Устройство управления синхронного цифрового автомата
Введение.
Характернаячерта научно-техническогопрогресса,определяющегодальнейшиймощный подъёмобщественно-техническогопроизводства:широкое внедрениедостиженийвычислительнойи микропроцессорнойтехники во всеотрасли народногохозяйства.Решение задачнаучно-техническогопрогрессатребует применениясредств вычислительнойтехники наместах экономистов,инженеров,экономическогоперсонала.
В связис постояннымвозрастаниеммасштабовпроизводства,усложнениемэкономическихсвязей, требованийнаучно-техническойреволюции внародном хозяйствевсё большевозникаютпотребностив автоматизациии компьютеризацииэкономикистраны, чтоявляется необходимымусловием длявыхода Украинына мировойрынок.
Особоезначение получаетразработкаавтоматическихсистем управлениятехнологическимии производственнымипроцессамии оснащенияих роботами-манипуляторами,приборамиуправленияи контроля.
Автоматизацияи роботизацияпроизводства— замена человеческоготруда трудоммашин, автоматови роботов позволяетво много разповыситьпроизводительностьтруда и качествопродукции.Внедрениеавтоматизациии роботизациипозволяет вомного раз повыситьпроводитьразличныеработы в техотраслях хозяйства,где использованиечеловеческоготруда являетсянеприемлемымиз-за опасностидля жизни издоровья рабочих.Кроме того,точность выполненияработы, производимоймашиной намноговыше точностиработы, выполненнойчеловеком, чтоделает необходимымприменениероботов и автоматовпри изготовленииминиатюрнойи высокоточнойпродукции.
Нороботы и автоматы— всего лишьмеханизмы,приводимыев действиемеханическойлибо иным видомэнергии. Очевидно,что для использованияэтих механизмовтребуютсяспециальныесистемы управления.До изобретенияЭВМ, эти функциивозлагалисьлибо на человека,либо на сложныеи громоздкиемеханическиесистемы, из-зачего редкоудавалосьдостичь высокойточности, крометого, это требовалобольших затратфинансовыхсредств и энергии,что приводилок повышениюсебестоимостипродукции.
Другойсторонойнаучно-техническогопрогрессаявилось развитиенауки, котораяявляется основойдля роста новыхтехнологийи видов производства,которые, в своюочередь, стимулируютразвитие науки.Нетрудно понять,что с развитиемнауки, всё болееусложняетсясуть явлений,рассматриваемыхею, а, посколькупрактическилюбое явлениеможно анализироватьпри помощиматематики,то усложняютсяи расчёты,выполняемыечеловеком.
Поэтому,ещё с древнейшихвремён человекстарался облегчитьпроцесс математическихвычислений.Сначала дляэтих целейиспользовались10 пальцев иподручныепредметы, затем— счёты, и, наконец,с изобретенияв XVIIвеке Блез Паскалемпервой суммирующейи вычитающеймашины, начинаетсяистория развитиявычислительнойтехники. Сразработкойв 1910 году первойЭВМ удалосьрешить массупроблем, особеннов областиматематическихи статистическихрасчётов, которыечеловек не могосуществитьс такой точностьюи скоростью,которые обеспечивалавычислительнаятехника.
Первыепоколения ЭВМсоздавалисьа основе электронныхламп, затем —транзисторов,и, поэтому, из-засвоей высокойстоимости ненаходили широкогоприменения.
Лишьв 1959 году, когдаР. Нойс изобрёлмикросхему,значительноснизиласьсебестоимость,потребляемаямощность, габаритыи сложностьЭВМ, что способствовалоих популяризациии всеобщемураспространению,особенно всфере управленияпроизводством.
Достижениямикроэлектроннойтехнологиипозволилозначительнорасширитьвозможностивсех классовЭВМ.
Простотаи гибкостьиспользованиякомпьютеров,в большей мереобусловленаприменениемпрограммногообеспечения,что позволяетбыстро и снаименьшимизатратамиизменитьпредназначениеЭВМ.
Донастоящеговремени былиразработаны4 поколенияЭВМ, причёмпервые 3 уже неиспользуются.Четвёртоепоколение ЭВМ,созданное наосновесверхбыстрыхБИС способновыполнять сотнимиллионовопераций всекунду.
Успехив развитиимикропроцессорови микро-ЭВМознаменовалисьсозданиемнового классасредств вычислительнойтехники —персональныхкомпьютеров,в которых удачносочетаютсяудобство, малыегабариты, простотаиспользованияи широкая сфераприменениясо сравнительнонизкой стоимостью.
ИспользованиеПК во многихслучаях позволяетповыситьпродуктивностьи качествотруда. ТакиеЭВМ имеют довольнопонятный интерфейс,благодаря чемуработа с нимине требуетособой подготовки.Широкий спектрпрограммногообеспечениядаёт возможностьбыстро изменитьназначениеданной ЭВМ.
Существуети быстро пополняетсямножестворазличныхмоделейперсональныхкомпьютеров.В новых моделях,которые предоставляютсяпользователю,возможностибыстро расширяются,в первую очередьза счёт увеличенияпроизводительностипроцессоров,ёмкостей основнойи внешней памяти,повышениякачества игибкости электроннойграфики, качествапечати и т. д.
Сейчас,наряду сусовершенствованиемперсональныхЭВМ, широковедутся разработкив областиискусственногоинтеллекта,который позволилбы компьютерусамостоятельноприниматьрешения, нетребуя при этомвмешательствачеловека.
Основойдля разработкиследующего(пятого) поколенияЭВМ станут всёбольшаяминиатюризацияи внедрениебиотехнологий.
Принципработы любойЭВМ основанна проведенииопераций надчислами, представленнымидвоичными (реже— двоично-десятеричнымиили другими)кодами в видесовокупностинизких и высокихуровней напряженийили токов. Также,но значительнореже, встречаютсяЭВМ, оперирующиеаналоговойинформацией.Поэтому нааппаратномуровне ЭВМпредставленадвумя видамисхем — комбинационнымилогическимисхемами и цифровымиавтоматами,структуракоторых зависитот того, какуюиз составныхчастей ЭВМ ониреализуют иот назначенияЭВМ в целом.
ПрипроектированииЭВМ и вычислительныхсистем значительноевнимание придаютвыбору операционныхблоков АЛУ дляреализациизаданных логическихи арифметическихопераций
Развитиеэлектроннойвычислительнойтехники, информатикии примененияих средств иметодов в народномхозяйстве,научных исследованиях,образованиии иных сферахчеловеческойдеятельностиявляется наданный моментприоритетнымнаправлениемразвитиянаучно-техническогопрогресса. Этоприводит кнеобходимостиширокой подготовкиспециалистовпо электроннымвычислительныммашинам, системами сетям, программномуобеспечениюи прикладнойматематике,автоматизированнымсистемам обработкиданных и управления,а также другимнаправлениям,связанным синтенсивнымиспользованиемвычислительнойтехники. Всемэтим специалистамнеобходимыдостаточноглубокие знанияпринциповпостроенияи функционированиясовременныхэлектронныхвычислительныхмашин, комплексов,систем и сетей,микропроцессорныхсредств, персональныхкомпьютеров.Такие знаниянеобходимыне толькоспециалистамразличныхобластейвычислительнойтехники, но илицам, связаннымс созданиемпрограммногообеспеченияи применениемЭВМ в различныхобластях, чтоопределяетсятесным взаимодействиемаппаратныхи программныхсредств ЭВМ,тенденцийаппаратнойинтеграциисистемных испециализированныхпрограммныхпродуктов, чтопозволяетдостичь увеличенияпродуктивности,надёжности,функциональнойгибкости, большейприспособленностивычислительныхмашин и системк эксплуатационномуобслуживанию.
