Курсовой по цифровой схемотехнике. Курсовик 14. Разработка многоканального цифрового устройства

• Название: Разработка многоканального цифрового устройства
• Анкор: Курсовой по цифровой схемотехнике
• Дата: 12.09.2022
• Размер: 262 Kb.
• Имя файла: Курсовик 14.doc
• Тип: Курсовой проект; #673917

Федеральное агентство по науке и образованию РФ

Омский Государственный Технический Университет

Энергетический институт

Кафедра ЭсПП (секция ПЭ)

Курсовой проект

по дисциплине «Цифровая схемотехника»

на тему «Разработка многоканального цифрового устройства»

Выполнил:

Студент гр. ПЭ – 413

Проверил:

Бубнов А.В.

Омск - 2006
Федеральное агентство по науке и образованию РФ

Омский Государственный Технический Университет

Энергетический институт

Кафедра ЭсПП (секция ПЭ)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

НА ТЕМУ

«Разработка многоканального цифрового устройства»

Руководитель проекта:

Бубнов А.В.

Разработал:

Студент гр. ПЭ – 413

Прокофьев Д.Ю.

Омск – 2006

Федеральное агентство по науке и образованию РФ

Омский Государственный Технический Университет

Энергетический институт

Кафедра ЭсПП (секция ПЭ)

ЗАДАНИЕ
Курсовой проект по курсу: Цифровая схемотехника
Студент группы ПЭ-413тов. Прокофьеву Д.Ю.

2007/2008 учебный год
Тема курсового проекта: _Разработка многоканального цифрового устройства
Исходные данные: время работы канала t_р=10 секунд, количество каналов N=14
Содержание проекта: пояснительная записка
Чертежи (листы)
Разделы пояснительной записки:

Основная рекомендуемая литература
Специальная и учебная техническая литература. Интернет.


Руководитель проектирования Бубнов А.В.

Зав. Кафедрой Бубнов А.В.

Студент Прокофьев Д.Ю.
Дата выдачи: _20 сентября_

СОДЕРЖАНИЕ

1. 
   Введение………………………………………………………………………………5
   
2. 
   Разработка функциональных узлов устройства……………………………………6
   
   0. 
      Генератор импульсов………………………………………………………….6
      
   1. 
      Делитель частоты……………………………………………………………...7
      
   2. 
      Счетчик импульсов……………………………………………………………7
      
   3. 
      Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код……………..8
      
   4. 
      Преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора……………………………………………………………………..9
      
   5. 
      Мультиплексор……………………………………………………………….10
      
   6. 
      Демультиплексор……………………………………………………………..11
      

3. Моделирование работы проектируемого многоканального цифрового

устройства в среде OrCAD…………………………………………………………..14

4. Заключение…………………………………………………………………………...17

5. Литература……………………………………………………………………………18

1. Введение

В связи с развитием сложных информационно-измерительных цифровых комплексов, состоящих из многих десятков устройств – измерительных систем, вычислителей, индикаторов, пультов управления и исполнительных механизмов, применяемых в самых разнообразных отраслях промышленности, весьма актуальной стала проблема оптимального построения совокупности каналов связи, обеспечивающих трансляцию сигналов, несущих информацию, от одних устройств к другим. Эти вопросы могут возникать в комплексах бортового оборудования современных летательных аппаратов, а также, например, при проектировании и создании комплексов оборудования любых движущихся и неподвижных объектов.

Особенно актуальна проблема организации каналов связи, транслирующих цифровые данные. В связи с неограниченными преимуществами цифровых каналов связи перед аналоговыми – высокой пропускной способностью, неограниченной точностью, высокой помехоустойчивостью – этот вид проводных связей находит очень широкое применение.

В данном курсовом проекте стоит задача разработки многоканального цифрового устройства, имеющего следующие параметры: время работы канала t_р=10 секунд, количество каналов N=14. Функциональная схема устройства показана на рис.1.



Рис.1 - Структурная схема многоканального цифрового устройства

На рисунке приняты следующие обозначения:

ГИ - генератор импульсов;
ДЧ - делитель частоты;
СИ - Счетчик импульсов;
ПК1 - преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный;
ПК2 - преобразователь двоично-десятичного кода в семисегментный;
ИУ - индикаторное устройство;
МП - мультиплексор;
ЦАУ - цифровое анализирующее устройство;
ДМ - демультиплексор;
Описание работы устройства. Многоканальное цифровое устройство работает следующим образом. С генератора импульсов ГИ на вход делителя частоты ДЧ поступают тактовые импульсы с высокой частотой. Делитель частоты ДЧ уменьшает частоту следования импульсов в соответствии с заданной длительностью работы одного канала. Затем импульсы поступают на счетчик импульсов СИ. На выходе счетчика импульсов формируется двоичный код, который подается на преобразователь кода ПК1, мультиплексор МП и демультиплексор ДМ. ПК1 преобразует двоичный код в двоично-десятичный, который преобразуется с помощью ПК2 в семисегментный код. Далее семисегментный код подается на индикаторное устройство ИУ. Индикаторное устройство отображает номер работающего в данный момент канала, определяемого мультиплексором МП и демультиплексором ДМ. Цифровое анализирующее устройство ЦАУ анализирует информацию поступающую с рабочего канала (поскольку построение цифрового анализирующего устройства выходит за рамки курса "Цифровая схемотехника", в данном курсовом проекте не реализуется).

2. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ УСТРОЙСТВА

2.1. Генератор импульсов.

Для обеспечения работы каждого канала в течение десяти секунд необходимо, чтобы тактовые импульсы поступали на счетчик импульсов с частотой f_р, определяемой по формуле f_р=1/t_р=1/10= 0,1 Гц.

Чтобы определить частоту генерации импульсов f_г генератором, зададимся коэффициентом деления делителя частоты ДЧ k=10⁴, следовательно, частота f_г=1000 Гц. На рис.2 приведена схема генератора импульсов:



Рис.2 - Схема генератора импульсов

Для такого генератора импульсов частота генерации f_г определяется по формуле: f_г = 1/(3RC).

В качестве элемента DD1 возьмем микросхему К155ЛН1 (аналог – микросхема 7404). Она представляет собой шесть независимых инверторов. Чтобы вывести рабочую точку одного такого инвертора на линейный участок передаточной характеристики, необходимо номинал R1 выбрать равным 220 Ом. Поэтому С1 = 1/(3R₁ f_г) = 1/(3·220·1000)= 1,5мкФ.

2.2. Делитель частоты.

Делитель частоты реализуется на основе асинхронного счетчика. Поскольку элементы генератора импульсов ГИ рассчитаны с учетом коэффициента деления частоты k=10⁴, для реализации делителя частоты используется 4 последовательно соединенных асинхронных четырехразрядных десятичных счетчика ИС К155ИЕ2 (аналог – микросхема 7490)(рис. 3). Одна такая микросхема позволяет разделить частоту импульсов на десять. Поскольку первый триггер микросхемы не соединен с тремя остальными, необходимо вывод 1 подсоединить к выводу 12.



Рис.3 - Схема делителя частоты

2.3. Счетчик импульсов.

Для счета импульсов используем счетчик с параллельным переносом. Для того, чтобы организовать счет от 1 до 14, необходимы 4 счетных триггера. Счет ведется, начиная с единицы, так как если его осуществлять с нуля, то при реализации индикации нужно дополнительное устройство, осуществляющее инкремент двоичного кода. Счетный триггер реализуем на D-триггере.

В силу того, что N=14<2⁴=16, необходим счетчик с произвольным коэффициентом пересчета, а именно K_сч=14. Для этого проанализируем поразрядно состояния счетчика в таблице 1.

Таблица 1

	Q4 Q3 Q2 Q1
N	1 1 1 0	14
N+1	1 1 1 1	15
1	0 0 0 1	1
	c c c б.и

Из таблицы видно, что для принудительного перевода счетчика в состояние 1 из состояния 14 необходимо организовать сброс второго, третьего и четвертого разрядов и оставить без изменения первый разряд. С учетом этого принципиальная схема счетчика импульсов будет иметь вид, представленный на рис.4.



Риc.4 - Счетчик импульсов с K_сч=14

Элемент DD6 реализуем на микросхеме К155ЛА4 (аналог – микросхема 7410) которая представляет собой три трехвходовых логических элемента И-НЕ. Для реализации D-триггеров DD7 и DD8 используем 2 микросхемы К155ТМ2 (аналог – микросхема 7474), каждая из которых представляет собой два независимых синхронных D-триггера. Логический элемент DD9 реализуем на микросхеме К155ЛР11 (аналог – микросхема 7451). Для DD10 используем К155ЛР4 (аналог – микросхема 7455).

2.4. Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код.

Для того чтобы показать номер работающего канала на индикаторном устройстве, необходимо сначала двоичный код преобразовать в двоично-десятичный. Для этой цели будем использовать микросхему К155ПР7 (аналог – микросхема 74185) (рис.5). Она представляет собой постоянное запоминающее устройство, программирование которой произведено на заводе-изготовителе. Одну микросхему К155ПР7 можно использовать для преобразования двоичного кода чисел 0-63 в двоично-десятичный код. Так как младшие разряды двоичного и двоично-десятичного кодов совпадают, на микросхему поступают только старшие разряды двоичного кода X , начиная со второго, на выходе получается двоично-десятичный код числа.



Рис.5 - Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный код

2.5. Преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора.

Для преобразования двоичного кода в семисегментный код используем микросхему К155ПП4 (аналог – микросхема 7449).  Ее выходы представляют собой выходы с открытыми коллекторами, поэтому для подключения к ним семисегментного индикатора необходимо между преобразователем и индикатором поставить резисторы, которые ограничивают ток, втекающий в преобразователь. Номиналы резисторов выбираются с учетом рабочего тока индикатора. В качестве индикатора выбираем АЛC324Б. Он представляет собой набор светодиодов с общим анодом. Его рабочий ток Iр=20мА. Цвет свечения – красный. Включение преобразователя и индикатора показано на рис.6. В таблице 2 приведено преобразование двоично-десятичного кода в семисегментный.

Таблица 2

X	x4  x3  x2  x1	fА  fB  fC  fD fЕ  fF  fG	Символ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1	1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рис.6 - Включение преобразователя и семисегментного индикатора

Так как падения напряжения на светодиоде и на открытом транзисторе преобразователя малы, то номинал резисторов можно определить по формуле R= U_п/I_р= 5/0,02=250 Ом, где  U_п - напряжение питания, В; I_р - рабочий ток индикатора, А. С учетом принятых допущений реальный ток индикатора будет несколько меньше, что незначительно повлияет на яркость свечения индикатора.

Поскольку для индикации номера работающего канала необходимо два десятичных разряда, необходимо два набора схем (рис.6).

2.6. Мультиплексор.

Для последовательного сбора информации из 14 каналов используется мультиплексор. Для реализации 23-хвходового мультиплексора используем микросхему К155КП1 (аналог – 74150), представляющую собой 16-входовой цифровой мультиплексор (рис.7). На вход разрешения данного мультиплексора необходимо подавать сигнал высокого уровня.



Рис.7 - Мультиплексор на 16 входов

Также возможна реализация мультиплексора на логических элементах (рис.8). Схема состоит из матричного дешифратора (выполнен с помощью двух линейных дешифраторов ЛД (рис.9) и 14 логических вентилей) и 14 логических ключей, объединенных схемой ИЛИ.



Рис.8 – Реализация мультиплексора на логических элементах



Рис.9 – Линейный дешифратор

2.7. Демультиплексор.

В отличие от мультиплексора, демультиплексор выполняет обратную функцию – распределяет информацию с одной общей линии в несколько каналов, в соответствии с адресным кодом. В качестве демультиплексора используем дешифратор К155ИД3 (аналог – 74154), вход разрешения Е0 которого используем как информационный. Включение показано на рис.9. В этом случае на вход разрешения Е1 следует подать напряжение низкого уровня. Также существует возможность реализации демультиплексора на логических элементах (рис.10).



Рис.9 - Демультиплексор на 14 выходов



Рис.10 – Реализация демультиплексора на логических элементах

Принципиальная схема проектируемого устройства представлена на рис.11. В таблице 3 приведен перечень элементов, применяемых при проектировании цифрового многоканального устройства.

Таблица 3

Позиционное обозначение	Наименование	Количество	Примечание
	Конденсаторы
С1	К10-17а-Н90-1,5 мкФ±10%	1
	Резисторы
R1	МЛТ – 0,125 – 220 Ом ± 5%	1
R2…R5	МЛТ – 0,5 – 1,3 КОм ± 10%	4
R6…R19	МЛТ – 0,125 – 250 Ом ± 10%	14
	Микросхемы
DD1	К155ЛН1 (7404)	1
DD2…DD5	К155ИЕ2 (7490)	2
DD6	К155ЛА4 (7410)	1
DD7, DD8	К155ТМ2 (7474)	2
DD9	К155ЛР11 (7451)	1
DD10	К155ЛР4 (7455)	1
DD11	К155ПР7 (74185)	1
DD12, DD13	К155ПП4 (7449)	2
DD14	К155КП1 (74150)	1
DD15	К155ИД3 (74154)	1
	Индикаторы
HG1, HG2	АЛC324Б	2

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектируемое многоканальное цифровое устройство позволяет осуществлять передачу цифровых данных от одних устройств к другим по 14 каналам с одновременной их обработкой (цифровое анализирующее устройство ЦАУ). Время работы одного канала составляет 10 с. При этом существует возможность отображения номера работающего канала с помощью семисегментных индикаторов.

В работе также показано, что реализация таких функциональных узлов устройства как генератор импульсов, счетчик импульсов, демультиплексор и мультиплексор возможна как на простых логических элементах, так и на микросхемах.

5. ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Популярные цифровые микросхемы. В. Л. Шило. - Ч:.«Металлургия» 1989. 352с.
   
2. 
   Микросхемотехника. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. – М.: Радио и связь, 1990.
   
3. 
   Аналоговая и цифровая электроника Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 768 с.: ил.
   
4. 
   Основы промышленной электроники. Руденко В. С., Сенько В. И., Трифонюк В. В.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-400 с.
   
5. 
   Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Якубовский С.В., Ниссельсон Л.И., Кулешова В.И. – М.: Радио и связь, 1989. – 496 с.: ил.