Содержание
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Описание основных параметров используемой сериилогических элементов
1.2 Особенности использованиявыбранной серии логических элементов
2.Расчётная часть
2.1 Составление минимизированного логического выражения дляформирования выходного сигнала А
2.2 Разработка функциональной схемы для формированиявыходного сигнала А
2.3 Разработка принципиальной схемы для формированиявыходного сигнала А
2.4 Разработка логического выражения и функциональной схемы для формирования выходного сигнала В
2.5 Разработка принципиальной схемы для формированиявыходного сигнала В
2.6 Разработка принципиальной схемы для формированиявыходного сигнала С
2.7 Расчёт и выбор элементоввходных и выходных УСО
2.7.1 Расчёт и выбор элементов входных УСО
2.7.2 Расчёт и выбор элементов выходного УСО
2.8 Описание работы устройства
3. Конструкторская часть
3.1 Разработка чертежа принципиальной схемы. Выборэлементов схемы
3.2 Разработка сборочного чертежа.Выбор вариантов установки элементов схемы
Заключение
Введение
В настоящеевремя для повышения производительности труда и других параметров технологическихпроцессов, а также для облегчения труда людей и количества занятых рабочих в процессепроизводства автоматизация этих процессов. С развитием техники, в частности с появлениеминтегральных микросхем значительно увеличились возможности реализации автоматизированныхсистем, уменьшились их габариты, стоимость, увеличилась надежность.
В современной технике наиболеешироко используются интегральные микросхемы на основе логик ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ.Логические элементы и цифровые электронные устройства выпускаются в составе сериймикросхем, которые характеризуются общими технологическими и схемотехническими решениями,уровнями электрических сигналов и напряжением питания. Каждая серия микросхем содержитсамые разнообразные цифровые устройства, характеризующих набором параметров, дающихподробное представление об этой серии. При определении параметров ориентируютсяна логические элементы — простейшие устройства серии микросхем. Выбор производитсяне по параметрам серии логических элементов, а по параметрам логических элементовданной серии. К наиболее важным параметрам относятся: быстродействие — время распространениясигнала, напряжение питания, входные и выходные напряжения высокого и низкого уровня.
Цель курсового проекта — разработатьфункциональную и принципиальную схемы для арифметико-логического устройства, выполненногов виде печатной платы, при минимальном количестве логических элементов КМОП и простотеконструкции.
1. Теоретическая часть1.1 Описание основных параметров используемой сериилогических элементов
Основные параметры микросхем наоснове КМОП — логики представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Основные параметрымикросхем на основе КМОП — логикиНаименование Параметры КМОП серий К561 и 564
1. Напряжение питания, UПИТ, В
2. Напряжение уровня логической единицы, U1, В
3. Напряжение уровня логического нуля,
U0, В
4. Выходной ток нуля и единицы, I0,1, мА
5. Нагрузочная способность N
6. Потребляемый ток IПОТР, А
7. Время срабатывания tСРАБ, нс
8. Рассеиваемая мощность на элемент РРАС, мкВт
3 … 15
≥ 0,7 UПИТ
≤ 0,3 UПИТ
1
≥ 100
IПОТР = IВЫХ
200 … 20
0,4 1.2 Особенности использования выбранной серии логическихэлементов
Быстродействие микросхем КМОПрастет пропорционально увеличению напряжения питания. Входы КМОП не должны оставатьсяне присоединенными. Статическая рассеиваемая мощность составляет — 0,4 мкВт на элемент.Помехоустойчивость для элементов КМОП достаточно велика, так как допустимо снижениенапряжения уровня логической единицы U1 до 30% от напряжения питания. Микросхемы КМОП могут работатьот сигналов ТТЛ при подключении резисторов утечки от хода КМОП на питание ТТЛ 5В.Импульсная помехоустойчивость растет, если длительность входных импульсов помехименьше, чем среднее время задержки распространения сигнала в микросхеме. Высокоебыстродействие логических элементов КМДП-типа обеспечивается тем, что паразитныеемкости перезаряжаются через открытые транзисторы.
Необходимые меры защиты элементовКМОП:
1. Все входные сигналы не должнывыходить за пределы напряжения питания UПИТ.
2. Нельзя соединять выходы элементовнепосредственно, так как произойдет замыкание одного из каналов на источник питания.
3. Недопустимо применение емкостинагрузки СН > 5000 пФ, поскольку незаряженный конденсатор равнозначенперемычке.
4. Не допускается замыкание выходовэлементов КМОП с повышенным выходным током на проводе питания.
Достоинства КМОП микросхем посравнению с ТТЛ микросхемами:
1. Малая потребляемая мощностьв статическом режиме;
2. Очень высокое входное сопротивление;
3. Большая нагрузочная способность(> 100);
4. Большой диапазон напряженияпитания (3 — 15В);
5. Малая зависимость характеристикот температуры.
Недостатки КМОП микросхем:
1. Повышенное выходное сопротивление;
2. Большие времена задержки (200нс);
3 Большой разброс всех параметров.
2. Расчётная часть2.1 Составление минимизированного логического выражениядля формирования выходного сигнала А
Состояние выходного сигнала Ав зависимости от входных сигналов a,b,c,d определяется по таблице истинностипредставленной в таблице 2.
Таблица 2 — Таблица истинностивыходного сигналаa 1 1 1 1 1 1 1 1 b 1 1 1 1 1 1 1 1 c 1 1 1 1 1 1 1 1 d 1 1 1 1 1 1 1 1 A 1 1 1 Х 1 1 1 1 1 1
Более компактно таблицу истинностиможно представить с помощью карты Карно. Контуры составляются по единицам. Картапредставлена на рисунке 1. (X — принимаем 1.)
/>
Рисунок 1 — Карта Карно
По полученным контурам составляетсяминимизированное логическое выражение для сигнала А.
Полученные логические выраженияприводится к одной элементной базе на элементах И-НЕ при помощи правил Де Моргана.
/>. (1)
/>. (2)2.2 Разработка функциональной схемы для формированиявыходного сигнала А
По выражению (2) составляетсяфункциональная схема для формирования выходного сигнала А, которая представленана рисунке 2.
/>
Рисунок 2 — Функциональная схемадля формирования выходного сигнала А
В полученной функциональной схемена рисунке 2 используются одинаковые логические элементы. Функциональная схема,реализованная на элементах И-НЕ.
2.3 Разработка принципиальной схемы для формированиявыходного сигнала А
Для реализации принципиальнойсхемы для формирования выходного сигнала А используются один корпуса микросхем К561ЛА7и один корпус К561ЛА9. Для создания сигналов d, b и c используются соответственнонормально замкнутый контакт, нормально разомкнутый и перекидной контакт. С учётомих особенностей составляется принципиальная схема.
/>
Рисунок 3 — Принципиальная схемадля формирования выходного сигнала А2.4 Разработка логического выражения и функциональнойсхемы для формирования выходного сигнала В
Состояние выходного сигнала Взадано циклограммой, которая приведена на рисунке 4.
a
b
c
d
B
Рисунок 4 — Циклограмма работывыходного сигнала В
Во включающем такте появляетсявходной сигнал «с» и присутствуют сигналы «а» и «b».Тогда условие срабатывания запишется: />=abc. В отключающем такте исчезает входной сигнал «d».Условие несрабатывания будет: />=d.
Для получения окончательного выраженияпроведем проверки реализуемости:
1) Анализируем, существует ли записанноеранее условие срабатывания в течение всего периода включения.1-я проверка не пройдена,поскольку сигналы «а» и «b» изменяютсвои значения в течение периода включения. Необходимо ввести промежуточный сигналр`, чтобы он не изменял своё состояние до изменения состояния сигнала /> и в дальнейшем оставалсянеизменным (по крайней мере, до конца периода включения). Для исключения ложногосрабатывания вводим сигнал p`=B. Для исключения ложного включения после исчезновения сигналаВ примем комбинацию сигналов которая не повторится после исчезновения сигнала В.Итак конечное условие включения f`=abc+В.
2) Анализируем, существует ли записанноеранее условие несрабатывания во время периода включения.2-я проверка пройдена, посколькусигнал «d» не появляется в периоде включение, а это означает,что не произойдет ложное отключение сигнала. Вторая проверка пройдена.
3) Для того чтобы после отключения “B” несоздалось условия для его повторного включения (ложные срабатывания) полученноелогическое выражение для “B” преобразуют, раскрывая все скобки, в сумму произведенийи проверяют, не встречается ли хотя бы одна комбинация сигналов в отключенном периоде.
/>
Поскольку ни одна из этих комбинацийне встречается в отключенном периоде, то проверка пройдена.
Описанному алгоритму работы выходногосигнала В соответствует функциональная схема, представленная на рисунке 5.
/>
Рисунок 5 — Функциональная схемадля формирования выходного сигнала В2.5 Разработка принципиальной схемы для формированиявыходного сигнала В
При реализации принципиальнойсхемы на однотипных элементах И-НЕ используются один корпус микросхемы К561ЛА8 иодин элемент корпуса К561ТР2. Принципиальная схема представлена на рисунке 6.
/>
Рисунок 6 — Принципиальная схемадля формирования выходного сигнала В2.6 Разработка принципиальной схемы для формированиявыходного сигнала С
Выходной сигнал С появляется вмомент появления сигнала В, а исчезает, когда число появлений сигнала А сравняетсяс числом 14. Число появлений сигнала А отслеживает счетчик и при появлении сигналаА 14 раз сигнал С исчезает и счетчик обнуляется. Для формирования выходного сигналаС используются микросхемы: К561ТР2, К561ЛА8, К561ИЕ10. Принципиальная схема представленана рисунке7.
/>
Рисунок 7 — Принципиальная схемадля формирования выходного сигнала С2.7 Расчёт и выбор элементов входных и выходных УСО2.7.1 Расчёт и выбор элементов входных УСО
К входным устройствам согласованияс объектами (УСО) относится защита от дребезга контактов. Для создания сигналовd, b и c используются соответственнонормально замкнутый контакт, нормально разомкнутый и перекидной контакт. При замыканииконтактов после касания подвижного контакта с неподвижным в силу упругих свойствподвижный контакт начинает вибрировать около неподвижного на протяжении 0,1 — 1мс.В релейно-контакторных схемах этот дребезг не оказывал существенного влияния наработу реле. В логических схемах логика успевает сработать. Это приводит к появлению“пачки” из нескольких десятков импульсов. Чтобы логика не реагировала на эти лишниеимпульсы используются УСО.
1. УСО для сигнала d.
/>
Рисунок 8 — УСОдля сигнала d
По заданию входная ситуация приненажатой кнопке воспринимается как логический ноль.
По рисунку 8 когда кнопка SB1 ненажата, конденсатор С1 разряжен и на входе логического элемента логический ноль.Когда контакт кнопки размыкается конденсатор через резистор R1 заряжаетсяс постоянной времени T1=R1·C1 и на входелогического элемента уровень логической единицы. Во время дребезга, при замыкании,ёмкость разряжается с временем разряда
/>
где
R — сопротивление контакта и проводов.
Таким образом ёмкость не успеваетзарядиться до уровня выше, чем логическая единица.
/>
Рисунок 9 — Временные диаграммызаряда и разряда конденсатора во время дребезга
Значения сопротивления и ёмкостиопределяются исходя из выражения
/> (3)
Сопротивление R=1МОм,T=1мс, тогда
/>
/>
Требуемая мощность резисторов
/>, (4)
где Р — мощность резистора, Вт;
UПИТ — питающеенапряжение элементов, В.
/>
Выбираются:
резистор мощностью Р=0,125 Вти сопротивлением R=1 МОм МЛТ-0,125;
конденсатор стеклокерамическийК22-5 номинальной ёмкостью С=1000пФ на номинальное напряжение U=16 В.
2. УСО для сигнала b.
/>
Рисунок 10 — УСОдля сигнала b
Когда контакт кнопки разомкнутконденсатор заряжен. В момент замыкания контакта конденсатор будет разряжаться спостоянной времени
/>
где
R — сопротивление контакта и проводов.
Во время дребезга, при размыкании,ёмкость заряжается через R1 c постояннойвремени заряда
/>
Таким образом ёмкость не успеваетзарядиться до уровня выше, чем логическая единица. Этот процесс представлен на рисунке11.
/>
Рисунок 11 — Временные диаграммызаряда и разряда конденсатора при дребезге
Значения R и C будут такими же, что в УСО для сигнала d.
3. УСО для сигнала c. Для перекидныхконтактов защиту от дребезга удобнее строить на RS-триггере.
/>
Рисунок 12 — УСО для сигнала c
Значения сопротивлений резисторови их марки аналогичны тем, что используются в УСО сигнала d.
4. Цепь обнуления представленана рисунке 13. Значения R и C будут такими же, что в УСО для сигналаd.
/>
Рисунок 13 — Схема обнуления
5. На цепи питания для ограниченияпульсаций питающего напряжения ставятся электролитические конденсаторы К50-6 ёмкостью10мкФ на номинальные напряжения 16В и 50В.2.7.2 Расчёт и выбор элементов выходного УСО
Выходные УСО предназначены длясогласования выходных устройств с логическими элементами.
1. Выходной сигнал А. Выходнымустройством является электромагнитное реле. Схема его подключения представлена нарисунке 14.
Балластный резистор Rб предназначен для ограничения тока. Когда на базу транзиcтораVT1 напряжение, то он открывается и к катушке реле прикладываетсяUПИТ2=27В. Вмомент закрытия транзистора к нему, напряжение на катушке меняет свою полярностьи к транзистору приложено напряжение на катушке и UПИТ2. Это может вывести транзистор из строя. Чтобы избавитьсяот энергии, запасённой на катушке реле, параллельно ей включается обратный диод,на котором вся энергия рассеивается.
/>
Рисунок 14 — Схема подключенияэлектромагнитного реле
Диод выбирается по следующим параметрам
/>; /> (5)
где UОБР — обратное напряжение диода, В;
IПР — прямойток через диод, мА;
IНАГР — токнагрузки реле, мА.
IНАГР=27мА.
Выбирается диод Д 311, UОБР=30В, IПР=40мА.
Транзистор выбирается по следующимпараметрам:
/>; />; /> (6)
где β — статическийкоэффициент усиления по току;
UКЭ — напряжениеколлектор-эмиттер, В;
IКЭнас — токнасыщения перехода коллектор-эмиттер.
/>
Выбирается транзистор КТ315В,β=30, IКЭнас=100мА,UКЭ=40В, Р=150мВт,UБЭнас=1В.
Балластный резистор выбираетсяпо формуле
/> (7)
где UБЭнас — напряжение насыщения перехода база-эмиттер, В.
/>
Выбирается резистор с номинальнымсопротивлением 15кОм марки МЛТ-0,125 с мощностью рассеивания Р=0,125Вт.
2. Выходной сигнал “B” управляетсемисегментным светодиодным индикатором АЛС333А с параметрами: Uпрям=2 В, Iпрям=20 мА.Необходимо высветить цифру «3», то есть нужно зажечь пять сегментов (A, B, G, С,D).
/>
Рисунок 15 — Сегменты индикатора
Для управления индикатором воспользуемсятранзисторным ключом
/>
Рисунок 16 — Схема включения сегментовиндикатора по схеме с общим катодом
Общий ток, протекающий через всесегменты, определится по формуле
/> (8)
где IVD — ток через один сегмент, мА; n — количество используемых сегментов.
/>
Транзистор VT2 выбираетсяпо выражениям
/>; />; /> (9)
КТ 3102А. β=120, IКЭнас=150мА, UКЭ=40В, Р=350мВт, UБЭнас=5В, UКЭнас=0,6В.
Балластный резистор выбираетсяпо выражению (7).
/>
Выбирается резистор с номинальнымсопротивлением 15кОм марки МЛТ-0,125 с мощностью рассеивания Р=0,125Вт.
Ограничивающие резисторы рассчитываютсяпо формуле
/> (10)
где ΔUсег — падение напряжения на сегменте индикатора, В.
/>
Мощность резисторов определяетсяпо формуле (4)
/>
Выбираются резисторы МЛТ-0,25R=1кОм мощностью Р=0,25Вт в количестве пяти штук.2.8 Описание работы устройства
В момент подачи питающего напряженияпроисходит обнуление триггеров D1.2, D1.3 и счётчика D5 по RC-цепочкена элементах R5 и С4. Когда на входе устройства появится определённаякомбинация сигналов a, b, c,dнавыходе появляется сигнал А и реле К, которым управляет сигнал А, перекидывает своиконтакты.
Сигнал В появится в том случая,если на вход триггера DD7.2 подаются сразу три сигнала: a,bис, и исчезает, когда сигнал d перекидывается из единичного состояния в нулевое. При появлениисигнала В на семисегментном светодиодном индикаторе загорается цифра 3, а при исчезновении- гаснет.
Сигнал С появится на выходе втом случае, если появится сигнал В, а исчезнет, когда число появлений сигнала Асравняется с числом 14, при этом счётчик D5 и триггер D1.3 обнуляются.
Расчёт потребляемого тока устройством от всех источников питанияи предъявление требований к источникам питания
Требования, предъявляемые к первомуисточнику питания:
1. Напряжение питания UПИТ1=15В±10%;
2. Ток источника питания определяетсяпо формуле
/> (11)
где IDD — ток потребляемый одной микросхемой, мА;
n — количество микросхем;
IHG — ток, протекающий через один сегмент светодиодного индикатора,мА;
m — количество используемых сегментов светодиодного индикатора.
Токи, потребляемые микросхемами:
К561ЛА7 I=0,001мА;
К561ЛА8 I=0,004мА;
К561ЛА9 I=0,004мА;
К561ТР2 I=0,08мА;
К561ИЕ10 I=0,02мА.
Ток через один сегмент светодиодногоиндикатора I=20мА.
/>
Требования, предъявляемые ко второмуисточнику питания:
1. Напряжение питания UПИТ2=27В±10%;
2. Ток источника питания
/> (12)
где kЗ — коэффициент запаса;
ICP — ток срабатывания реле, мА.
/>
3. Конструкторская часть3.1 Разработка чертежа принципиальной схемы. Выбор элементовсхемы
Принципиальная электрическая схемаТПЖА.420000.230 Э3 представлена на листе формата А2. Элементы, входящие в её составприведены в перечне элементов, который расположен на этом же листе.3.2 Разработка сборочного чертежа. Выбор вариантов установкиэлементов схемы
Сборочный чертеж ТПЖА.420000.230СБ печатного узла выполнен на листе формата А2 с таким расчётом, чтобы давать полноепредставление о форме, расположении и установке навесных элементов и других деталей.Навесные элементы выполнены условно. Все требования к сборочному чертежу и вариантыустановки элементов приведены на листе.
2.3. Разработка (трассировка) печатной платы
Чертёж печатной платы ТПЖА.420000.230выполнен на листе формата А2. Шаг координатной сетки выбирается исходя из минимальногорасстояния между выводами отдельных элементов. Печатная плата имеет размер 125х110мм. Технические требования и диаметры отверстий приведены на листе. Печатная платадвусторонняя из-за большого количества пересечений проводников. Это существенноуменьшает ее габариты по сравнению с односторонней.
Заключение
В процессе работы над курсовымпроектом было синтезировано арифметико-логическое устройство, реализованное на элементахцифровой (дискретной) техники. При разработке принципиальной схемы и конструктива(печатная плата и сборочный чертёж) было использовано по возможности минимальноеколичество логических элементов КМОП на элементах И-НЕ. Разработанное устройствополностью соответствует техническому заданию. Были рассчитаны и выбраны УСО.