Заданиемна данный курсовойпроект являетсяпроектированиедля некоторогоцифровогоавтомата устройствауправленияна основе жёсткойлогики, формирующегона десяти выходныхшинах последовательностицифровых управляющихсигналов позаданным кодаммикрокоманд.
Введение.
Характернаячерта научно-техническогопрогресса,определяющегодальнейшиймощный подъёмобщественно-техническогопроизводства:широкое внедрениедостиженийвычислительнойи микропроцессорнойтехники во всеотрасли народногохозяйства.Решение задачнаучно-техническогопрогрессатребует применениясредств вычислительнойтехники наместах экономистов,инженеров,экономическогоперсонала.
Всвязи с постояннымвозрастаниеммасштабовпроизводства,усложнениемэкономическихсвязей, требованийнаучно-техническойреволюции внародном хозяйствевсё большевозникаютпотребностив автоматизациии компьютеризацииэкономикистраны, чтоявляется необходимымусловием длявыхода Украинына мировойрынок.
Особоезначение получаетразработкаавтоматическихсистем управлениятехнологическимии производственнымипроцессамии оснащенияих роботами-манипуляторами,приборамиуправленияи контроля.
Автоматизацияи роботизацияпроизводства— замена человеческоготруда трудоммашин, автоматови роботов позволяетво много разповыситьпроизводительностьтруда и качествопродукции.Внедрениеавтоматизациии роботизациипозволяет вомного раз повыситьпроводитьразличныеработы в техотраслях хозяйства,где использованиечеловеческоготруда являетсянеприемлемымиз-за опасностидля жизни издоровья рабочих.Кроме того,точность выполненияработы, производимоймашиной намноговыше точностиработы, выполненнойчеловеком, чтоделает необходимымприменениероботов и автоматовпри изготовленииминиатюрнойи высокоточнойпродукции.
Нороботы и автоматы— всего лишьмеханизмы,приводимыев действиемеханическойлибо иным видомэнергии. Очевидно,что для использованияэтих механизмовтребуютсяспециальныесистемы управления.До изобретенияЭВМ, эти функциивозлагалисьлибо на человека,либо на сложныеи громоздкиемеханическиесистемы, из-зачего редкоудавалосьдостичь высокойточности, крометого, это требовалобольших затратфинансовыхсредств и энергии,что приводилок повышениюсебестоимостипродукции.
Другойсторонойнаучно-техническогопрогрессаявилось развитиенауки, котораяявляется основойдля роста новыхтехнологийи видов производства,которые, в своюочередь, стимулируютразвитие науки.Нетрудно понять,что с развитиемнауки, всё болееусложняетсясуть явлений,рассматриваемыхею, а, посколькупрактическилюбое явлениеможно анализироватьпри помощиматематики,то усложняютсяи расчёты,выполняемыечеловеком.
Поэтому,ещё с древнейшихвремён человекстарался облегчитьпроцесс математическихвычислений.Сначала дляэтих целейиспользовались10 пальцев иподручныепредметы, затем— счёты, и, наконец,с изобретенияв XVII векеБлез Паскалемпервой суммирующейи вычитающеймашины, начинаетсяистория развитиявычислительнойтехники. Сразработкойв 1910 году первойЭВМ удалосьрешить массупроблем, особеннов областиматематическихи статистическихрасчётов, которыечеловек не могосуществитьс такой точностьюи скоростью,которые обеспечивалавычислительнаятехника.
Первыепоколения ЭВМсоздавалисьа основе электронныхламп, затем —транзисторов,и, поэтому, из-засвоей высокойстоимости ненаходили широкогоприменения.
Лишьв 1959 году, когдаР. Нойс изобрёлмикросхему,значительноснизиласьсебестоимость,потребляемаямощность, габаритыи сложностьЭВМ, что способствовалоих популяризациии всеобщемураспространению,особенно всфере управленияпроизводством.
Достижениямикроэлектроннойтехнологиипозволилозначительнорасширитьвозможностивсех классовЭВМ.
Простотаи гибкостьиспользованиякомпьютеров,в большей мереобусловленаприменениемпрограммногообеспечения,что позволяетбыстро и снаименьшимизатратамиизменитьпредназначениеЭВМ.
Донастоящеговремени былиразработаны4 поколенияЭВМ, причёмпервые 3 уже неиспользуются.Четвёртоепоколение ЭВМ,созданное наоснове сверхбыстрыхБИС способновыполнять сотнимиллионовопераций всекунду.
Успехив развитиимикропроцессорови микро-ЭВМознаменовалисьсозданиемнового классасредств вычислительнойтехники —персональныхкомпьютеров,в которых удачносочетаютсяудобство, малыегабариты, простотаиспользованияи широкая сфераприменениясо сравнительнонизкой стоимостью.
ИспользованиеПК во многихслучаях позволяетповыситьпродуктивностьи качествотруда. ТакиеЭВМ имеют довольнопонятный интерфейс,благодаря чемуработа с нимине требуетособой подготовки.Широкий спектрпрограммногообеспечениядаёт возможностьбыстро изменитьназначениеданной ЭВМ.
Существуети быстро пополняетсямножестворазличныхмоделей персональныхкомпьютеров.В новых моделях,которые предоставляютсяпользователю,возможностибыстро расширяются,в первую очередьза счёт увеличенияпроизводительностипроцессоров,ёмкостей основнойи внешней памяти,повышениякачества игибкости электроннойграфики, качествапечати и т. д.
Сейчас,наряду сусовершенствованиемперсональныхЭВМ, широковедутся разработкив областиискусственногоинтеллекта,который позволилбы компьютерусамостоятельноприниматьрешения, нетребуя при этомвмешательствачеловека.
Основойдля разработкиследующего(пятого) поколенияЭВМ станут всёбольшая миниатюризацияи внедрениебиотехнологий.
Принципработы любойЭВМ основанна проведенииопераций надчислами, представленнымидвоичными (реже— двоично-десятеричнымиили другими)кодами в видесовокупностинизких и высокихуровней напряженийили токов. Также,но значительнореже, встречаютсяЭВМ, оперирующиеаналоговойинформацией.Поэтому нааппаратномуровне ЭВМпредставленадвумя видамисхем — комбинационнымилогическимисхемами и цифровымиавтоматами,структуракоторых зависитот того, какуюиз составныхчастей ЭВМ ониреализуют иот назначенияЭВМ в целом.
ПрипроектированииЭВМ и вычислительныхсистем значительноевнимание придаютвыбору операционныхблоков АЛУ дляреализациизаданных логическихи арифметическихопераций
Развитиеэлектроннойвычислительнойтехники, информатикии примененияих средств иметодов в народномхозяйстве,научных исследованиях,образованиии иных сферахчеловеческойдеятельностиявляется наданный моментприоритетнымнаправлениемразвитиянаучно-техническогопрогресса. Этоприводит кнеобходимостиширокой подготовкиспециалистовпо электроннымвычислительныммашинам, системами сетям, программномуобеспечениюи прикладнойматематике,автоматизированнымсистемам обработкиданных и управления,а также другимнаправлениям,связанным синтенсивнымиспользованиемвычислительнойтехники. Всемэтим специалистамнеобходимыдостаточноглубокие знанияпринциповпостроенияи функционированиясовременныхэлектронныхвычислительныхмашин, комплексов,систем и сетей,микропроцессорныхсредств, персональныхкомпьютеров.Такие знаниянеобходимыне толькоспециалистамразличныхобластейвычислительнойтехники, но илицам, связаннымс созданиемпрограммногообеспеченияи применениемЭВМ в различныхобластях, чтоопределяетсятесным взаимодействиемаппаратныхи программныхсредств ЭВМ,тенденцийаппаратнойинтеграциисистемных испециализированныхпрограммныхпродуктов, чтопозволяетдостичь увеличенияпродуктивности,надёжности,функциональнойгибкости, большейприспособленностивычислительныхмашин и системк эксплуатационномуобслуживанию.
Заданиемна данный курсовойпроект являетсяпроектированиедля некоторогоцифровогоавтомата устройствауправленияна основе жёсткойлогики, формирующегона десяти выходныхшинах последовательностицифровых управляющихсигналов позаданным кодаммикрокоманд.
Общаячасть.
Преобразованиеинформациив ЭВМ производитсяэлектроннымисхемами двухтипов: комбинационнымисхемами и цифровымиавтоматами(накапливающимиили последовательностнымисхемами).
Болеесложный класспреобразователейдискретнойинформации составляютцифровые автоматы.ЦА в отличиеот комбинационнойсхемы имеетнекотороеконечное числоразличныхвнутреннихсостояний.
Подвоздействиемвходного словаЦА переходитиз одного состоянияв другое и выдаётвыходное слово.Выходное словов такте на выходеЦА в общем случаеопределяетсявходным словом,поступившемна вход автоматав этот такт ивнутреннимсостояниемавтомата, котороеявилось результатомвоздействияна автоматвходных словв предыдущиетакты.
Комбинациявходного словаи текущегосостоянияавтомата вданном случаеопределяетне только входноеслово, но и тосостояние, вкоторое автоматперейдёт кначалу следующеготакта.
ВЭВМ в качествеэлементарныхавтоматовиспользуютсяглавным образомтриггеры. Особенностипостроенияцифровых устройствсвязаны соспособом передачиинформациимежду логическимиэлементами.
Основныепонятия теорииавтоматов.
Вданной частикурсовогопроекта будутрассмотренынекоторые видыцифровых автоматов,принципы ихпостроенияи их различия,в зависимостиот вида. Углубленнаяпроработкаданного вопросанеобходимадля оптимальногорешения заданиякурсовогопроекта.
Терминавтомат, какправило, используетсяв двух аспектах.В первом случае,автомат это устройство,выполняющеенекоторыефункции безнепосредственногоучастия человека.Исходя из этогоопределения,можно сказать,что ЭВМ — автомат,так как послезагрузки программыи исходныхданных ЭВМрешает заданнуюзадачу безучастиячеловека. Вовтором случае,термин "автомат"как математическоепонятие обозначаетматематическуюмодель реальныхтехническихавтоматов.В этом аспектеавтомат представляетсякак "чёрныйящик", имеющийконечное числовходов и выходови некотороемножествовнутреннихсостояний Q= {q1(t),q2(t)... qn(t)},в которые онпод воздействиемвходных сигналовпереходитскачкообразно,т. е. практическимгновенно,минуя промежуточноесостояние. Ноэто условиеидеализированно,посколькуочевидно, чтореальный переходныйпроцесс длитсяконечное время.
Автоматназываетсяконечным,если множествоего внутреннихсостоянийи множествозначений входныхсигналов —конечныемножества.
Впрактике частоиспользуетсяпонятие цифровогоавтомата,под которымпонимают устройство,предназначенноедля преобразованияцифровой информации.
Входныесигналы в цифровыхавтоматахпредставляютсяв видеконечногомножествамгновенныхсигналов. Вцелях упрощениярассмотренияпроцессов,происходящихв цифровыхавтоматах,поскольку всесобытия (состояния)должны относитьсяк фиксированномумоменту времениt, то теоретическисчитают, чтовходные сигналыне имеют длительности,но реально этоне так. Условнотакже принимается,что число выходныхсигналов y(t)конечно и онивозникают врезультатедействия входныхсигналов.При этом следуетучитывать, чтоодновременнос появлениемвыходногосигнала происходитскачкообразныйпереход автоматаиз состоянияq1(t)в состояниеq2(t).
П
устьимеется цифровойавтомат с однимвходом:
Рис.1. Абстрактныйавтомат с однимвходоми однимвыходом
Математическоймоделью цифровогоавтомата являетсяабстрактныйавтомат, заданныйсовокупностьюшести объектов:
1)конечноемножество Хвходных сигналов(входной алфавитавтомата):
Х={x1(t),x2(t)… хn(t)};
2) конечноемножество Yвыходных сигналов(выходной алфавитавтомата):
Y={y1(t), y2(t)… yk(t)};
3) произвольноемножество Qсостоянийавтомата:
Q={q1(t),q2(t)… qs(t)};
4)начальноесостояниеавтомата q0,как элементмножества Q:
q0(t)Q;
5)функция(q,x) (функцияпереходаавтомата изодного состоянияв другое);
6)функция (q,х)(функциявыходовавтомата).
Черезпонятие "абстрактныйавтомат" реализуетсянекотороеотображениемножества словвходного алфавитаХ во множествослов выходногоалфавита Y.
Понятиесостоянияавтоматаиспользуетсядля описаниясистем, выходыкоторых зависятне только отвходных сигналовв данныймомент времени,но и от некоторойпредыстории,т. е. сигналов,которые поступилина входы системыранее. Состояниеавтоматасоответствуетнекоторойпамяти о прошлом,позволяя устранитьвремя какявную переменнуюи выразитьвыходные сигналыкак функциюсостояний ивходных сигналов.
Времядля цифровогоавтомата имееттакже важноезначение.Для решениязадач анализаи синтеза цифровыхавтоматовобычно вводитсяавтоматноевремя. Функционированиеавтоматарассматриваетсячерез дискретныеинтервалывремени конечнойпродолжительности(интервалдискретности).
Существуетдва способавведения автоматноговремени, покоторым цифровыеавтоматы делятна два класса.В синхронныхавтоматахмоменты времени,в которых фиксируютсяизменениясостоянийавтомата, задаютсяспециальнымустройством— генераторомсинхросигналов,выдающим импульсычерез равныепромежуткивремени (постоянныйинтервалдискретности).В асинхронныхавтоматахмоменты переходаавтомата изодного состоянияв другоезаранее неопределеныи зависят откаких-то событий.В таких автоматахинтервал дискретностиявляется переменным.
Общаятеория автоматовпри сделанныхвыше допущенияхразбиваетсяна две большихчасти — абстрактнуютеорию цифровыхавтоматови структурнуютеорию автоматов.Различие междуними заключаетсяв том, что вабстрактнойтеории мы отвлекаемсяот структуры,как самогоавтомата, таки его входныхи выходныхсигналов.
Автоматыклассифицируютпо двум наиболеераспространеннымпризнакам:
1.Объемпамяти. Памятьюавтоматаназывают числоего состояний.
2.Механизмслучайноговыбора. В детерминированныхавтоматахповедениеи структураавтомата вкаждый моментвремениоднозначноопределенытекущей входнойинформациейи состояниемавтомата. Ввероятностныхавтоматах онизависят отслучайноговыбора.
Втеории автоматовустановлено,что для осуществленияразличныхпреобразованийинформациисовсем не обязательнокаждый разстроить новыеавтоматы: впринципе этоможно сделатьна универсальномавтомате спомощью программыи соответствующегокодирования.
Втеории автоматовнаиболее полноописаны синхронныеавтоматы. Взависимостиот способаопределениявыходногосигнала всинхронныхавтоматахсуществуетдве возможности:
1)выходнойсигнал y(t)однозначноопределяетсявходнымсигналомx(t)и состояниемq(t-1)автомата впредшествующиймомент;
2)выходнойсигнал y(t)однозначноопределяетсявходнымсигналомx(t)и состояниемq(t)в данный моментвремени. Следовательно,закон функционированияабстрактногоавтомата можетбытьзадан следующимобразом:
для автоматапервого рода
q(t)=(q(t-1),х(t)),
y(t)=(q(t-1),x(t), t=1, 2…);
дляавтомата второгорода
q(t)=(q(y-1),x(t)),
y(t)=(q(t),x(t)), t=1,2...).
Длякаждого автоматаSвторого родасуществуетэквивалентныйему абстрактныйавтомат Rпервогорода,функциявыходов которогополучаетсяв результатеподстановкифункциипереходовавтомата Sв егосдвинутуюфункцию выходов:
1(q,x)=((q,х), x).
Длядальнейшегоизложенияпримем, чтопроизвольныеавтоматы первогорода будутназыватьсяавтоматамиМили, а частныйслучай автоматоввторого рода,для которыхсдвинутаяфункция выходов(q,х) не зависитот второй переменнойх — автоматамиМура.
Законфункционированияавтоматов Муразадается ввиде:
q(t)=(q-1),x(t)),
y(t)=(q(t)).
Вотличие отавтомата Мили,выходной сигналв автомате Муразависит толькоот текущегосостоянияавтомата и вявном виде независит отвходного сигнала.
Совмещеннаямодель автомата(C-автомат).АбстрактныйC-автомат— математическаямодель дискретногоустройства,для которогозаданы следующиепараметры:
Q={q1... qs}—множествосостояний;
X={x1(t)... xn(t)}—входнойалфавит;
Y={y1(t)...yk(t)}—выходнойалфавит типа1;
U={u1(t)...um(t)}—выходнойалфавит типа2;
:QXQ—функцияпереходов,реализующаяотображениеDQXв Q,
l:QXY—функциявыходов, реализующаяотображениеD1QXнаУ;
2:QU— функциявыходов, реализующаяотображениеD2Qна U,
q0Q—начальноесостояниеавтомата.
Р 
ис.2. Совмещённаямодель автоматас одним входоми двумя выходами.
АбстрактныйC-автоматможно представитьв виде устройствас одним входом,на которыйпоступаютсигналы извходного алфавитаX, и двумя выходами,на которыхпоявляютсясигналы извыходныхалфавитов Yи U (рис. 2).
ОтличиеC-автоматаот моделей Милии Мура состоитв том, чтоон одновременнореализует двефункции выходов1и 2,каждая изкоторых характернадля этих моделейв отдельности.
ПримеромЦА могут служитьмногосчётчиковыебухгалтерскиеавтоматы "Аската".
Автомат"Аската" относитсяк группе машиндвухпериодногодействия, — запервый периодосуществляетсянабор цифр наклавиатуре,за второй —печать цифровыхданных на бумагеи подсчёт чиселв счётчикахмашины.
Техническиехарактеристикии эксплуатационныеданные автоматов:количествосчётчиков, взависимостиот моделей —от 3 до 55, три изних — сальдирующиедля сложенияи сальдированияитогов и 52 —накапливающиесчётчики (регистры),выполняющиевычитание донуля. Отрицательноесодержаниеэтих счётчиковможет бытьзаписанодополнительнымкодом. Все счетчикиавтомата имеютёмкость 12-разрядногодесятеричногоарифметическогочисла. Максимальнаяёмкость вводногоустройства(цифровая клавиатураи наборнаякаретка) равна10-разрядномучислу. Программированиеи управлениеавтоматомосуществляетсяпри помощисменной шиныуправления,закреплённойна подвижнойчасти каретки.
Итак,проанализироваввышеизложеннуюинформациюможно определитьвозможную сферупримененияпроектируемогоустройства:оно может бытьиспользованодля формированияуправляющихслов при исследованиикакого-либосинхронногоцифровогоавтомата, напримерна учебныхлабораторныхстендах, во-вторых,не исключенавозможностьпримененияданного устройствав системахавтоматическогоуправлениятехнологическимипроцессами,где сигналы,снимаемые свыходной шинымогут подаватьсяна различныемеханизмы иустройства,либо на входыЦАП. Применениеустройствав данной сфереудобно тем, чтодля началапроцесса необходимолишь запуститьсчётчик, а остальныеоперации будутпроизводитьсяавтоматически.
Крометого, это устройствоявляется нагляднымпримером возможностейиспользованияавтоматикии вычислительнойтехники в народномхозяйстве.
Специальнаячасть.
3.1.Определениезадачи.
Иззадания накурсовоепроектированиеопределим сутьзадачи: длянекоторогосинхронногоцифровогоавтомата необходимоспроектироватьустройствоуправленияна основе жёсткойлогики, котороев соответствиис заданнымикодами микрокомандформирует навыходнойдесятиразряднойшине управляющуюпоследовательностьцифровых сигналов.
3.2. Разработкаструктурнойсхемы проектируемогоустройства.
Первымшагом проектированияустройстваявляется разработкаструктурнойсхемы.
Цифровойавтомат являетсясинхроннымцифровым устройством,сохраняющимсвоё значениев каждом такте.Следовательно,для запоминаниясостоянияцифровогоавтомата вустройствеуправлениядолжно бытьпредусмотреноналичие запоминающихэлементов —триггеров.Дляформированияуправляющихсигналов, которыевыставляютсяна выходнойшине устройства,в соответствиес кодом микрокомандыв состав УУдолжна входитькомбинационнаялогическаясхема — шифратор.
ДляобеспеченияУУ автоматическогопоследовательногопереключенияв 4 различныесостояния,необходимасхема, обеспечивающаяформированиесигналов обратнойсвязи, переводящиеУУ в следующеесостояние.
И
сходяиз определённыхвыше требований,структура УУможетвыглядеть так:
3.3. Разработкафункциональнойсхемы устройства.
Послеопределенияструктуры УУи функций каждымэлемента имеютсявсе необходимыеданные дляразработкифункциональнойсхемы устройства.
Иззадания ясно,что УУ должнона выходнойшине формироватьуправляющиепоследовательностикодов в соответствиес кодами микрокоманд.Следовательно,для разработкифункциональнойсхемы необходимоопределитькоды микрокоманди управляющихпоследовательностейпо заданнымпреподавателемформулам.
Кодымикрокомандопределяютсяпо формулам:
Nmk1=Nж+20
Nmk2=Nmk1+2
Nmk3=Nmk2+2
Nmk4=Nmk3+2,
где Nж— номер студентапо списку вжурнале, Nmk1,Nmk2,Nmk3,Nmk4— коды 4-хмикрокоманд.
Итак,рассчитываемкоды микрокоманд,исходя из того,что Nж=21:
Nmk1=21+20=41D=101001B,
Nmk2=41+2=43D=101011B,
Nmk3=43+2=45D=101101B,
Nmk4=45+2=47D=101111B.
СостоянияУУ фиксируютсяи сохраняютсяв параллельном6-разрядномрегистре, построенномна синхронныхJK-триггерах,где вход Jпереводиттриггер в состояние(Q=1,Q=0),а вход K— в состояние(Q=0,Q=1).Запись информациив триггер происходит при наличиисигналов либона входеJ, либона входе Ктриггера и лишьтолько в моментдействия тактирующегоимпульса С(C=1). Такжев триггерахимеются инверсныеасинхронныевходыSиR,которые используютсяпри начальнойустановкетриггеров висходное состояниеL1 (S=0),либо L0(R=0).ПосколькувходыRиSинверсные,то их срабатываниепроисходитв момент наличияна них сигнала,имеющего уровеньL0. Так какэти входы асинхронны,то они позволяютустанавливатьтриггер в исходноесостояние влюбой моментвремени, независимоот уровня тактовогоимпульса C.
