Параметры

ТТЛ

ТТЛШ

ЭСЛ

КМДП

Среднее время задержки сигнала t_ср, нс

10¸30

5¸20

0,5¸2

15¸50

Частота переключения F_max, МГц

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:U_OH – выходное напряжение высокого уровня;

U_TH – порог переключения;

I_OH – выходной ток высокого уровня;

I_ОL – 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:

где:∆I_un - максимальное значение переменной составляющей тока потребления; t_нар - длительность импульса тока; ∆U_{пом.доп} - допустимое значение импульсной помехи.

В качестве ∆I_un берут, как правило, 1/3 от значения тока короткого замыкания I_кз по выходу микросхемы, который для микросхем серии К555 можно найти как:

где:Е = 5 В - напряжение питания; U_кэ = 0,95В - напряжение коллектор-эмиттер выходного насыщенного транзистора в микросхеме; R_огр = 200 0м - сопротивление токоограничительного резистора в микросхеме.

Тогда следует, что:

Выберем конденсаторы индивидуальной развязки типа К10-17, а их номинал С_up равным 0,01 мкФ.

Емкость конденсатора групповой развязки выбирается из условия:

где L_ш и R_ш - соответственно индуктивность и сопротивление шины питания. Так как конструкция устройства в рамках курсового проекта не разрабатывается, то указанные параметры не могут быть определены точно. По этой причине емкость С_р возьмем равной 1 мкФ, как это обычно и принимается в практических устройствах на двухслойных печатных платах.

3.5 Расчет длительности переходных процессов

Длительность переходных процессов от момента выработки очередного тактового импульса до момента установления нового состояния устройства определяется с целью оценки быстродействия устройства и для выявления сбойных ситуаций, когда сигнал в цепи обратной связи (при наличии таковой) не успевает поступить на вход устройства до момента выработки следующего тактового импульса.

В разрабатываемом устройстве представляет интерес время распространения сигнала от ГТИ до момента записи кода. Цепь распространения информации при этом включает:

счетчик D2 (К1533ИЕ6) - время задержки распространения сигнала от тактового входа до информационных выходов составляет: t_зд.рD2=19нс;

время задержки распространения сигнала в логическом элементе D3 (К1531ЛН1) составляет: t_зд.рD3=5нс;

преобразователь кодов на мультиплексорах D4..D7 (К1531КП7) от адресных входов до информационных выходов - время задержки распространения сигнала составляет: t_зд.рПК=12,8нс;

блок контроля кодовых комбинаций D8 от информационных входов до выхода – время задержки распространения сигнала составляет: t_зд.рD8 =12,8нс;

Общее время переходного процесса в первом цикле работы, таким образом, составляет

Таким образом, при заданной тактовой частоте (F=20МГц) обеспечивается устойчивое функционирование устройства, т.к. t_уст. меньше тактового периода (49,6<50).

3.6 Расчет потребляемой мощности

Мощность, рассеиваемая в процессе работы устройства, складывается из мощностей, потребляемых входящими в него элементами:

3.7 Оценка показателей надежности

Основными показателями надежности устройства служат вероятность безотказной работы P(t), вероятность неисправной работы Q(t), наработка на отказ T₀ и коэффициент готовности К_г. Исходными данными для расчета этих показателей служат значения интенсивности отказов λ_i для каждого входящего в устройство элемента. Взятые из справочников значения λ_i приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Общая интенсивность отказов определяется формулой:

и будет равна:

Значение λ_общ определено для лабораторных условий эксплуатации и для наземных стационарных условий должно быть скорректировано умножением на поправочный коэффициент К = 10. Таким образом, при расчете будем считать λ_общ = 0,71108×10^-6 1/ час. Определим вероятность безотказной работы устройства в течение 1000 час:

Тогда вероятность неисправной работы будет равна:

Q(t) = 1- P(t) = 1- 0,989953 = 0,00071083.

Наработка на отказ составит:

Значение коэффициента готовности зависит от времени ремонта данного устройства Т_р, которое для простого устройства не превышает 0,5 час. Тогда коэффициент готовности будет равен:

полученное значение коэффициента готовности следует признать удовлетворительным.

4. Моделирование отдельных узлов генератора в программе «Electronics Workbench»

Моделирование схемы проводится с целью практической апробации результатов проектирования и подтверждения работоспособности устройства. Для моделирования используется программа «Electronics Workbench», совмещающая возможности анализа и проектирования схем. Для проверки работоспособности спроектируем и проанализируем работу блока генератор кодов. На рисунках представленных ниже приведены модели отдельных блоков генератора и модель самого генератора кодов.

Рис. 4.1 – блок преобразователя кодов «РК», рис. 4.2 – блок контроля «ВК», рис. 4.3 – схема счетчика упрощенная «SCHET», рис. 4.4 – блок генератора кодов «GK», рис. 4.5 – блок генератора тактовых импульсов «GTI», рис. 4.6 – блок схемы начальной установки «SNU», рис. 4.7 – собранная схема генератора кодов и сигналограмма его работы.

Рис. 4.1. Схема преобразователя кодов «РК»

Рис. 4.2. Блок контроля «ВК»

Рис. 4.3. Схема счетчика упрощенная «SCHET»

Рис. 4.4 – блок генератора кодов «GK»

Рис. 4.5 – блок генератора тактовых импульсов «GTI»

Рис. 4.6 – блок схемы начальной установки «SNU»

Рис. 4.7 – схема генератора кодов и сигналограмма

Как следует из полученных временных диаграмм сигналов на выходах ГК (рис.4.7), он циклически (начало цикла соответствует нижней диаграмме импульса переноса счётчика импульсов) принимает состояния: 0000, 0101, 0010, 0100, 0110, 1000, 1010, 1100, 1110, 1111, Перечисленные стояния соответствуют заданной последовательности кодов. На рис.4.7 проиллюстрирован процесс выявления незапланированных кодов блоком контроля (3-я диаграмма снизу на сигналограмме), что позволяет судить о правильности работы устройства, так как сигнал на выходе блока контроля находится в состоянии «0», т.е. устройство не выдает ошибки, следовательно, устройство не дает сбоев и выдает заданные кодовые последовательности.

Заключение

Разработанный генератор кодовых последовательностей импульсов рассчитан на работу в стационарных наземных условиях и полностью соответствует заданию. В рамках проекта рассмотрены варианты реализации узлов и компонентов устройства, путем сравнительного анализа выбран оптимальный вариант схемы, проверена работоспособность схемы. Определены основные показатели функционирования и оценена надежность устройства.

Генератор кодовых последовательностей импульсов построен на базе стандартных интегральных микросхем преимущественно типа ТТЛШ и может найти применение в качестве контроллера вычислительной информационной системы.

Литература

1. Схемотехника ЭВМ: Учебник для студентов вузов спец. ЭВМ. Под ред. Г.Н. Соловьева. - М.: Высшая школа, 1985.

2. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ: Учебное пособие для спец. ЭВМ вузов. - М.: Высшая школа,1987.

3. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов.- М.:Радио и связь, 1990.

4. Последовательностные схемы средней интеграции типа транзисторно-транзисторной логики: Описание лабораторных работ по курсу «Расчет и проектирование элементов ЭВМ»./ Лернер М.И., Трифонов Е.Ф., Шадрин М.п. - Пенза, РИО ППИ, 1985.

5. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/ М.И.Богданович, И.Н.Грель, С.А.Дубина и др. - Мн.: Беларусь, Полымя, 1996.

6. Применение интегральных микросхем памяти: Справочник/А.А. Дерюгин, В.В. Цыркин, В.Е. Красовский и др.; Под ред. А.Ю. Гордонова, А.А. Дерюгина.- М.: Радио и связь, 1994.

7. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. - М.: ИТАР-ТАСС, 1993.

8. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов. радио, 1979.

9. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств: Учеб. пособие / Под ред. Л.Н.Преснухина. - М.: Высшая школа, 1982.

10. Схемотехника ЭВМ: Методические указания по курсовому проектированию./Лернер М.И., Смирнов А.М., Шадрин М.П., Трифонов Е.Ф. - Пенза, РИО ППИ, 1986.

11. Чулков В.А., Смагин Ю.А., Фролов Г.В. Компьютерное макетирование электронных схем: Методическое пособие. - Пенза, Изд-во Пензенского технологического института, 1999.