Логический синтез цифровых устройств
Министерство
образования и науки РФ
Костромской
Государственный Технологический Университет
Кафедра АМТ
Дисциплина:
«Микросхемотехника»
Курсовая
работа
“ЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВ”
Вариант - 60F7
Выполнила: Солодова В. В.
Группа: 09-А-1а
Проверил: Лапшин. В.В.
Кострома 2012
1.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА
Объект представляет собой техническое устройство, в которое поступают
различные детали. Имеются 5 датчиков, которые определяют соответствие деталей
("да"-"нет") некоторым параметрам (размер, форма, цвет,
конфигурация и т.п.). В зависимости от комбинации сигналов датчиков
f(X5,X4,X3,X2,X1) детали сортируются и направляются в разные бункеры и
подсчитываются.
Рассмотрим работу одного бункера. При поступлении детали в позицию
сортировки вырабатывается сигнал ГОТОВ, который равен "1" все время
нахождения детали в этой позиции. Для проектируемой схемы сигнал ГОТОВ и
сигналы датчиков Х5,Х4,Х3,Х2,Х1 - внешние. По фронту сигнала ГОТОВ запускается
одновибратор. Через время задержки t1 (на срабатывание датчиков) одновибратор
формирует синхроимпульс длительностью t2. По сигналу "1" на выходе
комбинационной схемы и синхроимпульсу детали направляются в соответствующий
бункер. Схема счетчика осуществляет подсчет деталей, поступающих в бункер, и
при достижении заданного числа N выдает сигнал о заполнении бункера.
Структурная схема цифрового устройства, которое требуется реализовать в
ходе работы, представлена на рисунке 1. На рисунке 1 приняты обозначения: G1 и G2 - одновибраторы.
Рис. 1. Структурная схема цифрового устройства.
. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
В соответствии с таблицей состояний (см. таблицу 1) минимизировать
логическую функцию и синтезировать ее в заданном базисе (таблица 2).
Таблица 1.
|
№
|
X5
|
X4
|
X3
|
X2
|
X1
|
F
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
|
2
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
3
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
4
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
|
5
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
X
|
|
6
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
7
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
X
|
|
8
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
9
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
X
|
|
10
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
11
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
12
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
|
13
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
14
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
15
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
X
|
|
16
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
17
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
|
18
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
19
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
20
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
|
21
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
22
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
23
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
24
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
25
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
X
|
|
26
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
27
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
|
28
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
29
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
30
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
31
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
Таблица 2.
|
Вариант
|
Базис логической функции и
дешифратора
|
Базис счетчика
|
Тип индикатора
|
|
F
|
И, ИЛИ, НЕ
|
К555ТВ9
|
АЛС342А
|
Спроектировать одновибратор на интегральных таймерах для заданного
времени задержки t1 и длительности
импульса t2 (см. таблицу 3 и рис. 2).
Таблица 3.
|
Вариант
|
T1, c
|
T2, мc
|
Микросхема
|
|
7
|
0,12
|
10
|
К555АГ3
|
Синтезировать в заданном элементном базисе счетчик с заданным модулем
счета N и направлением счета (см. таблицу 4
и таблицу 2).
Таблица 4.
|
Вариант
|
Модуль счета
|
Направление счета
|
|
0
|
5
|
прямой
|
Разработать дешифратор для индикации показаний счетчика при заданном типе
индикатора (см. таблицу 2).
Выполнить чертеж разработанной схемы.
3. СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
Минимизацию логической функции можно произвести двумя способам: по методу
Квайна и по методу карт Карно. Воспользуемся методом карт Карно, т.к. он
наиболее прост при хорошей результативности.
Составим карты Карно для нашей логической функции. Аргументов этой
функции пять, поэтому эту функцию представим в виде двух карт. В плоскости
одной переменная Х5 будет иметь значение 0, в плоскости другой - 1. В
остальном, карты заполняются стандартно (см. рис. 3).
X5=0 X5=1
|
0000 0
|
0010 2
|
0011 3
|
0001 1
|
|
1000 8
|
1010 10
|
1011 11
|
1001 9
|
|
1100 12
|
1110 14
|
1111 15
|
1101 13
|
|
0100 4
|
0110 6
|
0111 7
|
0101 5
|
|
0000 16
|
0010 18
|
0011 19
|
0001 17
|
|
1000 24
|
1010 26
|
1011 27
|
1001 25
|
|
1100 28
|
1110 30
|
1111 31
|
1101 29
|
|
0100 20
|
0110 22
|
0111 23
|
0101 21
|
Рис 3. Карты Карно.
Теперь составим минимизированную функцию, описывая каждый контур путем
включения только тех переменных, которые во всех клетках контура не меняют
своего значения. Получаем:
Рис.
4. Схема устройства, реализующего логическую функцию.
4 Проектирование одновибратора
Одновибратор должен обеспечить передачу данных (сигнала) от логического
устройства пункта 3. к счетчику (рис. 1) в строго нормированные моменты времени
(рис. 2), т.е. спустя время t1 после прихода сигнала ГОТОВ должен быть выдан
импульс продолжительностью t2.
Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) - представляют собой микросхемы,
которые в ответ на входной сигнал (логический уровень или фронт) формируют
выходной импульс заданной длительности. Длительность этого импульса
определяется внешними времязадающими резисторами и конденсаторами. То есть
можно считать, что у одновибраторов есть внутренняя память, но эта память
хранит информацию о входном сигнале строго заданное время, а потом информация
исчезает. АГ3 - два одновибратора в одном корпусе с перезапуском. То есть
начинает отсчет нового времени выдержки Т с каждым новым входным сигналом
независимо от того, закончилось ли предыдущее время выдержки. В случае, когда
период следования входных сигналов меньше времени выдержки, выходной импульс
одновибратора с перезапуском не прерывается. Также имеет дополнительный вход
сброса -R, логический нуль на котором не только запрещает выработку выходного
сигнала, но и прекращает его действие.
А, -А1, -А2 - инверсные входные сигналы
В - Прямые входные сигналы- прямые выходные сигналы
Q - инверсные выходные сигналы
Сигналы управления для мультивибратора из микросхемы АГ3 (таблица 5)
|
Входы
|
Выходы
|
|
-R
|
A
|
B
|
Q
|
-Q
|
|
0
|
Х
|
Х
|
0
|
1
|
|
Х
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
Х
|
Х
|
0
|
0
|
1
|
0
|
  
|
|
|
|
1 (2)
|
 1
|
|
|
|
|
01
|
|
|
|
|
Таблица 5
(1) - Сигналы управления первого одновибратора
(2) - Сигналы управления второго одновибратора
Схемы одновибраторов представлены на рисунке 5.
Рис. 5 Блок одновибраторов
Интервалы t1 и t2 задаются путем подбора время задающих элементов Rt и Ct, исходя из формулы (1)
Как видим, что имеется очень маленькое расхождение между теоретическим и
рассчитанным временем задержки.
Чтобы одновибраторы не находились в режиме постоянного RESETа подключается вход R к источнику питания через
сглаживающий резистор R3=
1,2 кОм.
Выберу в соответствии с ГОСТом и рядом номинальных значений Е24 следующие
марки конденсаторов и резисторов
R1 : МЛТ - 0.125 - 39кОм ±5%: МЛТ - 0.125 - 47кОм ±5%
С1 : K10 - 7 - 1 - 50В - 6.8 мкФ ±5%
С2 : K10 - 7 - 1 - 50В - 4.7 мкФ ±5%
5. Синтез счетчика
Микросхема
К555ТВ9 - универсальный, многоцелевой JK-триггер, который имеет
инверсные входы установки 
и сброса 
. Каждый
из входов J и K снабжен трехвходовым логическим элементом И, поэтому
у микросхемы три входа J и три входа K. У триггера есть тактовый вход 
и комплиментарные выходы Q и 
.
Таблица
переходов JK-Триггера.
|
Переход
|
J
|
K
|
|
0 -> 0
|
0
|
*
|
|
0 -> 1
|
1
|
*
|
|
1 -> 0
|
*
|
1
|
|
1 -> 1
|
*
|
0
|
Для N=5 необходимо 3 триггера, так как
23=8, но 3 состояния не используются.
Таблица состояний и переходов.
|
i
|
Текущее состояние
|
Следующее состояние
|
Т3
|
Т2
|
Т1
|
|
Q3
|
Q2
|
Q1
|
Q3
|
Q2
|
Q1
|
п
|
J3
|
K3
|
п
|
J2
|
K2
|
п
|
J1
|
K1
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
00
|
0
|
*
|
00
|
0
|
*
|
01
|
1
|
*
|
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
00
|
0
|
*
|
01
|
1
|
*
|
10
|
*
|
1
|
|
2
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
00
|
0
|
*
|
11
|
*
|
0
|
01
|
1
|
*
|
|
3
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
01
|
1
|
*
|
10
|
*
|
1
|
10
|
*
|
1
|
|
4
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
10
|
*
|
1
|
00
|
0
|
*
|
00
|
0
|
*
|
Схема расположения минтермов.
Составим карты Карно и найдем МДНФ.
|
Для Т3:
|
J3
|
|
|
|
|
K3
|
|
|
|
|
J3= 0010****
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K3= *XXX1XXX
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для Т2:
|
J2
|
|
|
|
|
K2
|
|
|
|
|
J2= 0**1*01*
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K2=Q1
|
0
|
X
|
X
|
X
|
|
*
|
X
|
X
|
X
|
|
Для Т1:
|
J1
|
|
|
|
|
K1
|
|
|
|
|
J1= 11****11
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K1=1
|
0
|
X
|
X
|
X
|
|
*
|
X
|
X
|
X
|
6. РАЗРАБОТКА ДЕШИФРАТОРА ПРИ ЗАДАННОМ ТИПЕ ИНДИКАТОРА
Дешифратор предназначен для преобразования двоичного числа, поступившего
со счетчика, в 8 разрядный код для индикаторов типа АЛС342А. Условно принимаем,
что при подаче логической единице сегмент на индикаторе светится.
Семисегментный индикатор показан на рисунке 9.
Каждый сегмент будет находиться в одном из двух состояний (светится или
не светится) при каждой комбинации входных сигналов. Таблица состояний каждого
индикатора при определенном коде на входе дешифратора - таблица 8.
Таблица 8.
|
№
|
Q3
|
Q2
|
Q1
|
a
|
b
|
c
|
d
|
e
|
f
|
g
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
2
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
3
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
4
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
Поведение каждого сегмента можно описать логической функцией, переменными
которой являются Q3, Q2 и Q1. Составим карты Карно для всех сегментов и
произведем минимизацию ЛФ, которыми описывается их состояние (см. рис. 10).
a b с
f g
d
Рис 10.
Карты Карно, для
дешифратора.
Полученные логические функции:
а= Q1ּQ3 + Q2
b= 1
c= Q2 Q1ּ+Q1
d= Q1ּQ3 + Q2
e= Q1ּQ3
f= Q1ּQ2
g= Q3 + Q2
Íà îñíîâå ôîðìóë
ïóíêòà 6.4. è ñâåäåíèé
ïóíêòà 6.1. ïðîåêòèðóåì
ïðèíöèïèàëüíóþ
ñõåìó äåøèôðàòîðà,
êîòîðàÿ ïðåäñòàâëåíà
íà ðèñ. 11.
Ðàñ÷¸ò íîìèíàëîâ
ñîïðîòèâëåíèé
R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10.
Äëÿ íîðìàëüíîé
ðàáîòû ñåãìåíòà
èíäèêàòîðà íåîáõîäèì
òîê, ïðîòåêàþùèé
÷åðåç íåãî 15-20 ìÀ
è ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ
íà íåì 3,5 Â. Ñëåäîâàòåëüíî
ìîæíî ðàññ÷èòàòü
ñîïðîòèâëåíèå
ðåçèñòîðîâ:
Òåïåðü
íàéäåì òîê, ïðîòåêàþùèé
÷åðåç ìèêðîñõåìó,
êîãäà íà åå âûõîäå
ëîãè÷åñêèé “0”
è ñîîòâåòñòâåííî
ñåãìåíò èíäèêàòîðà
íå àêòèâåí. Ó÷èòûâàÿ,
÷òî ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ
íà îòêðûòîì òðàíçèñòîðå
ìèêðîñõåìû ïðèìåðíî
0,3 Â, òî
.
Òàê
êàê íà âûõîäå
ñòîÿò áóôåðíûå
ìèêðîñõåìû ñ
äîïóñòèìûì òîêîì
íàãðóçêè âûõîäà
60 ìÀ, òî æåëàòåëüíî
ñîïðîòèâëåíèÿ
âçÿòü ïîáîëüøå,
íàïðèìåð 82 Îì, òîãäà
,
à
ïðÿìîé òîê ÷åðåç
ñåãìåíò èíäèêàòîðà
.
Ïðè
ýòîì äîñòèãàåòñÿ
íîðìàëüíàÿ ðàáîòà
è ñåãìåíòîâ èíäèêàòîðà
è ñîîòâåòñòâóþùèõ
âûõîäíûõ ìèêðîñõåì.
Ðèñ. 11. Ïðèíöèïèàëüíàÿ
ñõåìà äåøèôðàòîðà
.
. ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ
 ðåçóëüòàòå
ïðîäåëàííîé ðàáîòû
áûëè ðàçðàáîòàíû
ñëåäóþùèå ôóíêöèîíàëüíûå
÷àñòè åäèíîãî
öèôðîâîãî óñòðîéñòâà:
·
ëîãè÷åñêîå
óñòðîéñòâî, ðåàëèçóþùåå
çàäàííóþ ëîãè÷åñêóþ
ôóíêöèþ;
·
îäíîâèáðàòîð,
ñèíõðîíèçèðóþùèé
ïîñòóïëåíèå
èíôîðìàöèè ñ
ëîãè÷åñêîãî
óñòðîéñòâà íà
ñ÷åò÷èê;
·
ñ÷åò÷èê
îò 0 äî 4 ;
·
äåøèôðàòîð
äëÿ ïðåäñòàâëåíèÿ
ðåçóëüòàòà ðàáîòû
óñòðîéñòâà â
äîñòóïíîé äëÿ
÷åëîâåêà ôîðìå.
öèôðîâîé óñòðîéñòâî
èíòåãðàëüíûé
äâîè÷íûé
Òàáëèöà ñ âûáðàííûìè
ýëåêòðè÷åñêèìè
ýëåìåíòàìè
|
Ïîç. îáîçíà÷åíèå
|
Íàèìåíîâàíèå
|
Êîë.
|
Ïðèìå÷àíèå
|
|
Ðåçèñòîðû
ÃÎÑÒ 11.076-69
|
|
|
|
R1
|
ÌËÒ -
0.125 - 39êÎì ±5%
|
1
|
|
|
R2
|
ÌËÒ -
0.125 - 47êÎì ±5%
|
1
|
|
|
R3
|
ÌËÒ-0.125-1.2 êÎì ±10%
|
1
|
|
|
R4-R10
|
ÌËÒ-0,125-75
Îì ±5%
|
7
|
|
|
R11
|
|
1
|
|
|
Êîíäåíñàòîðû
ÃÎÑÒ 2.728-74
|
|
|
|
C1
|
K10 - 7 - 1 - 50Â
- 6.8 ìêÔ ±5%
|
1
|
|
|
C2
|
K10 - 7 - 1 - 50Â
- 4.7 ìêÔ ±5%
|
1
|
|
|
|
|
|
|
Ëîãè÷åñêèå
ìèêðîñõåìû ÃÎÑÒ
2.743-82
|
|
|
|
DD1.1
|
Ê555ËÍ1
|
1
|
íå
|
|
DD2.1-DD2.2
|
Ê555ËÈ3
|
2
|
3È
|
|
DD3.1-DD3.2
|
Ê155ËË1
|
2
|
4ÈËÈ
|
|
DD4.1-
DD4.2
|
Ê155ËÈ1
|
2
|
4È
|
|
DD5.1-DD5.3
|
Ê155ËÈ1
|
3
|
4È
|
|
DD6.1-DD6.2
|
Ê155ËÈ1
|
2
|
4È
|
|
DD7.1
|
Ê155ËË1
|
1
|
4ÈËÈ
|
|
DD8.1-DD8.3
|
Ê155ËË1
|
3
|
4ÈËÈ
|
|
|
|
|
|
Ìóëüòèâèáðàòîðû
|
|
|
|
DD9, DD10
|
Ê555ÀÃ3
|
2
|
|
|
|
DD11, DD12, DD13
|
Ê555ÒÌ9
|
3
|
|
|
|
|
|
|
Èíäèêàòîðû
ÃÎÑÒ 2.764-86
|
|
|
|
DD17
|
ÀËÑ342À
|
1
|
|
|
|
|
|
Ðàçìåùåíî
íà Allbest.ru