Сигналыобратной связи,определяющиеследующеесостояниерегистра, формируютсяс помощьюдешифраторовсостояниярегистра (ДС).Они выполняютсяна логическихэлементах И,причём единичныйсигнал на выходекаждого ДСформируетсяв ответ на некоторуюединственнуювходную комбинацию.
Начальноесостояниерегистра определяетсякодом первойМК и фиксируетсяв регистрепутем установкив состояниеединицы соответствующихкоду разрядоврегистра.Установкапроизводитсясигналамилогическогонуля(L0)по асинхроннымвходамS.При этом навыходе дешифраторасостояниярегистра ДС1формируетсясигнал обратнойсвязи, переводящийрегистр в следующеезаданное состояние,соответствующеекоду микрокомандыNmk2.В следующеесостояниерегистр переводитсяс подачейсинхроимпульса.После этогоформируетсясигнал обратнойсвязи уже навыходе дешифратораДС2и в регистрпомещаетсякод микрокомандыNmk3и т. д. СигналомДС4регистр сбрасываетсяв состояниеL0по установочнымвходамRчерез инвертор,выполняющийтакже рольэлемента задержки.
Шифраторпредставляетсобой комбинационноеустройствос шестью входамии десятью выходами,который преобразуеткоды состояниярегистра вкоды выходныхуправляющихсигналов.
Синхронизирующееустройствосостоит иззадающегогенераторатактовой частотыЗГи ключа, обеспечивающегопрохождениесинхроимпульсовна регистр лишьпосле установкикодаNmk1.Ключевая схемасостоит изасинхронноговспомогательногоRS-триггераТ7и элемента И.Триггер Т7устанавливаетсяв состояниеL1после подачисигнала с ДС1и отпираетключ, выполненныйна элементеИ— сигналы с ЗГпоступают натактовые входырегистра. Сигналомс ДС4триггер сбрасываетсяв состояниеL0и запирает ключна элементеИ,после чегопрохождениеСИ на тактовыевходы регистрапрерывается.
Какбыло определеновыше, код первоймикрокомандыNmk1=101001B.Следовательно,начальноесостояниеустанавливаетсяподачей сигналанулевого уровняна S-входытриггеров Т1,Т4,Т6(S1,S4,S6).
Н
авходы дешифраторасостояниярегистра подаютсясигналы прямыхлибо инверсныхвыходов триггеров,в зависимостиот того,на каком из нихв данный моментимеется уровеньL0.Соответственнокодам состоянияУУ, дешифраторыреализуютследующиефункции:
Составимтаблицу переходов:
Кодсостояния | Двоичныйкод состояния | Переход | Адресподачи сигналаобратной связи |
Начало | 000000 | 041 | Вх.S1,S4, S6 |
| 41 | 101001 | 4143 | ДС1– J2 |
| 43 | 101011 | 4345 | ДС2– J3,K2 |
| 45 | 101101 | 4547 | ДС3– J2 |
| 47 | 101111 | 470 | ДС4– R1,R2, R3, R4, R5, R6 |
Иззаписи двоичныхкодов состояний41 и 43, видно, чтодля переходаиз состояния41 в состояние43 необходимотриггер второгоразряда Т2перевести всостояние L1по входу J2.Сигналы обратнойсвязи для остальныхпереходовопределяютсяаналогичнымобразом. Следуетотметить, чтоесли на одиниз входов сигналпоступаетнесколько раз,то на этот входставится элементИЛИ с соответствующимколичествомвходов.
Далеенеобходиморазработатьсхему шифратора.На его входподаются сигналыс выходов регистраQ1, Q2,Q3, Q4,Q5, Q6,а на выходахформируютсядесятиразрядныекодовые управляющиепоследовательности.
Значениявыходных сигналовопределяютсяпо формулам,заданнойпреподавателем.Формула имеетследующий вид:
УКП1=Nж+600,
УКП2=УКП1+1,
УКП3=УКП2+10,
УКП4=УКП3+100,
где УКП1,УКП2, УКП3, УКП4— выходныекодовые последовательности.Определим ихзначения (какбыло указановыше, Nж=21):
УКП1=21+600=621D=1001101101B,
УКП2=621+1=622D=1001101110B,
УКП3=622+10=632D=1001111000B,
УКП4=632+100=732D=1011011100B.
Составляемтаблицу работышифратора:
| Кодсост. рег. | X6 | X5 | X4 | X3 | X2 | X1 | Кодупр. сигн. | Y10 | Y9 | Y8 | Y7 | Y6 | Y5 | Y4 | Y3 | Y2 | Y1 |
| 41 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 621 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 43 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 622 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 45 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 632 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 47 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 732 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Такимобразом, получениетабличноезадание логическихфункций Y10...Y1.Для их реализацииих можно представитьв алгебраическойформе и, повозможностиминимизироватьс помощью диаграммВейча.
Однако,после детальногорассмотрениятаблицы можноприйти к выводу,что некоторые из функцийявляются весьмапростыми и нетребуют дальнейшейминимизации.Так, видно, что состояниевыходногосигнала Y10соответствуетсостояниювходных сигналовX1,X4и X6.Примем Y10=X1.Далее, видно,что выходнойсигнал Y9не меняетсяна протяжениивсех тактови имеет значениеL0, тогдаY9=0.Сигнал Y7всегда равенсигналуY10:Y7=Y10.Из сопоставлениясигналовY8и Y6видно, чтоY6=Y8и Y6=0в случае сбросаустройства,тогда: Y6=Y8X1.Также можноутверждать,что Y5=X3.
Переключательныефункции же длясигналов Y1,Y2,Y3,Y4и Y8необходимоминимизироватьпри помощи картКарно. Для этогонеобходимосоставить картуКарно размером88 ячеек,посколькузначения выходныхсигналов зависятот 6-ти переменных,то X3X2X1откладываютпо столбцам,а X6X5X4— по строкам.
Строимкарту Карнодля переменнойY1:
011 | 010 | 000 | 001 | 101 | 100 | 110 | 111 | |
011 | x | x | x | x | x | x | x | x |
010 | x | x | x | x | x | x | x | x |
000 | x | x | 0 | x | x | x | x | x |
001 | x | x | x | x | x | x | x | x |
101 | 0 | x | x | 1 | 0 | x | x | 0 |
100 | x | x | x | x | x | x | x | x |
110 | x | x | x | x | x | x | x | x |
111 | x | x | x | x | x | x | x | x |
K1=X3X2X1;
Y1=K1=X3X2X1.
Строимкарту Карнодля сигналаY2:
011 | 010 | 000 | 001 | 101 | 100 | 110 | 111 | |
011 | x | x | x | x | x | x | x | x |
010 | x | x | x | x | x | x | x | x |
000 | x | x | 0 | x | x | x | x | x |
001 | x | x | x | x | x | x | x | x |
101 | 1 | x | x | 0 | 0 | x | x | 0 |
100 | x | x | x | x | x | x | x | x |
110 | x | x | x | x | x | x | x | x |
111 | x | x | x | x | x | x | x | x |
K1=X3X2;
Y2=K1=X3X2.
С 
троимкарту Карнодля сигналаY3:
011 | 010 | 000 | 001 | 101 | 100 | 110 | 111 | |
011 | x | x | x | x | x | x | x | x |
010 | x | x | x | x | x | x | x | x |
000 | x | x | 0 | x | x | x | x | x |
001 | x | x | x | x | x | x | x | x |
101 | 1 | x | x | 1 | 0 | x | x | 1 |
100 | x | x | x | x | x | x | x | x |
110 | x | x | x | x | x | x | x | x |
111 | x | x | x | x | x | x | x | x |
K1=X2;
K2=X3X2X1;
Y3= K1+K2=X2+X3X2X1.
Строимкарту Карнодля переменнойY8и минимизируемеё:
011 | 010 | 000 | 001 | 101 | 100 | 110 | 111 | |
011 | x | x | x | x | x | x | x | x |
010 | x | x | x | x | x | x | x | x |
000 | x | x | 0 | x | x | x | x | x |
001 | x | x | x | x | x | x | x | x |
101 | 0 | x | x | 0 | 0 | x | x | 1 |
100 | x | x | x | x | x | x | x | x |
110 | x | x | x | x | x | x | x | x |
111 | x | x | x | x | x | x | x | x |
K1=X3X2;
Y1=K1=X3X2.
Следуетотметить, функцииY1и Y3имеют общийминтермX3X2X1, поэтомуY3можно выразитькак Y3=X2+Y1.
Т
акимобразом полученыследующиелогическиефункции всехвыходных сигналовшифратора,имеющие вид:
Т
еперь,по полученнымлогическимфункциям можнопостроитьшифратор.
3. 3. Разработкапринципиальнойсхемы устройства.
Послепостроенияфункциональнойсхемы устройстванеобходимореализоватьего на стандартныхэлементах,выпускаемыхотечественнойи зарубежнойпромышленностью.
Дляразработкипринципиальнойсхемы необходимоиспользоватьстандартныепромышленныемикросхемы,такие как:JK-триггерыс инверснымиасинхроннымивходами, а такжепростейшиелогическиемикросхемы,содержащиеэлементы, реализующиеосновные функциибулевой алгебры:логическиеэлементы И,ИЛИ,а также элементИЛИ-НЕ,реализующийфункцию Пирса и инверторы.Для индикациисостоянийустройствапримененысветодиодыи семисегментныйсветодиодныйиндикатор. Вкачестве средствуправленияУУ применяютсямикропереключателии микрокнопки.В связи с многообразиемразличных серийстандартныхмикросхем, всоставе которыхсодержатсявышеуказанныенеобходимыемикросхемы,отличающихсяпо своим техническимхарактеристикам,и технологииизготовленияпри неизменностисвоих функциональныхвозможностей,более подробноосветим вопросвыбора и обоснованияэлементнойбазы.
3.4. Подбор элементнойбазы.
Привыборе микросхемдля реализациипринципиальнойсхемы разработанногоустройствабыл проведенанализ параметровмикросхемразличных серийи структур,выпускаемойотечественнойпромышленностью.
Насегодняшнийдень выпускаетсямножество серийцифровых микросхем,основным различиемкоторых являетсятип применяемойлогики. Вообщеразличают такиеосновные технологии:резисторно-связнаялогика (РСЛ),эмиттерно-связнаялогика (ЭСЛ),диодно-транзисторнаялогика (ДТЛ),транзисторно-транзисторнаялогика (ТТЛ) идр.
Врезультатепроведенногоанализа былопринято решениео целесообразностипримененияв данном устройствемикросхемтехнологииТТЛ,посколькуфункциональныйнабор микросхемданной структурысодержит всенеобходимыеэлементы дляразработаннойсхемы. Ещё однодостоинствоэтой структурысостоит в том,что напряжениепитания длявсех сериймикросхем ТТЛодинаково, чтоупрощает решениевопроса питаниявсего устройства.
Следующимэтапом подбораэлементнойбазы являлсяанализ непосредственносерий микросхемТТЛпо их основнымпараметрам.В нижеследующейтаблице приведеныхарактеристикиосновных параметровмикросхемразличныхсерий:
Послепроведенногоанализа былопринято решениео применениидля разработанногоустройствамикросхем серииК555. Такое решениеосновано нанаибольшейнагрузочнойспособности,наименьшейэнергии переключенияи малой потребляемоймощности, чтоделает применениеэтой серии посравнению саналогами серийК134, К155 и К531 наиболееэкономичным.
Далееприведеныосновные техническиехарактеристики,принципиальныесхемы и количествонеобходимыхмикросхем,примененныхв данном устройстве.
JK-триггерс инверснымиасинхроннымивходами.
П
рименёнв блоке триггеров.МикросхемаК555ТВ9в количестве3 штук.
| Типкорпуса | 238.16-1 |
| Мин.вых. напр. высокогоуровня | 2,7В |
| Макс.вых. напр. низкогоуровня | 500мВ |
Макс.вх. ток высокогоуровня | 80мкА |
| Макс.вх. ток низкогоуровня | 800мкА |
| Макс.ток потребления | 8мА |
| Напр.питания | 5В |
| Технология | ТТЛШ |
Элемент2ИЛИ.
П
рименяетсяв схеме шифратора.МикросхемаК555ЛЛ1.Содержит 4 элемента2ИЛИ.Необходимоеколичество— 1 штука.
| Типкорпуса | 201.14- 1 |
| Напряжениепитания | 5В |
| Макс.ток низкогоуровня | 4,4мА |
| Макс. ток высокогоуровня | 1,6мА |
| Макс.вых. напряжениенизкого уровня | 0,5В |
Мин.вых. напряжениевысокого уровня,В | 2,7 |
| Макс.вх. ток низкого уровня | 0,36мА |
| Типкорпуса | 201.14-1 |
| Технология | ТТЛШ |
| Макс.вх. ток высокогоуровня | 0,02мА |
Диапазонрабочих температур | -10- + 70С |
| Масса | 1г. |
Элемент4И.
Применяетсяв качестведешифраторасостояниярегистра. МикросхемаК555ЛИ6.Необходимоеколичество— 4 штуки. 1 микросхемасодержит 2 элемента4И.Соединениеэлементов дляполучениянеобходимойфункции осуществляетсяследующимобразом:
П
ринципиальнаясхема микросхемыимеет следующийвид:
| Типкорпуса | 201.14-8 |
| Мин.вых. напр. высокогоуровня | 2,7В |
| Макс.вых. напр. низкогоуровня | 500мВ |
Макс.вх. ток высокогоуровня | 20мкА |
| Макс.вх. ток низкогоуровня | 360мкА |
| Макс.ток потребления | 2,4мА |
| Напр.питания | 5В |
ЭлементНЕ.
П
рименяетсяв схемах шифратора,а также какэлемент задержки(на выходе ДС4)и в других целях.МикросхемаК555ЛН1.Необходимоеколичество— 1 штука. 1 микросхемасодержит 6 элементовНЕс открытымколлектором.Принципиальноеобозначениесхемы представленониже:
| Технология | ТТЛШ |
| Типкорпуса | 201.14-8 |
| Мин.вых. напр. высокогоуровня | 2,7В |
| Макс.вых. напр. низкогоуровня | 500мВ |
Макс.вх. ток высокогоуровня | 20мкА |
| Макс.вх. ток низкогоуровня | 400мкА |
| Макс.ток потребленияпри высокомуровне вых.напр. | 2,4мА |
| Макс.ток потребленияпри низкомуровне вых.напр. | 6,6мА |
| Напр.питания | 5В |
Элемент2И.
П
рименяетсяв схеме шифратораи в качествеключа в схемеЗГ.МикросхемаК555ЛИ1.Содержит 4 элемента2И.Для построениясхемы необходимы2 микросхемы.Ниже приведеныпринципиальнаясхема и техническиехарактеристикимикросхемы.
| Технология | ТТЛШ |
| Типкорпуса | 201.14- 1 |
| Напряжениепитания | 5 |
| Макс.ток низкогоуровня | неболее 8,8 |
| Макс. ток высокогоуровня | неболее 4,4 |
| Макс.вых. напряжениенизкого уровня | неболее 0,5 |
Мин.вых. напряжениевысокогоуровня, В | неменее 2,7 |
| Макс.вх. ток низкого уровня | неболее -0,36 |
| Макс.вх. ток высокогоуровня | неболее 0,02 |
Диапазонрабочих температур | -10- + 70С |
| Масса | 1г. |
АсинхронныйRS-триггер.
