Проектування комбінаційного цифрового автомату. Пояснювальна записка до курсового проекту з Комп’ютерна схемотехніка. Робота № 517679

Перехід до торгівельного партнера Binance

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:

2010

Тип роботи:

Пояснювальна записка до курсового проекту

Предмет:

Комп’ютерна схемотехніка

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Міністерство освіти і науки 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 Студента Фогаша Р.З. ( ) ( прізвище та ініціали ) Керівник проекту: Козусенок О.В. ( ) Консультанти: Доц. Бутурлакін О.П. ( ) Завідувач кафедри приладобудування: __________ (доц.Туряниця І.І.) Ужгород 2010 Зміст ВСТУП 3 1. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ 5 2. ЛОГІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ 6 2.1. Побудова ДДНФ та ДКНФ заданої логічної функції 6 2.2. МІНІМІЗАЦІЯ ВИХІДНИХ КАНОНІЧНИХ ФОРМ МЕТОДОМ К-КАРТ 7 2.3. Перехід до унітарного базису І –НІ 8 2.4 Побудова та оптимізація структурно-логічної схеми КЦА. 9 3. СХЕМОТЕХНІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ 11 3.1. Обґрунтування вибору та призначення серії та типономіналів цифрових інтегральних мікросхем 11 3.2 Розробка та оптимізація принципової електричної схеми 11 4. ОЦІНКА ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК 15 4.1 Визначення потенціальних логічних рівнів та рівня власного енергоспоживання 15 4.2. Оцінка показників надійності 16 ВИСНОВОК 20 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 21 ДОДАТКИ 22 Вступ Метою даного курсового проекту є проектування структурної та принципової схеми комбінаційного цифрового автомату (КЦА). Вхідними даними служить таблиця наборів значень КЦА. КЦА називається пристрій, який реалізовує задану логічну функцію чи їх сукупність. 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 кроків. Перший – опис логічної функції. Логічна функція описує відповідність між вхідним та вихідним векторами значень. Другий крок – мінімізація функції. Мінімізація функції полягає в зменшенні елементарних логічних операцій, які реалізують логічну функцію. Третій крок – 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. Четвертий крок – побудова логічної схеми та схемо технічне проектування. При схемо технічному 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. 1. Аналіз технічного завдання Виходячи з технічного завдання (ТЗ), метою виконання проекту є проектування КЦА призначеного для реалізації логічної функції від чотирьох змінних. КЦА повинен працювати за наступних умов: напруга живлення +5.0 В; максимальна робоча температура 35 ; відносна вологість повітря 60%; умови експлуатації (вібрації) – авіаційні. Виконання проекту включає в себе такі етапи: - логічне проектування (побудова ДДНФ та ДКНФ заданої логічної функції, перетворення їх до обраного унітарного базису, мінімізація функції); - схемотехнічне проектування (вибір серії та типономіналів цифрових інтегральних мікросхем та оптимізація принципової електричної схеми з урахуванням характеристик вибраних мікросхем). Після виконання схемотехнічного проектування потрібно оцінити технічні характеристики КЦА – потенціальні логічні рівні, власне енергоспоживання та показники надійності – та його відповідність поставленому ТЗ. 2. Логічне проектування 2.1. Побудова ДДНФ та ДКНФ заданої логічної функції Заповнюємо таблицю істинності логічної функції, заданої в ТЗ: Таблиця 1 : Таблиця істинності заданої логічної функції № набору 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 2 0 0 1 1 0 3 0 1 0 0 1 4 0 1 0 1 0 5 0 1 1 0 0 6 1 1 1 1 1 7 1 0 0 0 1 8 1 0 0 1 0 9 1 0 1 0 1 10 1 0 1 1 1 11 1 1 0 0 0 12 1 1 0 1 0 13 1 1 1 0 0 14 1 1 1 1 1 15 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 логічної функції методом К-карт. Для цього запишемо К-карту для наборів, на яких значення функції рівне одиниці (табл.1), і зробимо всі можливі склейки сусідніх клітин. Таблиця 3: К-карта для ДДНФ функції 0001 0010 0100 0111 1111 1011 1010 Отримана в результаті мінімізації диз’юнктивна форму функції f: (3) Виконаємо мінімізацію ДКНФ логічної функції методом К-карт. Для цього запишемо К-карту для наборів, на яких значення функції рівне нулю (Табл.1), і зробимо всі можливі склейки сусідніх клітин. Таблиця 4 : К-карта для ДКНФ функції 0000 0011 0101 0110 1100 1101 1110 1001 Отримана в результаті мінімізації конюнктивна форма функції f: (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 Перехід до унітарного базису І-НІ здійснюється за теоремою де Моргана. Перетворимо наступним чином: (5) Перетворимо наступним чином: (6) Із схемо технічних міркувань, для реалізації була обрана формула (5), оскільки на кожному рівні логічних операцій присутня операція І-НІ, а в формулі (6) – ні, це означає, що якщо реалізовувати формулу на мікросхемах І-НІ, тоді на вихід функції потрібно підключити інвертор, і тому схема стане трьорівнева, на відміну від формули (5), яка дозволяє реалізувати дворівневу схему. Для перевірки правильності мінімізації та переходу до базису І-НІ, змоделюємо схему в пакеті Multisim. Малюнок 1: Логічно схема в Multisim Результати побудови логічної функції наведено на малюнку 2 Малюнок 2 : Результати аналізу схеми в Multisim 2.4 Побудова та оптимізація структурно-логічної схеми КЦА. Для побудови даного КЦА потрібно наступні елементи: 4 елементи НІ 2 елементи 4І-НІ 4 елементи 3І-НІ 1 елемент 6І-НІ Це змушує використовувати 4 різні типи мікросхем, що є незручно. Крім того, інвертор потрібно реалізувати 4 елементами 2І-НІ. Крім того не всі елементи мікросхеми будуть використані. Для оптимізації схеми виконаємо наступні еквівалентні заміни: НІ замінимо на 2І-НІ (Малюнок 3) Малюнок 3 : Елемент НІ побудований на елементі І-НІ 4 елементи 3І-НІ замінимо на 4І-НІ Елемент 6І-НЕ замінимо на елемент 8І-НЕ Оптимізовану логічно-структурну 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 +5 В. Це свідчить про те, що КЦА повинен бути реалізований на мікросхемах ТТЛ чи ТТЛШ, наприклад, цифрових мікросхемах ТТЛ серії К155. 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 мікросхем К155 містить всього 11 типів, серед яких нам потрібно 3: КА155ЛА3 – 4 елемента 2І-НІ КА155ЛА1 – 2 елемента 4І-НІ КА155ЛА2 – 1 елемент 8І-ІН 3.2 Розробка та оптимізація принципової електричної схеми Виходячи з структурно-логічної схеми КЦА (див. додаток 1) визначимо типономінали необхідних мікросхем. Для реалізації ЛЕ D1-D2 потрібно 2 ЛЕ 4І-НІ – одна мікросхема К155ЛА1, яка містить чотири елементи 2І-НІ. Для реалізації ЛЕ D3-D6 необхідно чотири ЛЕ 3І-НІ — одна мікросхема К155ЛА4, що містить 3 ЛЕ 2І-НІ. Але в цьому випадку залишаться 2 незадіяних елементи 3І-НІ. Тому, як уже вище зазначалося, краще елементи 3І-НІ замінити на 4І-НІ, а незадіяні входи під єднати до джерела живлення рівня логічної 1. Отже нам потрібно ще 4 елемента 4І-НІ. Це мікросхема К155ЛА1. Елемент 6І-НІ (DD7) не існує, тому потрібно використати мікросхему 8І-НІ. Це мікросхема – К155ЛА2. Незадіяні входи під єднаємо до напруги рівня логічної 1. Для реалізації чотирьох інверторів DD8 - DD11 нам потрібні 4 елементи 2І-НІ – це мікросхема К155ЛА3. Отже синтезована схема комбінаційного цифрового автомату реалізується за допомогою трьох типів мікросхем серії К155: DD1.1 - DD1.2, DD2.1 – DD2.2, DD3.1 – DD3.2, DD4.1 – DD4.2 – К155ЛА3 (використана повністю); DD4.1 – DD4.2 – К155ЛА3 (використана повністю). DD5 – К155ЛА3 (використана повністю). Електричну принципову схему наведено в додатку 2. Умовні графічні позначення, призначення виводів та електричні параметри використовуваних мікросхем подано нижче. К155ЛА3 (4 х 2І-НІ) Малюнок 4: МС К155ЛА3 Таблиця 5: Призначення виводів МС 155ЛА3 № виводу Призначення № виводу Призначення 1 Вхід 8 Вихід 2 Вхід 9 Вхід 3 Вихід 10 Вхід 4 Вхід 11 Вихід 5 Вхід 12 Вхід 6 Вихід 13 Вхід 7 14 Електричні параметри: Номінальна напруга живлення ………...............…….………………………..………... 5В±5% Вихідна напруга низького рівня ……………………………..........……………………. ≤0,4 В Вихідна напруга високого рівня ……………………….................………………….…. ≥2,4 В Вхідний струм низького рівня ……………………….…………..................................≤-1,6 мА Вхідний струм високого рівня …………………………..……….................................≤0,04 мА Струм споживання при низькому рівні вихідної напруги ……..................................≤22 мА Струм споживання при високому рівні вихідної напруги…………………..............≤8 мА Споживана потужність.……………………………………............................................≤19,7 мВт Час затримки при включенні ……………...………………..........................................≤15 нс Час затримки при виключенні ……………...……………………................................≤22 нс К155ЛА1 (2 х 4І-НІ) Малюнок 5: МС К155ЛА1 Таблиця 6: Призначення виводів МС 155ЛА1 № виводу Призначення № виводу Призначення 1 Вхід 8 Вихід 2 Вхід 9 Вхід 3 вільний 10 Вхід 4 Вхід 11 вільний 5 Вхід 12 Вхід 6 Вихід 13 Вхід 7 0 В 14 +5 В Електричні параметри: Номінальна напруга живлення ………...............…….……………………….…..…... 5В±5% Вихідна напруга низького рівня ……………………………..........…………………. ≤0,4 В Вихідна напруга високого рівня ……………………….................……………….…. ≥2,4 В Вхідний струм низького рівня ……………………….…………...................................≤-1,6 мА Вхідний струм високого рівня …………………………..………..................................≤0,04 мА Струм споживання при низькому рівні вихідної напруги ……...................................≤11 мА Струм споживання при високому рівні вихідної напруги……………….…..............≤4 мА Споживана потужність.……………………………………............................................≤19,7 мВт Час затримки при включенні ……………...………………..........................................≤15 нс Час затримки при виключенні ……………...……………………................................≤22 нс К155ЛА2 (1 х 8І-НІ) Малюнок 6: МС К155ЛА2 Таблиця 7: Призначення виводів МС 155ЛА1 № виводу Призначення № виводу Призначення 1 Вхід 8 Вихід 2 Вхід 9 Вільний 3 Вхід 10 Вільний 4 Вхід 11 Вхід 5 Вхід 12 Вхід 6 Вхід 13 Вільний 7 0 В 14 +5 В Електричні параметри: Номінальна напруга живлення ………...............…….………………………………... 5В±5% Вихідна напруга низького рівня ……………………………..........…………..………. ≤0,4 В Вихідна напруга високого рівня ……………………….................…………..…….…. ≥2,4 В Вхідний струм низького рівня ……………………….………….....................................≤-1,6 мА Вхідний струм високого рівня …………………………..………....................................≤0,04 мА Струм споживання при низькому рівні вихідної напруги …….....................................≤6 мА Струм споживання при високому рівні вихідної напруги………………..…...............≤2 мА Споживана потужність.……………………………………...............................................≤21 мВт Час затримки при включенні ……………...……………….............................................≤15 нс Час затримки при виключенні ……………...……………………...................................≤22 нс 4. Оцінка технічних характеристик 4.1 Визначення потенціальних логічних рівнів та рівня власного енергоспоживання Потенціальні логічні рівні розробленого КЦА співпадають з рівнями мікросхем серії К155, на основі яких він побудований. Карту потенціальних рівнів для заданого КЦА наведено на рис.5. Рівень власного енергоспоживання є сумою потужностей, які споживають окремі елементи КЦА, тобто мікросхеми: Час затримки між появою сигналів на вході та значення функції на виході для даної схеми є сумою часу затримки на кожному рівні. Отже: 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). 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. 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. 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 на відмову. де - заданий в ТЗ час наробітку на відмову. У даному випадку, виходячи із ТЗ, маємо наступні значення поправочних коефіцієнтів: поправочний коефіцієнт, який враховує дії механічних факторів (вібрацій) складає (авіаційний рівень вібрацій); поправочний коефіцієнт, який враховує дію вологості і температури (макс. робоча температура +35 °С, відносна вологість 60%); 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. Для пайки значення всіх коефіцієнтів приймаються рівними одиниці. Значення інтенсивності відмов для елементів схеми наведені в [1]. Розраховані значення сумарної інтенсивності відмов для радіоелементів та схеми в цілому містяться у таблиці 8. Таблиця 8: Показники надійності груп елементів КЦА № п/п Найменування і типономінали елементів , шт , , 1 Мікросхема DD1 – К155ЛА1 1 4 1,46 35 1 1 5,84 2 Мікросхема DD2 – К155ЛА1 1 4 1,46 35 1 1 5,84 3 Мікросхема DD3 – К155ЛА1 1 4 1,46 35 1 1 5,84 4 Мікросхема DD4 – К155ЛА3 1 24 1,46 35 1 1 35,04 5 Мікросхема DD5 – К155ЛА2 1 9 1,46 35 1 1 13,14 5 Роз’єднувач XP1 – ГРПМШ8-Р 1 2.08 1,46 35 1 1 3,04 6 Пайка 84 1 1 35 1 1 84 Разом 152,7 На основі отриманого значення обчислюємо величину СНВ: годин Значення ІБР за час за формулою (11): Отже, в результаті виконання оціночних розрахунків надійності розробленого КЦА отримані наступні показники: сумарна інтенсивність відмов всього автомату середній наробіток на відмову тисяч годин; імовірність безвідмовної роботи на протязі двох тисяч годин. Висновок В даному курсовому проекті було здійснено схемо технічне проектування комбінаційного цифрового автомату (КЦА), побудова логічної функції на основі вказаних наборів на яких вона набуває значення логічної 1. Логічна функція була спрощена методом К карт, та переведена до унітарного базису І-НІ. Правильність перетворень була провірена програмою Multisim. Для реалізації функції було прийнято рішення використати мікросхеми серії К155 на основі заданої напруги живлення (). Мікросхеми серії К155 добре документовані, що також посприяло на вибір типу мікросхем. Для спроектованого КЦА були розраховані наступні величини : потенціальні логічні рівні сумісні з рівнями для мікросхем ТТЛ (КЦА побудований на мікросхемах ТТЛ); власне енергоспоживання (середня споживана потужність), що становить 99,8 мВт; час затримки розповсюдження сигналу між входами і виходами не перевищує 66 нс; середній наробіток на відмову, що складає 654 тисяч годин; ймовірність безвідмовної роботи протягом однієї тисячі годин становить 0,996, що в свою чергу є дуже хорошим показником. Спроектований КЦА повністю відповідає поставленому технічному завданню. Перелік посилань 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, - 56с. Романычева Э.Т., Соколова Т.Ю., Шандурина Г.Ф. Инженерная и компьютерная графика. Учебник - 2-е изд., перераб. - М.: ДМК Пресс, 2001. -592с. Самофалов К.Г., Романкевич А.М. и др. Прикладная теория цифровых автоматов. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. – 375с. Г. Р. Аванесян, В. П. Лёвшин Интегральные микросхемы ТТЛ,ТТЛШ. Справочник. М.:Машиностроение, 1993. – 251с. Додатки

Пояснювальна записка до курсового проекту Комп’ютерна схемотехніка

virka

21.10.2012 18:10-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись