Устройство селективного управления работой семисегментного индикатора
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ
ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА ЭЛЕКТРОНИКИ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Пояснительная записка
Тема: УСТРОЙСТВО СЕЛЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ
СЕМИСЕГМЕНТНОГО
ИНДЕКАТОРА
КП 2201
453К
Преподаватель
Швайка О. Г.
Учащийся Бляхман Е.С.
УТВЕРЖДЕНО
предметной комиссией
« » __________________________ 2004г.
Председатель _______________________
З А Д А Н И Е
на курсовое
проектирование по курсу ЭЦВМ и МП
учащемуся Бляхман
Е.С. IV
курса 453-К группы
СПИШЭ техникума
(наименование
среднего специального учебного заведения)
(фамилия, имя, отчество)
Тема задания
Устройство селективного управления работой семисегментного индикатора
Курсовой проект на указанную тему выполняется
учащимися техникума в следующем объеме:
1. Пояснительная записка.
Введение.
1. Общая часть.
1.1. Назначение устройства управления.
1.2. Составление
таблицы истинности работы устройства.
1.3. Минимизация
логической функции.
1.4. Выбор и
обоснование функциональной схемы устройства.
1.5. Синтез
электрической принципиальной схемы в базисе И-НЕ.
1.6. Выбор
элементной базы проектируемого устройства.
1.7. Описание используемых
в схеме ИМС и семисегментного индикатора.
2. Расчетная часть проекта
______________________________________________________
2.1. Ориентировочный расчет быстродействия и
потребляемой мощности устройства
управления.
2.2. Расчет вероятности безотказной работы
устройства управления и среднего
времени
наработки на отказ.
4. Графическая часть проекта _______________________________________________
Схема электрическая
принципиальная.
Устройство
селективного управления работой семисегментного индикатора.
Заключение.
Список литературы.
Дата выдачи ______________________________
Срок
окончания ______________________________
Зав.
отделением ______________________________
Преподаватель ______________________________
ВВЕДЕНИЕ
Развитие
микроэлектроники способствовало появлению малогабаритных, высоконадежных и
экономичных вычислительных устройств на основе цифровых микросхем. Требования
увеличения быстродействия и уменьшения мощности потребления вычислительных
средств привело к созданию серий цифровых микросхем. Серия представляет собой
комплект микросхем, имеющие единое конструктивно – технологическое исполнение.
Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре получили серии микросхем
ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и схемы на МОП – структурах.
ТТЛ
схемы появились как результат развития схем ДТЛ в результате замены матрицы
диодов многоэмиттерным транзистором. Этот транзистор представляет собой
интегральный элемент, объединяющий свойства диодных логических схем и
транзисторного усилителя.
1. Общая часть.
1.1. Назначение устройства
На
рисунке в виде “черного ящика” показана комбинационная схема (КС) управляющая
семисегментным индикатором. На вход схемы подаются различные комбинации двух
сигналов X1, X2,
X3, X4 (X1- старший). На индикатор предполагается выводить лишь отдельные цифры
из множества шестнадцатеричных цифр. На выходе Y должна
быть единица, если соединенный с этим выходом сегмент должен загореться при
отображении цифр (для логической схемы). Требуется:
1. Составить совмещенную таблицу истинности,
комплект карт Карно для функции Y, провести совместную
минимизацию в СДНФ и записать логические формулы, выражающие Y через X, выполнить преобразование этих формул к
виду, обеспечивающему минимально возможную реализацию КС в системе логических
элементов ТТЛ серии типа К155 или К555;
2. Выполнить принципиальную электрическую
схему устройства, провести расчет быстродействия и мощности;
3. Выполнить расчет надежности.
1.2.
Составление таблицы истинности работы устройства.
Создание таблицы
истинности работы устройства по следующему набору комбинаций 1,
2, 3, 4, 7, 8, B, C, F.
N
|
X1
|
X2
|
X3
|
X4
|
Y1
|
Y2
|
Y3
|
Y4
|
Y5
|
Y6
|
Y7
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
2
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
3
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
4
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
7
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
8
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
B
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
C
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
F
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1.3. Минимизация логической функции.
Составить
СДНФ по таблице, построить карты Карно и минимизировать их.
1.4. Выбор и обоснование
функциональной схемы устройства.
1.5. Синтез
электрической принципиальной схемы
в базисе «И-НЕ».
Можно уменьшить
количество наименований схем. Это можно сделать путем преобразования с помощью
формул:
В
результате получаем только схемы “И-НЕ” и схемы отрицания
Повторяющиеся
значения формул СДНФ
1.6. Выбор и обоснование элементной базы.
Для
проектирования было предложено выбрать элементы ТТЛ серий 155 и 555. После
сравнения характеристик этих двух серий мною была выбрана 555 серия.
Потому
что:
¾ во-первых, коэффициент разветвления у неё в два раза больше, чем у 155
серии, что в дальнейшем даст возможность не использовать дополнительные
резисторы на входе схемы
¾ во-вторых, элементы 555 серии потребляют меньше мощности в отличие от
серии 155, так как их максимальное напряжение и сила тока меньше, чем у 155
серии.
В
555 серию входят различные логические элементы общим числом 98 наименований. Их
назначение заключается в построении узлов ЭВМ и устройств дискретной автоматики
с высоким быстродействием и малой потребляемой мощностью.
Элементы
И – НЕ в 555 серии содержат простые n-p-n транзисторы VT2 – VT4, многоэмиттерный транзистор VT1, а так же
резисторы и диоды, количество которых зависит от конкретного элемента. Такая
схема обеспечивает возможность работы на большую емкостную нагрузку при высоком
быстродействии и помехоустойчивости.
В
качестве индикатора выбран семисегментный индикатор АЛС320Б, один из немногих
индикаторов способный отображать не только цифровую информацию, но и буквенную,
что необходимо в проектируемом устройстве.
В
моей схеме используется следующие микросхемы серии К555:
К555ЛА1,
К555ЛА2, К555ЛА4, К555ЛН1, К555ЛН2
1.7. Описание
используемых в схеме ИМС и семисегментного индикатора.
К555ЛА1
Два логических элемента 4И-НЕ
№
выв.
|
Назначение
|
№
выв.
|
Назначение
|
1
2
3
4
5
6
7
|
Вход Х1
Вход Х2
Свободный
Вход Х3
Вход Х4
Выход Y1
Общий
|
8
9
10
11
12
13
14
|
Выход Y2
Вход Х5
Вход Х6
Свободный
Вход Х7
Вход Х8
Ucc
|
DIP14
Пластик
Тип микросхемы
|
К555ЛА1
|
Фирма производитель
|
СНГ
|
Функциональные особенности
|
2 элемента 4И-НЕ
|
Uпит
|
5В ± 5%
|
Uпит
(низкого ур-ня)
|
≤ 0,5В
|
Uпит
(высокого ур-ня)
|
≥ 2,7В
|
Iпотреб
(низкий ур-нь Uвых)
|
≤ 2,2мА
|
Iпотреб
(высокий ур-нь Uвых)
|
≤ 0,8мА
|
Iвых
(низкого ур-ня)
|
≤ |-0.36|мА
|
Iвых
(высокого ур-ня)
|
≤ 0,02мА
|
P
|
7,88мВт
|
tзадержки
|
20нСек
|
Kразвёртки
|
20
|
Корпус
|
DIP14
|
К555ЛА2
Логический элемент 8И-НЕ
№
выв.
|
Назначение
|
№
выв.
|
Назначение
|
1
2
3
4
5
6
7
|
Вход Х1
Вход Х2
Вход Х3
Вход Х4
Вход Х5
Вход Х6
Общий
|
8
9
10
11
12
13
14
|
Выход Y1
Свободный
Свободный
Вход Х7
Вход Х8
Свободный
Ucc
|
DIP14
Пластик
Тип микросхемы
|
К555ЛА2
|
Фирма производитель
|
СНГ
|
Функциональные особенности
|
элемент 8И-НЕ
|
Uпит
|
5В ± 5%
|
Uпит
(низкого ур-ня)
|
≤ 0,5В
|
Uпит
(высокого ур-ня)
|
≥ 2,7В
|
Iпотреб
(низкий ур-нь Uвых)
|
≤ 1,1мА
|
Iпотреб
(высокий ур-нь Uвых)
|
≤ 0,5мА
|
Iвых
(низкого ур-ня)
|
≤ |-0,4|мА
|
Iвых
(высокого ур-ня)
|
≤ 0,02мА
|
P
|
4,2мВт
|
tзадержки
|
35нСек
|
Kразвёртки
|
20
|
Корпус
|
DIP14
|
К555ЛА4
Три логических элемента 3И-НЕ
№
выв.
|
Назначение
|
№
выв.
|
Назначение
|
1
2
3
4
5
6
7
|
Вход Х1
Вход Х2
Вход Х4
Вход Х5
Вход Х6
Выход Y2
Общий
|
8
9
10
11
12
13
14
|
Выход Y3
Вход Х7
Вход Х8
Вход Х9
Выход Y1
Вход Х3
Ucc
|
DIP14
Керамический
Тип микросхемы
|
К555ЛА4
|
Фирма производитель
|
СНГ
|
Функциональные особенности
|
3 элемента 3И-НЕ
|
Uпит
|
5В ± 5%
|
Uпит
(низкого ур-ня)
|
≤ 0,5В
|
Uпит
(высокого ур-ня)
|
≥ 2,7В
|
Iпотреб
(низкий ур-нь Uвых)
|
≤ 1,2мА
|
Iпотреб
(высокий ур-нь Uвых)
|
≤ 0,8мА
|
Iвых
(низкого ур-ня)
|
≤ |-0.36|мА
|
Iвых
(высокого ур-ня)
|
≤ 0,02мА
|
P
|
11,8мВт
|
tзадержки
|
15нСек
|
Kразвёртки
|
20
|
Корпус
|
DIP14
|
К555ЛН1
Шесть инверторов
№
выв.
|
Назначение
|
№
выв.
|
Назначение
|
1
2
3
4
5
6
7
|
Вход Х1
Выход Y1
Вход Х2
Выход Y2
Вход Х3
Выход Y3
Общий
|
8
9
10
11
12
13
14
|
Выход Y4
Вход Х4
Выход Y5
Вход Х5
Выход Y6
Вход Х6
Ucc
|
DIP14
Пластик
Тип микросхемы
|
К555ЛН1
|
Фирма производитель
|
СНГ
|
Функциональные особенности
|
6 инверторов
|
Uпит
|
5В ± 5%
|
Uпит (низкого
ур-ня)
|
≤ 0,5В
|
Uпит
(высокого ур-ня)
|
Iпотреб
(низкий ур-нь Uвых)
|
≤ 6,6мА
|
Iпотреб
(высокий ур-нь Uвых)
|
≤ 2,4мА
|
Iвых
(низкого ур-ня)
|
≤ |-0.36|мА
|
Iвых
(высокого ур-ня)
|
≤ 0,02мА
|
P
|
23,63мВт
|
Tзадержки
|
≤ 20нСек
|
Kразвёртки
|
20
|
Корпус
|
DIP14
|
К555ЛН2
Шесть инверторов с открытым коллекторным выходом
№
выв.
|
Назначение
|
№
выв.
|
Назначение
|
1
2
3
4
5
6
7
|
Вход Х1
Выход Y1
Вход Х2
Выход Y2
Вход Х3
Выход Y3
Общий
|
8
9
10
11
12
13
14
|
Выход Y4
Вход Х4
Выход Y5
Вход Х5
Выход Y6
Вход Х6
Ucc
|
DIP14
Пластик
Тип микросхемы
|
К555ЛН2
|
Фирма производитель
|
СНГ
|
Функциональные особенности
|
6 инверторов с
открытым коллекторным выходом
|
Uпит
|
5В ± 5%
|
Uпит
(низкого ур-ня)
|
≤ 0,5В
|
Uпит
(высокого ур-ня)
|
≥ 2,7В
|
Iпотреб
(низкий ур-нь Uвых)
|
≤ 6,6мА
|
Iпотреб
(высокий ур-нь Uвых)
|
≤ 2,4мА
|
Iвых
(низкого ур-ня)
|
≤ |-0.36|мА
|
Iвых
(высокого ур-ня)
|
≤ 0,02мА
|
P
|
23,63мВт
|
Tзадержки
|
≤ 32нСек
|
Kразвёртки
|
20
|
Корпус
|
DIP14
|
ИНДИКАТОР ЦИФРОВОЙ
АЛС320Б
Название
|
АЛС320Б
|
Цвет свечения
|
зеленый
|
Н, мм
|
5
|
М
|
1
|
Lmin, нм
|
555
|
Lmax, нм
|
565
|
Iv, мДж
|
0.15
|
при Iпр, мА
|
10
|
Uпр max(Uпр max имп), В
|
3
|
Uобр max(Uобр max имп), В
|
5
|
Iпр max(Iпр max имп), мА
|
12
|
Iпр и max, мА
|
60
|
при tи,
мс
|
1
|
при Q
|
12
|
Т,°С
|
-60…+70
|
2. Расчетная часть
2.1. Расчет быстродействия и потребляемой мощности
устройства
·
Расчет номиналов
резисторов
Из расчетов видно, что
сопротивление равно 758 Ом, а его наминал,
равен 1 кОм. Сопротивление индикатора равно 167 Ом, а его
наминал, равен 250 Ом.
·
Расчет
быстродействия
Таким образом, из расчета, время задержки составляет
127 нс.
·
Расчет мощности
Таким образом, из расчета я
получил потребляемую мощность
равную 402,88 мВт
2.2. Расчет вероятности безотказной работы устройства
и
среднего времени наработки на отказ.
Наименее
|
Обозначение
на схеме
|
Кол-во
элементов
|
lо
10-6
|
Режим работы
|
Усл. раб.
Кl
|
Коэф.
а
|
li
=a×кl×lо
10-6
|
10-6
|
Кн
|
tс
|
Резисторы
|
R1
|
1
|
1
|
1
|
50
|
1,6
|
2,7
|
4,32
|
4,32
|
R2-8
|
7
|
0,4
|
1,728
|
12,096
|
ИМС
|
DD1-DD10
|
10
|
0,1
|
1
|
50
|
1
|
2,7
|
0,27
|
2,7
|
ИМС
(К555ЛН2)
|
DD11-DD12
|
2
|
0,08
|
1
|
50
|
1
|
2,7
|
0,216
|
0,432
|
Индикатор
|
VD
|
7
|
5
|
1
|
50
|
1,6
|
2,7
|
21,6
|
151,2
|
1.
Прикидочный расчет
2.
Ориентировочный расчет
3.
Окончательный расчет
Графическая часть проекта.
Заключение.
В
курсовом проекте я разработал электрическую принципиальную схему управления
семисегментного индикатора.
Изначально,
по заданию, составив таблицы истинности и минимизировав логическую функцию,
получили те сигналы, которые поступят непосредственно на индикатор (пройдя
предварительную инверсию). Преобразовав полученные формулы и выделив
повторяющиеся блоки, оптимизировал работу схемы. В ней используются микросхемы
серии К555, т.к. они являются более новыми, чем серия К155, а также
рассчитывались номинал резисторов, быстродействие, потребляемая мощность и
вероятность безотказной работы устройства.
Значение
прикидочного расчета больше, так как при его расчете было взято максимальное
значение коэффициента интенсивности отказов, а в ориентировочном расчете для
каждого элемента свое. Из-за этой разницы в ориентировочном расчете увеличилось
P(t) и Tср.
Список литературы.
1. «Справочник по
интегральным микросхемам» Тарабин; Москва 1981г.
2. «Цифровые
интегральные микросхемы» Богданович М.И., Грель И.Н., Похоренко В.А., Шалимо
В.В.; Минск, Беларусь 1991г.
3. Конспект по
предмету «Конструирование ЭВМ» преподаватель – Пушницкая И.В.
4. Конспект по
предмету «Типовые элементы и устройства цифровой техники» преподаватель –
Золотарев И.В., Тихонов Б.Н.
5. методическая
указания к выполнению курсового проекта по предмету «Электронные цифровые
вычислительные машины и микропроцессоры» Пушницкая И.В., Чечурина А.В.
Ленинград 1990г.
6. Методические
рекомендации по оформлению курсовых и дипломных проектов Лагутина Н.И.;
Ленинград 1987г.
7. «Справочник по
полупроводниковых электронных приборов» Иванов В.И.
8. «Справочник
интегральных микросхем» Нефедов
9. «Импульсные и
цифровые устройства» Браммер Ю.А., Пащук И.Н.