Применяетсяв ключевойсхеме ЗГ.МикросхемаК555ТР2.Содержит 4асинхронныхRS-триггерас инверснымивходами. Необходимоеколичество— 1 штука. Сигналыбудем подаватьна входы второготриггера (R2иS2).Принципиальнаясхема микросхемыи её техническиехарактеристикитаковы:
| Т  ехнология | ТТЛШ |
| Типкорпуса | 238.16-2 |
| Мин.вых. напр. высокогоуровня | 2,7В |
| Макс.вых. напр. низкогоуровня | 500мВ |
Макс.вх. ток высокогоуровня | 20мкА |
| Макс.вх. ток низкогоуровня | 400мкА |
| Макс.ток потребления | 7мА |
| Напр.питания | 5В |
Диапазонрабочих температур | -10- + 70С |
Питаниек микросхемам,К555ЛЛ1, К555ЛИ1, К555ЛН1,К555ЛИ6 подводится:общий — 7, +5В — 14;
кмикросхемамК555ТВ9, К555ТР2 — общий— 8, +5В — 16.
Такжедля контроляи управленияработой устройстваиспользованы:
Светоизлучающиедиоды АЛ307;
СемисегментныйсветодиодныйиндикаторАЛС324;
ПереключательМТ1;
КнопкаМП1.
4. Расчётнаячасть.
На этомэтапе проектированиябудет произведёнрасчёт надёжностиустройства,которая являетсяодним из важнейшихпараметровфункционированиялюбого электронногоустройства.
Вцелом надёжностьустройстваопределяетсянадёжностьюкаждого элементаотдельно. Поднадежностьюпонимают свойствотого или иногообъекта сохранятьво времени вустановленных пределах значениявсех параметров,характеризующиенормальнуюработоспособностьобъекта.
Отказомназываетсяполная иличастичнаяутрата работоспособностиприбором. Главнойчастью понятиянадёжностиявляется понятиебезотказности.Безотказностьюназывают свойствоприбора сохранятьработоспособностьв течение заданноговремени вопределенныхусловияхэксплуатации.
Увеличениеуровня интеграцииинтегральныхмикросхем ведетк повышениюнадежностиустройств засчет сокращенияглавным образомпаяных и контактныхсоединений,надежностькоторых наодин-два порядканиже по сравнениюс надежностьюсоединенийв корпусе ИС.Причем по мересовершенствованиятехнологиичисло отказовежегодно падаетна 50-70 %. СовременныеполупроводниковыеИМС выдерживаютэксплутационныенагрузки вследующихпределах: потемпературеот -196 до +200Спо вибропрочностии виброустойчивости- до 100 в диапазонечастот (2...5)*103Гц. Надежностьобеспечиваетсятехническимии организационно-техническимимерами. Техническиемеры обеспечениянадежностисодержат дваосновных направления:обеспечениенадежностиИС и конструкцийРЭА. Организационно-техническиемеры включаютв себя проектныемероприятия.
Количественнаяоценка надежностипроизводитьсяс помощью различныхпараметров.Чаще всегоиспользуетсяинтенсивностьотказов .
Данныео надежностиИМС определяютсяпо формуле:
=10-10(413+6,66Х+1,03У)[Ч-1];
гдеХ — числоэлементов вМС, У— числовыводов в ИМС.
Есливремя выражатьв часах, то единицабудет час вминус первойстепени. Такимобразом, интенсивностьотказов определяетсякак относительноечисло элементов,отказавшихза один часработы. Такженеобходимоучесть надежностьсоединений:
соединенияконтактные—10-7ч-1;
соединениепайкой —10-9ч-1;
провода печатные или обычные в расчете на1мм —10-9ч-1.
Дляопределениянадежностиспроектированногоустройстванеобходимознать надежностьвсех использованныхмикросхем.Воспользовавшисьформулой определяютотдельно надежностькаждой микросхемы:
К555ЛИ1:=10-10(413+6,664+1,034)4,410-8ч-1;
К555ЛЛ1:=10-10(413+6,664+1,034)4,410-8ч-1;
К555ЛН1:=10-10(413+6,666+1,036)4,410-8ч-1;
К555ТВ9:=10-10(413+6,662+1,034)4,410-8ч-1;
К555ТР2:=10-10(413+6,664+1,034)4,410-8ч-1;
К555ЛИ6:=10-10(413+6,662+1,032)4,410-8ч-1.
Дляполучениянадежностивсей схемынеобходимосложить всеполученныерезультатыпо расчетамнадежностимикросхем,получив темсамым общийпоказательинтенсивностиотказов данногопроектируемогоустройства:
=4,4*10-8*2+4,4*10-8+4,4*10-8+4,4*10-8*3+4,4*10-8+4,4*10-8**4=52,8*10-8=5,28*10-7ч-1.
Посколькунадежностьпроводов, дорожекпечатногомонтажа и соединенияпайкой вышенадежностимикросхем наодин-два порядка,то ею можнопренебречь,общая надежностьузла полностьюопределяетсявеличинойнадежностиИМС и радиоэлементов.
*МикросхемыТТЛШ технологии.
5.Эксплуатационнаячасть.
Вданном разделебудут приведенысведения понастройке,контролю иэксплуатацииустройства.
Разработанноеустройствоможно рассматривать,как функциональнозаконченныйприбор и можетбыть оформленокак стенд длянаглядногоизучения процессаработы ЦА.
С
Устройствоуправления
Вход(кнопка SB1)
.
.
.
Блоксветодиодныхиндикаторов(HL1…HL10)
труктурнаясхема стендадля контроляи эксплуатацииприбораимеет следующийвид: 
Блокпитания
5В
Генератортактовых импульсов
СИ
Счётчиктактовых импульсов
Семисегментныйиндикатор ТИ
НомерТИ
Питаниеустройстваосуществляетсяот стабилизированногоисточникапитания напряжением5 В.
Дляотображенияинформациииспользуетсяблок из десятисветоизлучающихдиодов АЛ307Б(HL1…HL10),которые отображаютвыходные состоянияЦА на соответствующихвыходах.
Приэксплуатацииустройствамогут возникнутьнекоторыенеисправности,список и методикаустранениякоторых приведеныниже.
Несветится одинили несколькосветодиодныхиндикаторов | 1.Проверитьисправностьсветодиодов. 2.Проверитьисправностьлогическихэлементов,подающих сигнална данныйиндикатор. |
Схемане работаетпосле включенияпитания |
|
Состояниесхемы не меняетсяпосле нажатиякнопки SB2. |
|
Схемане переходитв следующеесостояние. |
|
Дляналадки и устранениянеисправностейустройствапонадобитсяследующеелабораторноеоборудование:
Осциллограф;
Вольтметр;
Милливольтметр;
Омметр;
Миллиамперметр;
Такжепри ремонтеустройстваможет понадобитьсяэлектропаяльники различныйэлектромонтажныйинструмент.
6. Техникабезопасности.
Приэксплуатациилюбого электронногоприбора имеетсяопасностьпораженияэлектрическимтоком. Поэтому,во избежанияслучаев пораженияследует неукоснительнопридерживатьсяправил техникибезопасностипри работе сэлектроборудованием,соответствующихГОСТ.
Несмотряна то, что источникпитания модулейустройства имеет низкоеи, следовательно,безопасноевыходное напряжение,это не исключаетвозможностипораженияэлектрическимтоком. Наличиев источнике питания силовоготрансформатора,первичнаяобмотка которогоподключенак напряжению220В, а также пользованиеэлектрифицированным инструментоми измерительнымиприборами,питающимисяот сети 220В, создаютдополнительнуюопасностьэлектротравм.Кроме того,всегда следуетпомнить о возможностиполученияожогов припайке.
Поэтомудля созданиябезопасныхусловий сборкиспроектированногоустройстванеобходимособлюдатьследующиеправила потехнике безопасности:
Рабочееместо должнобыть оборудовановытяжнойвентиляцией,пол покрытрезиновымковриком, асамо рабочееместо- линолеумом.
Освещенностьрабочего местадолжна соответствоватьустановленнымнормам.
Впомещениидолжна бытьаптечка.
Впомещении навидном местедолжны бытьвывешены правилатехники безопасности.
Электрическиепаяльникидолжны работатьпри напряжениине более 36В ииметь специальнуюподставку,исключающую возможностьслучайногокасания егонагретой части.
Вслучае использованиятехнологиитравленияпечатных платнеобходимопредусмотретьмеры, исключающиеожоги и выделениявредных газовот применяемыххимическихреактивов.
Рабочиенапряжения,токи и мощностине должны превышатьмаксимальнодопустимых.
Желательноснижать рабочуютемпературуприбора. Еслиона на 10Сниже предельной,то число отказовснизится вдвое.
Рекомендуетсязащищать устройствоот перенапряжений.Для этого должны применятьсясхемы стабилизациинапряженияпитания.
Пайкувыводов нужновыполнять неближе 10 мм откорпуса в течениене более 5с. Приэтом необходимоосуществлятьотвод тепламежду корпусоми местом пайки,используя дляэтой целиплоскогубцыили пинцет.
Нерекомендуетсякрепить элементытолько на выводах.
Большинствомикросхем"боятся" воздействияэлектростатическихзарядов, попадающихна их выводы.Заряды статического электричествалегко возникаютпри трениимногих синтетическихматериаловшироко используемыхв быту, поэтомунеобходимоприменять меры,предупреждающиепопаданиезарядов навыводы микросхем.С этой цельюследует соблюдатьследующиеправила:
Некасаться выводовмикросхемметаллическими предметами,щупами тестераили пальцами.
Паяльник,корпуса измерительныхприборов, рабочийинструмент,а также полоскашины питания0В на платемонтируемогомодуля должныбыть заземленыпри помощигибкого провода,подключенногок заземлениючерез резистор1 мОм.
Монтажмикросхемы,установленнойна плате, нужноначинать смонтажа выводовпитания (сперва0В, а затем +5В).Особую осторожностьследует соблюдатьпри подключениипроводниковк выводаммикропроцессора.
Помимоэлектростатическихзарядов, длямикросхемопасен перегрев.Если при пайкедопуститьперегрев выводовмикросхем, тоэто приводитк резкому ухудшениюее параметров,а часто и выходуиз строя. Неследует паятьдва вывода,расположенныхрядом. Выполнивпайку одноговывода, нужнопереходитьк пайке вывода,расположенногона противоположнойстороне корпусамикросхемы.
Длямикросхемнедопустимыпереполюсовки,в виде ошибочноговключениявывода «+» питающегонапряжениявместо вывода«-», и наоборот.
Известнуюопасностьсоздает отклонениевеличины питающегонапряжения.Допускается изменение напряженияв пределах +5%. При меньшемнапряжениимикросхемабудет даватьсбои в работе,при большем— может выйтииз строя.
МЕРЫПРОТИВОПОЖАРНОЙБЕЗОПАСНОСТИ.
Кромеопасностипораженияэлектротокомсуществуетещё и опасностьпожара в результатевозгораниясхемы, вызванногодлительнымперегревомлибо короткимзамыканиемтоковедущихчастей. Опасностьпожара существуеттакже и принеосторожнымобращении сизмерительнымоборудованием,а особенно —с паяльником.
Приэксплуатацииустройстванеобходимострого соблюдатьправила пожарнойбезопасности:
Невключать устройствов электросеть,напряжениев которой несоответствуетнорме.
Неоставляйтевключенноеустройствобез присмотра.
Розеткаподключениявилки шнурапитания устройствадолжна находитьсяв доступномместе для быстрогоотключенияустройстваот сети.
ПОМНИТЕ!Пренебрежениеодним из вышеуказанныхправил можетпривести кперегревуустройства,к преждевременномувыходу его изстроя и дажевозгоранию!
Еслив устройстве произошловозгорание,то его необходимонемедленнообесточить и накрыть плотнойтканью, чтобыпрекратитьдоступ свежеговоздуха, принятьмеры к тушениювозгорания.
Выводы.
Курсовойпроект являетсязаключительнымэтапом изученияпредмета"Компьютернаяэлектроникаи схемотехника".Целью выполнениякурсовогопроекта являетсяболее углублённое изучение работыустройств ЭВМ,методов иханализа и синтеза,знакомствосо справочнойлитературой,правиламиоформлениячертежей идругой документациив соответствиис требованиямиЕСКД.
Проектированиеустройств ЭВМ— сложный итрудоёмкийтворческийпроцесс, которыйсистематизирует,закрепляети совершенствуеттеоретическиезнания, позволяястудентампроявить своитворческиеспособностив области синтезаузлов ЭВМ иявляется формойпроверкиподготовленностистудента квыполнениюдипломногопроекта.
Работанад КП предусматриваетцеленаправленную,и систематическуюработу студентарассчитаннуюна приобретениепрактическихи теоретическихнавыков в планепоследнихдостиженийнауки и техникив области РЭОи ЭВТ.
Вданной работебыло спроектированоустройствоуправлениясинхроннымцифровым автоматом.
Впроцессе выполненияпроекта мноюбыла проведеназначительнаяработа по определениюи минимизациилогическихфункций, построениюфункциональныхи принципиальныхсхем, подборуэлементнойбазы и расчётамнадёжности,также был проведенанализ возможныхнеисправностейи технологииих устранения,в результатечего я получилболее глубокиезнания в областисхемотехники,примененияИМС, а такжеприобрёл практическиенавыки, необходимыемне в процессемоей дальнейшейтрудовойдеятельности.
Использованнаялитература:
ХоровецП., Хилл У. Искусствосхемотехники.М. Мир., 1984.
Техническоеописание иметодическиерекомендациипо основамавтоматикии ЭВТ. ПрофессорЯмпольскийВ.С. Омск 1990
ТитцеХ., Шенк К. Полупроводниковаясхемотехника.Перевод с немецкого.
ШилоВ.Л. Популярныецифровые микросхемы:Справ.-Челябинск:Металургия,1988.
Цифровыеинтегральныемикросхемы:Сравочник/М.И. Богданович,И.Н. Грель, С.А.Дубина и др. -2-е изд., Мн.:Беларусь,Полымя 1996
БатушевВ.А., ВениаминовВ.Н., КовалевВ.Г. Микросхемыи их применение.- М.:Радиои связь, 1988.
Полупроводниковыеприемно-усилительныеустройства:Справочник/Р.М.Терещук, К.М.Терещук, С.А.Седов К.:"Науковадумка" 1981
Интегральныемикросхемы:справочник,второе изданиепод редакциейБ. В. ТарабринаМ.: Энергатомиздат,1985.
Содержание:
Введение2
Общаячасть4
Специальнаячасть13
3. 1.Определениезадачи. 13
3. 2. Разработкаструктурнойсхемы проектируемогоустройства.13
3.3. Разработкафункциональнойсхемы устройства.14
3. 4. Разработкапринципиальнойсхемы устройства.21
3. 5. Подборэлементнойбазы.21
Расчётнаячасть30
Эксплуатационнаячасть32
Техникабезопасности35
Выводы38
Использованнаялитература39