Разработка генератора кодовых последовательностей импульсов на интегральных схемах (стр. 3 из 4)
Рис. 2.6. Блок контроля заданной комбинации на логических элементах
2.2.4 Синтез блока контроля заданных комбинаций на мультиплексорах
Для построения блока контроля заданных комбинаций на мультиплексоре необходимо в таблицу истинности напротив заданной комбинации в столбце функции поставить «1», а остальные – «0», полученная таблица представлена в таб. 2.5.
Таблица 2.5
| X3 | X2 | X1 | X0 | Yз | № входа | информация |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | D0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | ||
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | D1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | ||
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | D2 | X0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | ||
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | D3 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | ||
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | D4 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | ||
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | D5 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | ||
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | D6 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | ||
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | D7 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
Рис. 2.7. Блок контроля заданной комбинации на мультиплексорах
2.3 Сравнительный анализ и выбор оптимального варианта функциональной схемы
Критерием оптимизации при выборе варианта схемы проектируемого устройства согласно заданию выступает минимум затрат аппаратуры. Для того, чтобы сравнить рассмотренные выше варианты реализации схемы по этому критерию, составим сводную таблицу потребного количества корпусов микросхем для каждого блока, для составления таблицы условно принято, что в одном корпусе микросхемы может содержаться несколько логических элементов, один функциональный четырехразрядный узел (к примеру, мультиплексор). Полученная таблица представлена ниже (таб. 2.6).
Таблица 2.6
| Блок | Вариант | Элемент | Количество элементов | Количество корпусов ИС |
| Генератор кодов | Счетчик + комбинационная схема на логических элементах | Счетчик СТ10 | 1 | 1 |
| НЕ | 3 | 1 | ||
| И(2вх) | 6 | 2 | ||
| И(3вх) | 2 | 1 | ||
| ИЛИ(2вх) | 1 | 1 | ||
| ИЛИ(3вх) | 2 | 1 | ||
| ИЛИ(4вх) | 1 | 1 | ||
| Итого | 8 | |||
| Счетчик + комбинационная схема на мультиплексорах | Счетчик СТ10 | 1 | 1 | |
| НЕ | 1 | 1 | ||
| MUX | 4 | 4 | ||
| Итого | 6 | |||
| Блок контроля ошибочных комбинаций | На логических элементах | НЕ | 3 | 1 |
| И(2вх) | 3 | 1 | ||
| ИЛИ(3вх) | 1 | 1 | ||
| Итого | 3 | |||
| На мультиплексорах | MUX | 1 | 1 | |
| Итого | 1 | |||
| Блок контроля заданных комбинаций | На логических элементах | НЕ | 2 | 1 |
| И(4вх) | 1 | 1 | ||
| Итого | 2 | |||
| На мультиплексорах | MUX | 1 | 1 | |
| Итого | 1 |
Проанализировав полученную таблицу можно сделать вывод, что генератор кодов, блок контроля ошибочных комбинаций и блок контроля заданных комбинаций целесообразнее проектировать на мультиплексорах, так как это приведет к минимуму аппаратных затрат.
3. Разработка принципиальной схемы
3.1 Выбор элементной базы
При выборе элементной базы вычислительного устройства следует руководствоваться комплексом показателей от быстродействия до конструктивно-технологического исполнения элементов. Исходными данными для обоснованного выбора элементов являются требования задания, где оговорены:
-тактовая частота генератора кодов (20±1)МГц;
-напряжение питания (5±0,25)B;
-условия эксплуатации.
Заданному диапазону температур данная элементная база удовлетворяет.
Таблица 3.1
| Параметры | ТТЛ | ТТЛШ | ЭСЛ | КМДП |
| Среднее время задержки сигнала tср, нс | 10¸30 | 5¸20 | 0,5¸2 | 15¸50 |
| Частота переключения Fmax, МГц | 15 | 25¸100 | 300 | 5 |
| Статические помехи, В | 0,4 | 0,4 | 0,125 | 0,3 |
| Напряжение питания Епит, В | 5 | 5 | -5,2 | 3¸15 |
Как видно из таблицы 3.1, что по питающему напряжению, условиям эксплуатации отвечают ИС: ТТЛ, ТТЛШ и КМДП. По частоте переключения условиям отвечают ТТЛШ и ЭСЛ. Поэтому для построения устройства выбираем элементы ТТЛШ, так как подходят под заданные условия эксплуатации по большим признакам (по двум), чем остальные элементы. Существует множество серий элементов ТТЛШ, например, К555, К1531, К1533, К155, К561 и т.д., отличающихся друг от друга значением различных характеристик. Для обеспечения нормальной работы устройства, с заданной частотой выработки импульсов, необходимо взять следующие типы микросхем: логический элемент И-НЕ – К555ЛА3, двоично-десятичный счетчик СТ10 – К1533ИЕ6, логический элемент НЕ – К1531ЛН1, мультиплексор MUX – К1531КП7.
3.2 Выбор схемы и расчет генератора тактовых импульсов
В зависимости от назначения и предъявляемых требований генератор тактовых импульсов можно выполнить на дискретных компонентах или на основе специализированной интегральной схемы.
Предпочтительным следует признать вариант исполнения генератора тактовых импульсов на основе логических микросхем, схема генератора тактовых импульсов при этом отличается простотой, надежностью и естественным сопряжением с выбранной системой цифровых элементов. Хотя в схеме и не достигается особая стабильность частоты импульсов, она в генераторе кодов и не требуется.
Рис. 3.1. Генератор тактовых импульсов на логических элементах
На рисунке 3.1 представлен вариант распространенной схемы ТТЛ автогенератора на логических элементах. В этой схеме инвертор D1 служит компаратором с порогом переключения порядка 1,4 В, а конъюнктор D2 обеспечивает общую положительную обратную связь в устройстве через конденсатор С, попутно решая задачу запуска и останова генерирования. Генератор вырабатывает импульсы с уровнями ТТЛШ типа «меандр» с равными длительностями полуволн и частотой
,причем сопротивление резистора R должно удовлетворять двум условиям:
где:UOH – выходное напряжение высокого уровня;
UTH – порог переключения;
IOH – выходной ток высокого уровня;
IОL – выходной ток низкого уровня.
На практике в зависимости от используемых ИС сопротивление R выбирают в пределах 200…400 Ом. Возьмем R=300 Ом, частота задана по заданию F=20 МГц, следовательно можно найти С, по описанной ранее формуле:
Выберем конденсатор типа К10-17 с ближайшим номиналом С равным 0,1нФ или 100пФ.
3.3 Расчет схемы начальной установки
Схема начальной установки (СНУ) предназначена для установки устройства в исходное состояние при включении питания, т.е. формирование единственного импульса для сброса последовательностных узлов. Длительность формируемого импульса должна быть, во всяком случае, больше времени установления питающего напряжения при его включении. Пусть импульс равен 0,1 с. Для того, чтобы исключить дребезг по фронтам импульса, построим СНУ на основе логических элементов.
Рис. 3.2. Схема начальной установки
При включении питания Е на конденсаторе С согласно закону коммутации вначале удерживается напряжение, близкое к нулю, а затем возникает процесс его заряда через резистор R в соответствии с выражением:
При
следует: 
Сопротивление резистора R выбирается таким, чтобы в статике обеспечивался высокий логический уровень на входе, т.е.
Выбрав номинал R равным 100 кОм, найдем необходимое значение емкости С:
Большинство конденсаторов такой емкости выпускаются по ряду Е12, поэтому выберем ближайший номинал С равным 1 мкФ.
3.4 Расчет конденсаторов развязки по цепи питания
Идея применения конденсаторов развязки для уменьшения импульсных помех заключается в уменьшении эквивалентной паразитной индуктивности шин питания (5V) и земли (0V) путем создания индивидуального источника энергии для обеспечения тока потребления в момент переключения микросхем. Обычно применяют индивидуальные конденсаторы развязки керамического типа для устранения помех из-за «быстрых» бросков тока в цепи питания, которые устанавливаются рядом с каждой микросхемой, и групповые конденсаторы развязки электролитического типа для исключения «медленных» колебаний питающего напряжения. Емкость конденсатора индивидуальной развязки выбирают из условия: