Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Проектування комбінаційного цифрового автомату
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Ужгородський національний університет
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Інженерно технічний
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Пояснювальна записка до курсового проекту
Предмет:
Комп’ютерна схемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Ужгородський національний університет
Інженерно-технічний факультет
Кафедра комп’ютерних систем та мереж
Кафедра приладобудування
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсового проекту
з курсу «Комп'ютерна схемотехніка»
на тему:
«Проектування комбінаційного цифрового автомату»
Студентки: Коваль М.І. ( )
(прізвище та ініціали)
Керівник проекту: доц. Лопушанський В.В. ( )
Консультант:
доц. Бутурлакін О.П. ( )
Завідувач кафедри приладобудування: __________ (доц.Туряниця І.І.)
Ужгород - 2012
Зміст
Зміст 3
Вступ 4
1 Аналіз технічного завдання 6
2 Логічне проектування 7
2.1. Визначення ДДНФ та ДКНФ заданої логічної функції 7
2.2. Мінімізація вихідних канонічних форм методом К-карт 8
2.3. Перехід до унітарного базису І-НІ 10
2.4. Побудова та оптимізація структурно-логічної схеми КЦА 11
3 Схемотехнічне проектування 12
3.1. Обґрунтування вибору та призначення серії та типономіналів цифрових інтегральних мікросхем 12
3.2. Розробка та оптимізація принципової електричної схеми 12
4 Оцінка технічних характеристик 15
4.1. Визначення потенціальних логічних рівнів та рівня власного енергоспоживання 15
4.2. Оцінка показників надійності 16
Висновки 19
Перелік посилань 20
Додатки 21
Вступ
Метою даного курсового проекту є проектування структурно логічної та принципової електричної схеми комбінаційного цифрового автомату (КЦА). Вхідними даними служить таблиця наборів значень КЦА.
Комбінаційний цифровий автомат – це схема, що складається з логічних елементів, яка реалізовує певну логічну функцію чи їх сукупність. Логічний елемент - це електронний пристрій, що реалізує одну з логічних операцій. Логічні елементи являють собою електронні пристрої, у яких оброблювана інформація закодована у вигляді двійкових чисел, відображуваних напругою (сигналом) високого і низького рівня. Комбінаційні схеми – це схеми, логічне значення яких на виході залежить лише від вектора вхідних значень, тобто в пристроях цього типу відсутні зворотні зв’язки.
Проектування комбінаційного цифрового автомату включає декілька етапів.
Перший етап – опис логічної функції. Логічна функція описує відповідність між вхідним та вихідним векторами значень. Складання таблиці істинності за текстовим описом.
Другий етап – запис логічного рівняння у вигляді ДДНФ та ДКНФ заданої логічної функції.
Третій етап – мінімізація логічного рівняння. Мінімізація рівняння полягає в зменшенні елементарних логічних операцій, які реалізують логічну функцію.
Четвертий етап – подання логічної функції в одному з базисів. На практиці зазвичай обмежуються невеликою кількістю елементарних булевих операцій, тобто подають логічну функцію в одному з базисів (І, АБО, І-НІ, АБО-НІ, та ін.). Система елементарних логічних функцій, які утворюють базис повинна бути функціонально повною, тобто такою, за допомогою якої можна реалізувати любу логічну функцію.
П’ятий етап – побудова структурно-логічної схеми КЦА та схемотехнічне проектування. При схемотехнічному проектування потрібно врахувати всі особливості конструйованого пристрою для того, щоб правильно обрати типи та номінали мікросхем. Кількість мікросхем повинна бути мінімальною. Ця обставина накладає обмеження на якість проектування схем, а саме, коефіцієнт використання логічних елементів в корпусах МС не повинен бути низьким. Наприклад, якщо під час проектування використовують мікросхему, що містить три логічні елементи, то оптимальний варіант принципової схеми повинен використовувати всі три ЛЕ. Інколи цією умовою нехтують, враховуючи в першу чергу вимоги технологічного характеру. Не менш важливими є часові характеристики схеми, які залежать від затримок на всіх мікросхемах. Також на даному етапі розробляється та оптимізується принципова електрична схема.
Шостий етап – це етап, на якому визначаються показники надійності.
1 Аналіз технічного завдання
Виходячи з технічного завдання (ТЗ), метою виконання проекту є логічне та схемотехнічне проектування комбінаційного цифрового автомату (КЦА), призначеного для реалізації логічної функції чотирьох змінних. КЦА повинен працювати згідно таких експлуатаційних технічних вимог:
напруга живлення — ;
максимальна робоча температура — ;
відносна вологість повітря — ;
механічні фактори (вібрації) — стаціонарні.
Виконання проекту включає в себе такі обов’язкові етапи проектування:
Логічне проектування (побудова ДДНФ та ДКНФ заданої логічної функції, мінімізація вхідних канонічних форм, переведення до обраного унітарного базису, оптимізація і побудова структурно-логічної схеми КЦА);
Схемотехнічне проектування (обґрунтування вибору та призначення серії і типономіналів цифрових інтегральних мікросхем, розробка та оптимізація принципової електричної схеми з урахуванням характеристик вибраних схем);
Оцінка технічних характеристик (визначення потенціальних логічних рівнів, визначення рівня енергоспоживання, оцінка показників надійності).
2 Логічне проектування
2.1. Визначення ДДНФ та ДКНФ заданої логічної функції
Заповнимо таблицю істинності логічної функції, заданої в ТЗ.
Таблиця 1. Таблиця істинності заданої логічної функції
№ набору
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
2
0
0
1
0
1
3
0
0
1
1
1
4
0
1
0
0
1
5
0
1
0
1
1
6
0
1
1
0
1
7
0
1
1
1
1
8
1
0
0
0
1
9
1
0
0
1
0
10
1
0
1
0
0
11
1
0
1
1
0
12
1
1
0
0
0
13
1
1
0
1
0
14
1
1
1
0
0
15
1
1
1
1
0
Побудова ДДНФ згідно таблиці істинності (табл. 1)
(1)
Побудова ДКНФ згідно таблиці істинності (табл. 1)
(2)
2.2. Мінімізація вихідних канонічних форм методом К-карт
К-карта для функції від чотирьох змінних має такий вигляд:
Таблиця 2. К-карта для функції від чотирьох змінних
0000
0001
0101
0100
0010
0011
0111
0110
1010
1011
1111
1110
1000
1001
1101
1100
Виконаємо мінімізацію ДДНФ заданої логічної функції методом К-карт. Для цього заповнимо К-карту для наборів, на яких значення функції рівне одиниці (табл. 1), і зробимо всі можливі склейки геометрично сусідніх клітин.
Таблиця 3. К-карта для ДДНФ заданої функції
0000
0101
0100
0010
0011
0111
0110
1000
Таблиця 4. Склейки для К-карти (табл. 3)
0101
0111
0100
0110
01**
0010
0011
0111
0110
0*1*
0000
1000
*000
Виконавши склейки, отримуємо мінімальну диз’юнктивну нормальну форму функції (МДНФ):
(3)
Виконаємо мінімізацію ДКНФ заданої логічної функції методом К-карт. Для цього заповнимо К-карту для наборів, на яких значення функції рівне нулю (табл. 1), і зробимо всі можливі склейки сусідніх клітин.
Таблиця 5. К-карта для ДКНФ заданої функції
0001
1010
1011
1111
1110
1001
1101
1100
Таблиця 6. Склейки для К-карти (табл. 5)
1010
1011
1111
1110
1*1*
1011
1001
1111
1101
1**1
1111
1101
1110
1100
11**
0001
1001
*001
Таким чином, отримуємо мінімальну кон’юнктивну нормальну форму функції (МКНФ):
(4)
Виходячи з того, що мікросхеми І-НІ мають найбільш широку номенклатуру було обрано базис І-НІ.
2.3. Перехід до унітарного базису І-НІ
В загальному випадку перехід від базису І, АБО, НІ до унітарного базису І-НІ (АБО-НІ) здійснюється на основі законів де Моргана.
Перетворимо наступним чином:
(5)
Але у випадку, коли перехід здійснюється від дворівневої схеми ДНФ до базису І-НІ (а також від КНФ до базису АБО-НІ), його можна виконати простою заміною всіх елементів комбінаційної схеми у базисі І, АБО, НІ на елементи І-НІ (АБО-НІ) зі збереженням як змінних, які подаються на входи елементів, так і всіх зв’язків між ними:
(6)
Для перевірки правильності мінімізації та приведення функції до унітарного базису виконаємо моделювання КЦА в пакеті Multisim (рис. 1).
Рис. 1. Моделювання КЦА в пакеті Multisim
2.4. Побудова та оптимізація структурно-логічної схеми КЦА
Для побудови даного КЦА потрібно наступні елементи:
4 елементи НІ
2 елементи 2І-НІ
2 елементи 3І-НІ
Це змушує використовувати 3 різні типи мікросхем, що є незручно. Тим більш ці мікросхеми не будуть повністю використані, тобто в них будуть незадіяні елементи.
Оптимізовану структурно-логічну схему наведено в додатку 1.
3 Схемотехнічне проектування
3.1. Обґрунтування вибору та призначення серії та типономіналів цифрових інтегральних мікросхем
Вибір мікросхеми здійснюється виходячи, в першу чергу, з заданої в ТЗ напруги споживання та з обраного унітарного базису.
У даному випадку напруга живлення становить +12 В. Це свідчить про те, що КЦА повинен бути реалізований на мікросхемах КМОН (КМДН). Мікросхеми серії К564 найбільш для цього підходять, оскільки реалізовані з двома захисними діодами, що дає можливість їх застосування при схемотехнічних рішеннях з максимальним захистом від статичної електрики.
Оскільки схема КЦА синтезована в унітарному базисі І-НІ, то нас цікавлять мікросхеми, які містять в своєму маркуванні позначення ЛА, тобто реалізують функції Шеффера (ЛЕ І-НІ).
Серія К564 містить три види таких мікросхем:
4 х 2 І-НІ – К564ЛА7
3 х 3 І-НІ – К564ЛА9
2 х 4 І-НІ – К564ЛА8
3.2. Розробка та оптимізація принципової електричної схеми
Виходячи з структурно-логічної схеми КЦА (див. додаток 1) визначимо типономінали необхідних мікросхем.
Для оптимізації схеми виконаємо наступні еквівалентні заміни:
4 елементи НІ замінимо на 4 елементи 2І-НІ
2 елементи 2І-НІ замінимо на 2 елементи 4І-НІ
2 елементи 3І-НІ замінимо на 2 елементи 4І-НІ
Для реалізації ЛЕ DD1.1-DD1.4 необхідно чотири ЛЕ 2І-НІ – одна мікросхема К564ЛА7, яка містить чотири елементи 2І-НІ.
Для реалізації ЛЕ DD2.1-DD2.2 необхідно два ЛЕ 4І-НІ — одна мікросхема К564ЛА8, що містить два ЛЕ 4І-НІ.
Для реалізації ЛЕ DD3.1-DD3.2 необхідно два ЛЕ 4І-НІ — одна мікросхема К564ЛА8, що містить два ЛЕ 4І-НІ.
Отже синтезована схема комбінаційного цифрового автомату реалізується за допомогою трьох мікросхем серії К564:
DD1.1…DD1.4 – К564ЛА7 (використана повністю);
DD2.1…DD2.2 – К564ЛА8 (використана повністю);
DD3.1…DD3.2 – К564ЛА8 (використана повністю).
Принципову електричну схему наведено в додатку 2.
Умовні графічні позначення, призначення виводів та електричні параметри використовуваних мікросхем подано нижче [1].
К564ЛА7 (4 ( 2І –НІ) [1]
Електричні параметри:
Номінальна напруга живлення ………………………….……………………..3..15В;
Вихідна напруга низького рівня при дії завади
при Un =10В………………………………………………….……..……..( 2,9 В;
при Un =5В………………………………………………….……….…...( 0,95 В;
Вихідна напруга високого рівня при дії завади при Un =10В .……...…...( 7,2 В;
Струм споживання при Un =15В……………………………………….…....( 5 мкА;
Вхідний струм низького (високого) рівня при Un =15В ….……..…… ( 0,3 мкА;
Вихідний струм низького рівня
при Un =10В…………… ……………………………………..……....…(1,3 мА;
при Un =5В…………… ……………………………………..……....…(0,51 мА;
Вихідний струм високого рівня
при Un =10В…………… …………………………………………….…. (1,3 мА;
при Un =5В ; Uвих. =4,6В ……………………………………..…..….. (0,51 мА;
при Un =5В ; Uвих. =2,5В ……………………………………..…..…... (1,6 мА;
Час затримки при включенні (виключенні)
при Un =10В…………… ……………………………………..…........... ( 80 нс;
при Un =5В…………… ……………………………………..……...…. ( 160 нс;
Вхідна ємність……………………… ………………………….……….……...( 11 пФ.
Рис. 3. Умовне графічне позначення МС К564ЛА7
Таблиця 8. Призначення виводів МС К564ЛА7
№ виводу
Призначення
№ виводу
Призначення
1
Вхід Х1
8
Вхід X5
2
Вхід Х2
9
Вхід Х6
3
Вихід Y1
10
Вихід Y3
4
Вихід Y2
11
Вихід Y4
5
Вхід Х3
12
Вхід Х7
6
Вхід X4
13
Вхід Х8
7
0 В
14
+12 В
К564ЛА8 (2 ( 4І –НІ) [1]
Електричні параметри:
Номінальна напруга живлення ………………………….……………..……..3..15В;
Вихідна напруга низького рівня при дії завади
при Un =10В………………………………………………….…………...( 2,9 В;
при Un =5В………………………………………………….…………...( 0,95 В;
Вихідна напруга високого рівня при дії завади при Un =10В .……….... ( 7,2 В;
Струм споживання при Un =15В………………………………………...… ( 5 мкА;
Вхідний струм низького (високого) рівня при Un =15В ….…………..( 0,3 мкА;
Вихідний струм низького рівня
при Un =10В…………… ……………………………………..……..… (1,3 мА;
при Un =5В…………… ……………………………………..………...(0,51 мА;
Вихідний струм високого рівня
при Un =10В…………… ……………………………………..……….. (1,3 мА;
при Un =5В ; Uвих. =4,6В ……………………………………..……....(0,51 мА;
при Un =5В ; Uвих. =2,5В ……………………………………..…….....(1,6 мА;
Час затримки при включенні
при Un =10В…………… ……………………………………..………... ( 80 нс;
при Un =5В…………… ……………………………………..………... ( 160 нс;
Час затримки при виключенні
при Un =10В…………… ……………………………………..……..…( 120 нс;
при Un =5В…………… ……………………………………..……..…..( 250 нс;
Вхідна ємність……………………… ………………………….………...….. ( 12 пФ.
Рис. 4. Умовне графічне позначення МС К564ЛА8
Таблиця 9. Призначення виводів МС К564ЛА8
№ виводу
Призначення
№ виводу
Призначення
1
Вихід Y1
8
Вільний
2
Вхід Х1
9
Вхід Х8
3
Вхід X2
10
Вхід X7
4
Вхід X3
11
Вхід X6
5
Вхід Х4
12
Вхід Х5
6
Вільний
13
Вихід Y2
7
0 В
14
+12 В
4 Оцінка технічних характеристик
4.1. Визначення потенціальних логічних рівнів та рівня власного енергоспоживання
Потенціальні логічні рівні розробленого КЦА співпадають з рівнями мікросхем серії К564, на основі яких він побудований. Карту потенціальних рівнів для заданого КЦА наведено на рис. 5.
Рис. 5. Карта потенціальних рівнів КЦА
Рівень власного енергоспоживання є сумою потужностей, які споживають окремі елементи КЦА, тобто мікросхеми.
мкВт
Час затримки між появою сигналів на вході та значення функції на виході для даної схеми є сумою часу затримок на кожному рівні. Максимальний час затримки складає:
4.2. Оцінка показників надійності
Існує ряд методів аналізу показників надійності технічних виробів, однак при курсовому та дипломному проектуванні найбільш доцільно користуватись «лямбда-методом», який є найбільш простим і використовує специфікації всіх елементів та дані про їх відмови. Одночасно цей метод дає змогу оцінити, чи задовільняють схемотехнічні рішення технічному завданню, визначити причини найбільшої інтенсивності відмов. Прогнозування надійності з використанням «лямбда-методу» дає істотне покращення показників надійності при великій кількості елементів і в той же час не вимагає проведення експлуатаційних випробувань.
Основними показниками, за якими оцінюється надійність пристрою є імовірність безвідмовної роботи та середній наробіток до відмови.
Імовірність безвідмовної роботи (ІБР) – імовірність того, що протягом заданого наробітку відмови роботи пристрою не відбудеться. Наробіток може бути як неперервною величиною (тривалість роботи в годинах), так і цілочисловою величиною (кількість робочих циклів, запусків тощо).
Середній наробіток до відмови (СНВ) представляє собою математичне сподівання наробітку об’єкту до першої відмови.
Вихідною величиною для проведення розрахунків з надійності згідно «лямбда-методу» приймається параметр надійності елементів схем радіоелектронної апаратури (РЕА) – інтенсивність відмов (ІВ) , яка є довідниковим параметром для кожного елементу РЕА [4].
Інтенсивність відмов (ІВ) – це умовна густина імовірності виникнення відмови об’єкт, яка визначається за умови, що відмова до цього моменту не виникла. Інтенсивність відмов є показником безвідмовності неремонтуємих і невідновлюваних об’єктів.
Розрахункова сумарна інтенсивність відмов кожного з і-типів елементів принципової електричної схеми визначається за умови незалежності відмов елементів за наступною формулою:
, (7)
де - інтенсивність відмов елементів і-типу, отримана при випробуваннях в режимі номінального електричного навантаження і нормальних зовнішніх умовах експлуатації;
- кількість однакових елементів і-типу;
- експлуатаційний поправочний коефіцієнт для перерахунку ІВ елементів при фактичних умовах експлуатації;
- поправочний коефіцієнт, який враховує вплив електричного режиму (через коефіцієнт електричного навантаження ) і температури елемента (або оточуючого повітря) на зміну табличних значень ІВ.
Експлуатаційний поправочний коефіцієнт можна оцінити за формулою:
(8)
де – поправочний коефіцієнт, що враховує дію механічних факторів, – вплив вологості і температури, – вплив атмосферного тиску.
Сумарна інтенсивність відмов для всіх елементів, які входять до принципової схеми, розраховується за формулою:
, (9)
де – кількість різних типів елементів, що входять до схеми.
Величина СНВ визначається в цьому випадку через наступним чином:
, (10)
а значення ІБР можна оцінити за виразом:
, (11)
де - заданий в ТЗ час наробітку (як правило, 1000 або 2000 год).
У даному випадку, виходячи із ТЗ, маємо наступні значення поправочних коефіцієнтів:
поправочний коефіцієнт, який враховує дії механічних факторів (вібрацій) складає (автомобільні рівень вібрацій);
поправочний коефіцієнт, який враховує дію вологості і температури (макс. робоча температура +37 °С, відносна вологість 95%);
атмосферний тиск вважаємо нормальним, тобто ;
експлуатаційний поправочний коефіцієнт ;
значення коефіцієнту вважаємо рівним одиниці;
коефіцієнт навантаження для всіх елементів рівний 1 (стандартне навантаження на елементи), оскільки всі мікросхеми використовується повністю.
Пайки електричних з’єднань визначаються за формулою:
пайка = к-cть м/с14 + к-cть конденсаторів2 + 7+1+4=72
Розраховані значення сумарної інтенсивності відмов для радіоелементів та схеми в цілому містяться у таблиці 10.
№ п/п
Найменування і типономінали елементів
шт
1
Конденсатори C1-C2 – К10-17, 0.33мкФ
2
3.0
37
1
1
20.25
2
Мікросхема DD1 – К564ЛА7
1
7.0
37
1
1
23.625
4
Мікросхема DD3 – К564ЛА8
1
10.0
37
1
1
33.75
5
Мікросхема DD2, DD4 – К564ЛА9
2
12.0
3.375
37
1
1
81
5
Роз’єднувач XP1 – ГРПМШ8-Р
1
2.08
37
1
1
7.02
6
Пайка
72
1
1
37
1
1
72.00
Разом()
237.645
Таблиця 10. Показники надійності груп елементів КЦА
На основі отриманого значення сумарної інтенсивності відмов для всіх елементів обчислюємо величину СНВ за формулою (10):
Значення ІБР за час за формулою (11):
Отже, в результаті виконання оціночних розрахунків надійності розробленого КЦА отримані наступні показники:
сумарна інтенсивність відмов всього автомату [год];
середній наробіток на відмову ;
імовірність безвідмовної роботи протягом одної тисячі годин . Висновки
Кінцевою метою курсового проекту було обрати мікросхеми, які оптимально підходили би для реалізації заданої логічної функції, побудувати принципову електричну схему та визначити показники надійності спроектованого комбінаційного автомату. Для побудови комбінаційного автомату була задана функція від чотирьох змінних, яка на восьми двійкових наборах приймала значення логічної одиниці. За таблицею істинності було побудовано досконалі нормальні форми ДДНФ та ДКНФ функції. З використанням К-карт отриманий вираз було спрощено після чого його було приведено до унітарного базису І-НІ. Для перевірки правильності виконаних дій було виконане моделювання схеми КЦА в пакеті Multisim.
На наступному етапі, етапі схемотехнічної реалізації, для побудови КЦА були обрані мікросхеми КМОН(КМДН) серії К564. Для реалізації КЦА задіяно три мікросхеми (К564ЛА7 і дві К564ЛА8), які є повністю задіяними.
У імпульсному режимі роботи для КМДН-структур є характерними стрибки енергоспоживання, шо викликає спад напруги на шині живлення. Це може призвести до неправильної роботи сусідніх елементів. Для цього у схему включають конденсатори, які стабілізують напругу.
На основі експлуатаційних технічних вимог, які задані в ТЗ, на завершальному етапі виконання курсового проекту було визначено показники надійності спроектованого КЦА (сумарна інтенсивність відмов, середній наробіток до відмови, ймовірність безвідмовної роботи).
Основні параметри спроектованого КЦА:
напруга живлення +12В;
потенціальні логічні рівні сумісні з рівнями для мікросхем КМОН(КМДН);
максимальна споживана потужність 180 мкВт;
час затримки розповсюдження сигналу між входами і виходами не перевищує 240 нс;
середній наробіток на відмову складає 769408 годин;
ймовірність безвідмовної роботи протягом однієї тисячі годин становить 0,9987, що в свою чергу є дуже хорошим показником.
Структурно-логічна схема та принципова електрична відповідають вимогам ЄСКД.
Перелік посилань
Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т. 5. – М.: КУбК-а, 1997. – 608 с.: ил.
Самофалов К.Г., Романкевич А.М. и др. Прикладная теория цифровых автоматов. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. – 375с.
Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник в 11 томах. Том 5. – М.: РадиоСофт, 1999 – 2001 г.г.
Бутурлакін О.П., Овчаренко В.В., Федак В.В. Методичні рекомендації до виконання розрахунків по оцінці показників надійності радіоелектронної апаратури. Методична розробка для студентів інженерних спеціальностей. УжНУ, 2001, - 56 с.
Романычева Э.Т., Соколова Т.Ю., Шандурина Г.Ф. Инженерная и компьютерная графика. Учебник - 2-е изд., перераб. - М.: ДМК Пресс, 2001. – 592с.
Разработка и оформление конструкторской документации РЕА. Справочник. – Под редакцией Е.Т. Романычева. – М.: Радио и связь, 1989, с.328 - 334.
Ванін В.В., Бліок А.В., Гнітецька Г.О. Оформлення конструкторської документації. Навчальний посібник, 3-є видання. – К.: Каравела, 2003. – 160 с.
Додатки
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора