работа "Синтез дискретных устройств управления" (стр. 1 из 5)

Курсовая работа "Синтез дискретных устройств управления"

Курсовая работа нацелена на самостоятельное овладение приемами синтеза дискретных устройств управления. В настоящем разделе содержатся пояснения к методам использования результатов математической логики, теории автоматов и дискретной электроники для синтеза дискретных устройств на примере проектирования функциональной схемы электронных наручных часов. Базовый пример разбирается в разделе 3.2. "Примеры конечных автоматов" теоретической части курса. В курсовой работе этот пример развивается до уровня научно - технической разработки.

Курсовая работа состоит в разработке студентами функциональной схемы электронных (наручных) часов на основе автоматного описания алгоритма их функционирования. Этот алгоритм должен быть построен таким образом, чтобы спроектированные электронные часы обладали, в дополнение к заданным базовым функциям (отображение и корректировки текущего времени), также рядом дополнительных возможностей, например, работа с секундомером, “ускорение” или “замедление” хода часов и т.д. Дополнительные возможности проектируемых часов определяются для каждого студента индивидуальным заданием.

Для выполнения работы необходимы теоретические знания в следующих областях:

· теория логических (булевых) функций (методы задания функций, базисные функции, нормальные формы, минимизация, реализация);

· теория конечных автоматов (методы задания, структурный и функциональный синтез);

· дискретная электроника (реализация логических функций, триггеры, счетчики и т.д.).

Почти весь необходимый теоретический материал излагается в теоретической части курса. Остальной материал может быть найден в литературе, приведенной в конце главы.

1. Синтез функциональной схемы простейших часов

Элементы функциональной схемы часов исторически изменялись: от анкерного механизма механических часов к более стабильному электронно-механическому, затем к полностью электронному. Этот процесс усовершенствований закончился с появлением микросхем малой потребляемой мощности, составляющих основу электронных часов. Электронные часы более информативны, они существенно превосходят механические и электромеханические по функциональным возможностям, у них выше точность хода и надежность. В настоящее время налажен широкий выпуск дешевых и точных электронных часов с огромным разнообразием функций. Рассмотрим основные узлы электронных часов.

Система отображения

Основная функция часов - отсчет и отображение времени. Обычные электронные часы содержат индикаторную панель, показывающую время и внешние кнопки управления (например, “а” и “b” на рис. 9.1). В корпусе часов размещены электронный блок и источник питания. Содержание курсовой работы - разработка электронного блока таких часов.

Рассмотрим сначала состав системы отображения времени электронного блока. Система отображения времени служит для преобразования двоичного представления информации о времени, хранящегося в электронном блоке часов, в визуальную форму.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Для отображения используют жидкокристаллические, светодиодные, либо другие индикаторы. В каждом разряде индикатор содержит семь сегментов, которые, высвечиваясь в определенной комбинации, могут дать изображение цифры (см. рис. 2). Для того чтобы сегмент “загорелся”, на него необходимо подать напряжение. Один разряд индикатора, таким образом, содержит 7 входов. Если на некоторые из этих входов подадим напряжение, а на остальные – нет, то на индикаторе высветится соответствующая комбинация сегментов. Например (рис. 3), для изображения цифры “2” необходимо подать напряжение на все сегменты, кроме f1 и f4. Несложно построить функциональный преобразователь, который по двоичному коду десятичной цифры вырабатывает сигналы, управляющие индикаторами. Такую схему мы будем называть индикаторным преобразователем (ИП). Его условное изображение дано на рис. 4.

Рис. 4 Рис. 5

ИП содержит четыре входа (ровно столько двоичных разрядов нужно для кодирования всех десяти цифр), и семь выходов (это как раз входы индикатора). С помощью индикаторного преобразователя числовая информация, хранящаяся в двоичном коде в регистрах, с помощью системы отображения преобразуется в визуальную информацию, представленную комбинациями горящих сегментов индикаторов.

Пусть в простейших часах на индикаторы выводится лишь информация о часах и минутах. Для таких часов за основу может быть взята структурная схема отображения, представленная на рис. 5. Кроме схемы отображения значений из регистров электронные часы, конечно, должны иметь и схему управления. Именно эту схему мы и рассмотрим далее.

Функция отсчета времени

Показываемое на индикаторах время отражает состояние двоичных регистров. Для реализации функции отсчета времени эти регистры построены в виде счетчиков, управляемых генератором тактовых импульсов. Счетчик - это устройство, которое осуществляет счет и хранение кода числа подсчитанных импульсов. У каждого счетчика есть тактовый вход, на который поступают электрические импульсы, и несколько выходов, с которых можно снимать двоичный код числа, находящийся в счетчике. С каждым новым входным импульсом этот код изменяется: он может увеличиваться на 1 (суммирующий счетчик), уменьшаться на 1 (вычитающий счетчик) или изменяться в соответствии с каким-либо другим правилом.

Важным параметром счетчика является коэффициент пересчета К. К - это максимальное число импульсов, которое может быть подсчитано. Если рассматривать счетчик как конечный автомат, то К - это количество различных состояний счетчика. Счетчик с коэффициентом пересчета К через К переключений возвращается в исходное состояние. Для удобства использования счетчика, кроме тактового входа существует вход “Уст.0” (сброс). При подаче на него импульса (логической единицы) на выходе устанавливается нулевой код.

Важным для практического использования счетчика является момент изменения его состояния. Поскольку на вход поступают прямоугольные импульсы, то переключение может происходить либо в момент положительного перепада (напряжение меняется с низкого уровня на высокий), либо отрицательного. Мы будем использовать счетчики с переключением при отрицательном перепаде входного напряжения.

В электронных часах применяют малогабаритные стабильные генераторы, с выхода которых снимается последовательность прямоугольных импульсов. Частота кварцевых генераторов стабильна, она практически не изменяется во времени. Понятно, что количество импульсов, выработанных таким генератором, прямо пропорционально времени его работы. Возьмем в качестве примера суммирующий счетчик с К=10 и будем подавать на его вход импульсы с частотой 1 Гц. Нетрудно заметить, что его можно использовать как счетчик секунд по модулю 10, т.е. он будет иметь последовательность двоичных состояний:

0000 ® 0001 ® 0010 ® 0011 ® ... ® 1000 ® 1001 ® 0000 ® 0001 ® ...

Смена состояний происходит при каждом входном импульсе; на выходе старшего разряда при каждом переходе 1001 ® 0000 будет возникать отрицательный перепад напряжения. Поэтому выход старшего разряда счетчика обычно соединяют с тактовым входом следующего. На рис. 6 видно, что в момент переключения Счк1 (1001 ® 0000) происходит изменение состояния Счк2. Поэтому эти два счетчика при их последовательном соединении могут отсчитывать секунды: эта пара может рассматриваться как один счетчик по модулю 60, причем первый счетчик пары отсчитывает единицы секунд, а другой - десятки секунд.

Рис 6

Минуты можно подсчитывать также двумя счетчиками, включенными последовательно после секундных. Добавляя к этим 4-м счетчикам еще два для подсчета числа единиц и десятков часов, мы можем получить в этих счетчиках двоично-десятичное представление текущего времени с подсчетом секунд, минут и часов, что и требуется в качестве входа в систему отображения. Однако при реализации пересчета количества часов возникает небольшая проблема. Она состоит в том, что в случае, когда в счетчике десятков часов находится двойка, единицы часов должны пересчитываться до трех, тогда как во всех остальных случаях - до десяти (например, допускается 7 и 17 часов, но не 27 часов).

Существует несколько различных решений этой проблемы. Например, можно сделать один счетчик, у которого К=24. Но в этом случае необходимо будет дополнительно преобразовать находящийся там двоичный код в двоично-десятичный. Наше решение представлено на рис. 7. Осуществляется обычный пересчет в двух счетчиках, но как только появляется число 24, это число распознается и сразу происходит сброс счетчиков. Появление этого числа легко определяется по установке в “1” разрядов Q2 первого счетчика (счетчика единиц) и Q1 второго счетчика (счетчик десятков). Время этого переключения гораздо меньше времени реакции человека и поэтому кратковременное появление ненужного сигнала (24 часа) будет незаметно для глаз.

Рис. 7

С учетом сказанного, электронный блок проектируемых часов можно представить в несколько более конкретном виде (рис. 8).