановки счета. При синтезе учитываем, что для нашего варианта активными уровнями сигналовX1 и Х2 являются уровни логической«1».
Составим схему установки начального состояния счетчика, для этого составим таблицу истинности установки начального состояния счетчика.
Запишем СДНФ:
перейдя в базис ИЛИ-НЕ, получим:
Составим схему остановки счёта, для этого составим таблицу истинности остановки счёта.
Запишем СДНФ:
перейдя в базис ИЛИ-НЕ, получим:
Составим принципиальную схему счетчика импульсов, объединив элементы счетчика. Так как схема предустановки заканчивается инвертором, а в схеме установки начального состояния YПУ инвертируется, то целесообразно убрать эти два инвертора. Покажем принципиальную схему счетчика импульсов на рис.6.
2.4. Выбор и расчет генератора тактовых импульсов.
В качестве ГТИ используем простой импульсный автогенератор на логических элементах ТТЛ серии. Принципиальная схема ГТИ изображена на рис.7:
Параметры R1 и C1 рассчитываются по формуле Tс=2R1C1. Пусть величина R1=1кОм, тогда Ф.
2.5. Выбор схемы ЦАП.
В качестве ЦАП в проектируемом устройстве будем использовать интегральную микросхему К572ПА1. Это 10-разрядный перемножающий ЦАП, выполненный по КМОП технологии и отличающийся малой потребляемой мощностью в 0,1 Вт. Его основные динамические характеристики: время установления выходного напряжения t
У=5мкс и дифференциальная нелинейность преобразования менее0,8% от полной шкалы. Условное графическое обозначение ЦАП и схема его включения показана на рис.8.
Назначение выводов ИМС:
Х1...Х10- цифровые входы, причемX1 - вход младшего разряда.
Uoп — вход для подключения источника опорного напряжения.
Y1, Y2- аналоговые выходы ЦАП, которые являются токовыми.
Roc— вывод внутреннего резистора обратной связи.
Ucc-вывод для подачи напряжения питания +5...17В.
OU-вывод для подключения общего провода.
Конструктивно ЦАП выполнен в16 выводном корпусе типа DIP. В состав микросхемы входит резистивная прецизионная матрица R-2R, токовые ключи на МОП транзисторах и входные усилители-инверторы, которые обеспечивают управление ключами от стандартных уровней цифрового сигнала. Микросхема работает с прямым параллельным двоичным кодом, который подается на цифровые входы Х10...Х1 и реализует функцию перемножения опорного напряжения на цифровой код Х10...Х1 в четырех квадрантах. Благодаря тому, что коммутирующие ключи выполнены на МОП транзисторах, ЦАП допускает выбор опорного напряжения в широком диапазоне: -17...+17 В.
Поскольку выходы ЦАП токовые, то для преобразования тока в напряжение к выходам Y1 иY2 подключаются операционные усилители DA2, DA3.
Операционный усилитель DA2 обеспечивает суммирование токов, поступающих с коммутирующих ключей, находящихся в состоянии «1», aDA3- с ключей, находящихся в состоянии «0». В качестве операционных усилителей используем микросхему КР544УД2Г с незначительным смещением нуля и достаточно высоким быстродействием.
Благодаря использованию двух операционных усилителей эта схема формирует на выходе биполярное напряжение в пределах от-Uoп доUoп. Связь между напряжением на выходе преобразователя, опорным напряжениемUoп и цифровым кодом на входах Х10...Х1 определяется выражением:
Здесь n– количество разрядов ЦАП. В разрабатываемом устройстве, ЦАП К572ПА1 используется в восьмиразрядном включении, поэтому на два младших разрядаXI и Х2 подаются постоянные логические уровни «0».
Для согласования входных уровней с выходами ТТЛ логики можно снизить напряжение питанияUcc до величины5 В.
Произведём выбор величины опорного напряжения, от которого зависит величина напряжений на выходе ЦАП. Для нашего варианта, для того, чтобы получить Umin=-7 В и Umax=7 В, значение Uоп=-7 В. Выбранное опорное напряжение подается на вывод Uоп DA1 (см. рис.8).
Рассчитаем напряжение на выходе ЦАП для пяти значений цифрового кода и сведем результат в таблицу 3.
Код на цифровых входах ЦАП
Напряжение на выходе схемы, В
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
-1,039
-4,047
-3,008
-2,023
-0,547
Таблица 3. Зависимость напряжений на выходе ЦАП от цифрового кода на входе при восьмиразрядном включении
2.6. Составление полной принципиальной схемы формирователя.
Полная принципиальная схема составляется путем объединения всех разработанных выше узлов формирователя сигналов в единую схему, которая приведена в приложении 1.
2.7. Расчет задержки распространения сигналов и потребляемой мощности.
Подсчитаем время задержки распространения tЗ, выбрав в преобразователе кода наиболее длинную логическую цепочку.
Время задержки для ИМСК155 не более 25 нс
Время установки кода счетчика около 40 нс
Время установления выходного напряжения 5мкс
В разработанной в принципиальной схеме формирователя сигналов число ИМС типа К155, семь.
tЗ=25·10-9·7+40·10-9+5·10-6=5,215·10-6 с
Т.о. время задержки составляет не более 5,215мкс
Потребляемая мощность рассчитывается отдельно для каждого из источников питания: P+5 , P+15, P-15 .
Найдем мощность для источника питания +5B.
Средняя мощность ИМС К155 20мВт
Мощность ИМС К555ИЕ7 равна: PК555ИЕ7=I
·
U=5B·34·10-3A=0,17Вт
Мощность ИМС К572ПА1 равна: PК572ПА1=0,1Вт
P+5=7·20мВт+0,17Вт+0,1Вт=0,41Вт
Найдем мощность для источника питания +15Bи -15В.
P+15= P-15= P
ОУ1= P
ОУ2=P
ОУ=260мВт
3.1. Разработка алгоритма формирования заданных сигналов и определение дополнительных исходных данных для проектирования.
Обобщенный алгоритм работы МП системы для варианта ABC=512 показан на рис.9.
Одним из простых способов программного формирования кодов счетчика M(i) и кодов ЦАП Y(i) является создание массива этих кодов в выбранной области ОЗУ или ПЗУ (блок 1). Поскольку создаваемые коды имеют разрядность в один байт, то они размещаются по четным адресам. После того, как эти коды будут сформированы в памяти, следует произвести инициализацию (установку режимов работы) портов ввода-вывода (блок 2). Дальнейшая задача сводится к выборке из ОЗУ нужных кодов и передаче их в соответствующие порты ввода-вывода (блоки 4...7). При этом нужно обеспечить выдачу сигналовY(i) с необходимыми временными интервалами Тс. Время Тс задает длительность одной ступеньки аналогового напряжения на выходе ЦАП. Это значит, что интервал времени между двумя соседними выводами кода ЦАП в порт должен быть равен Тс. При тактовой частотеfclk=5 МГц подсчитаем количество тактов, приходящееся на время Тс:
Такое большое количество тактов требует введения в алгоритм блока временной задержки (блок 3), который должен формировать нужный временной интервал Тс.
Кроме этого нужно предусмотреть анализ сигналов X1 и Х2, активный уровень которых должен приводить к появлению на выходе кода начального состояния М(0) или к остановке счета соответственно.
Составим таблицу исходных данных для дальнейшего проектирования.
Определим начальный адрес размещения массива кодов сигналов в ОЗУ , определяется соотношением с округлением до большего четного числа
Определим значение диапазона адресов устройств ввода-вывода определяется по формуле с округлением до большего числа кратного восьми
после округления получим:
ABC=512; ; ; M(i)=PC, Y(i)=PB; X1,X2=PA
iНомеркодовойкомбинации
АдресаячеекОЗУ
СодержимоеячеекОЗУ
Примечание
HEX
BIN
HEX
00280
00001001
09
M(0)
00282
01101101
6D
Y(0)
1
00284
00001000
08
M(1)
1
00286
01011011
5B
Y(1)
2
00288
00000111
07
M(2)
2
0028A
01001001
49
Y(2)
3
0028C
00000110
06
M(3)
3
0028E
00110110
36
Y(3)
4
00290
00000101
05
M(4)
4
00292
01000000
40
Y(4)
5
00294
00000100
04
M(5)
5
00296
01001001
49
Y(5)
6
00298
00000011
03
M(6)
6
0029A
01010010
52
Y(6)
7
0029C
00000010
02
M(7)
7
0029E
01011011
5B
Y(7)
8
002A0
00000001
01
M(8)
8
002A2
01100100
64
Y(8)
9
002A4
00000000
00
M(9)
9
002A6
01101101
6D
Y(9)
10
002A8
00001111
15
M(10)
10
002AA
01110110
76
Y(10)
Таблица4. Исходные данные для проектирования
3.2. Определение управляющего слова.
Назначение разрядов управляющего слова показано на рис.10. Спомощью этого рисунка определим управляющее слово, которое будет использоваться для инициализации ППИ. Для формирования заданных сигналов целесообразно использовать основной режим ввода-вывода – режим “0”.
Для нашего варианта, коды счетчика M(i) = Q4Q3Q2Q1 выводятся в порт С, коды, управляющие работой ЦАП, Y(i) = Y8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1 выводятся в порт B, а порт A
используется для ввода сигналов внешнего управления X1 и Х2. Следовательно, в соответствии с рис.10, разряды управляющего слова, используемого для установки режимов портов, будут такими:
После перевода в шестнадцатеричный код получим управляющее слово 90H.
3.3. Определение адресов портов и синтез дешифратора адреса ППИ.
ППИ подключен к системной шине с использованием адресного пространства ввода-вывода и занимает в нем четыре четных адреса начиная с адреса . Для определения значений адресов портов ввода-вывода составим таблицу 5 в которой покажем состояние сигналов на системной шине адреса А7...А0 и адресуемый при этом порт. При составлении таблицы считаем, что разряд адреса А0 не используется и всегда равен 0, разряды адреса А2 и А1 используются для выбора портов и регистра управляющего слова внутри ППИ.
Состояние шины адреса
Адресуемый порт
Адрес порта HEX
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
0
1
0
0
0
0
0
0
Порт A
40
0
1
0
0
0
0
1
0
Порт B
42
0
1
0
0
0
1
0
0
Порт C
44
0
1
0
0
0
1
1
0
РУС
46
Таблица 5. Распределение адресов портов ввода-вывода
Как видно из составленной таблицы, порты ввода-вывода и регистр управляющего слова, которые входят в состав ППИ занимают 4 адреса в диапазоне 40Н...46Н. Поскольку в МП системе могут присутствовать УВВ с другими адресами, то для безошибочной работы нужных портов необходимо формировать сигналы их выбора. Эту функцию выполняет дешифратор адреса ППИ (ДШ ППИ), который формирует сигнал CS с уровнем логического 0, активизирующий БИС ППИ, только при установке на шине адресов, отведенных для данного устройства. Составим таблицу 6 истинности для дешифратора адреса ППИ.
Входные сигналы
CS
Выходной сигнал
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
все остальные комбинации
1
Таблица 6. Таблица работы дешифратора адреса ППИ
Запишем логическое выражение для выходного сигнала, с учетом того, что входные сигналы A2,A1 являются фиктивными.
и перейдя в базис ИЛИ-НЕ, получим
Дешифратор адреса ППИ будет иметь вид как на рисунке 11.
продолжение
--PAGE_BREAK--