Разработка устройства 'Синхронный двоичный счетчик на JK-триггерах'

Разработка устройства 'Синхронный двоичный счетчик на JK-триггерах'

Введение

Микросхемотехника - область знаний, охватывающая проектирование и системное применение интегральных схем и других средств микроэлектроники. Слово «Микросхемотехника» является русским эквивалентом применяемого за рубежом термина «Integrated Circuit Systems», что переводится как «Системы интегральных цепей». Интегральной цепью или микросхемой называется миниатюрное электронное устройство, элементы которого неразрывно связаны (объединены) конструктивно, технологически и электрически. Без микросхемотехники не было бы многих отраслей науки, таких как вычислительная техника, микропроцессорная техника и автоматика, основным параметром которых является миниатюризация всех электронных устройств. Современные средства вычислительной техники эффективно применяются во всех сферах научной и производственной деятельности.

Современную микропроцессорную технику следует воспринимать, как самостоятельную область знаний, интегрирующую достижения микроэлектроники и информатики. Микропроцессорная техника предоставляет разработчику систем два основных варианта структур - персональные компьютеры (ПК) и микроконтроллеры.

Первый микроконтроллер появился на свет в 1976 году, через 5 лет после создания первого микропроцессора. Это была микросхема фирмы Intel, получившая имя 8048. Микроконтроллеры используются для слежения и управления каким-либо процессом, обычно это простая задача или группа близких задач. Они представляют собой универсальные устройства, которые практически всегда используются в составе более сложных устройств. Одной из функций импульсов это подсчет.

Подсчет импульсов является одной из наиболее распространенных операций, выполняемых в устройствах дискретной обработки информации. Такая операция в цифровых устройствах выполняется с помощью счетчиков.

Целью данного курсового проекта является разработка устройства синхронный двоичный счетчик на JK-триггерах. Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

-       разработать структурную схему устройства;

-  выбрать элементную базу для построения принципиальной электрической схемы;

-       рассчитать параметры потребляемой мощности элементов;

-       спроектировать чертёж устройства на печатной плате.

1. Общая часть

.1      Общие сведения о счетчиках

Счётчики относятся к функциональным узлам последовательностного типа, логическое состояние которых определяется последовательностью поступления входных сигналов. Счётчики применяются в различных цифровых устройствах. Назначение счётчика это подсчёт числа некоторых событий или временных интервалов, либо упорядочение событий в хронологической последовательности. Счётчики могут выполнять и другие функции, например, их можно использовать для адресации, в качестве делителей частоты и элементов памяти. Счётчик характеризуются прежде всего модулем счёта (ёмкостью) М. Он переходит при поступлении входных сигналов из состояния в состояние, после каждых М сигналов возвращаясь к началу цикла. Символом счетчиков на схемах служат буквы СТ (от англ. counter - счетчик), после символа проставляют число, характеризующее модуль счета (например, 2 или 10 - СТ2, СТ10). Информация снимается с прямых и (или) инверсных выходов всех триггеров. В паузах между входными импульсами триггеры сохраняют свои состояния, т.е. счетчик запоминает число входных импульсов. Основными эксплуатационными показателями счетчика являются емкость и быстродействие. Емкость счетчика, численно равная коэффициенту счета, равна числу импульсов за один цикл.

Быстродействие счетчика определяется двумя параметрами: разрешающей способностью Тр и временем установки кода счетчика Туст. Под разрешающей способностью подразумевают минимальное время между двумя входными сигналами, в течение которого не возникают сбои в работе. Обратная величина Fмакс=l/Tpаз,cч, называется максимальной частотой счета. Время установки кода Туст равно времени между моментом поступления входного сигнала и переходом счетчика в новое устойчивое состояние. Эти параметры зависят от быстродействия триггеров и способа их соединения между собой.

Классификация счетчиков:

По направлению счета :

-      суммирующие (прямого счета),

-       вычитающие (обратного счета ),

-       реверсивные (с изменением направления счета)

По назначению модуля счета:

-       двоичные( Кс=2N),

-       двоично-десятичные (Кс=10N),

-       счетчики с переменным модулем счета,

-       счетчики с одинарным кодированием,

-       счетчики с унарным кодированием.

По способу организации межразрядных связей:

-       с последовательным переносом,

-       с параллельным переносом, с комбинированным переносом.

По принадлежности к тому или иному классу автоматов:

-       асинхронные счетчики,

-       синхронные счетчики с асинхронным переносом,

-       синхронные счетчики.

Основными характеристиками счетчиков являются:

-       модуль счета ,

-       коэффициент пересчета счетчика ,

-       быстродействие счетчика,

-       разрешающая способность,

-       информационная емкость

Счетчики в основном используются в устройствах управления цифровых систем для подсчетов чисел, для формирования адреса ячеек, для определения числа поступающих сигналов и уменьшения их частоты.

Быстродействие счетчиков характеризуется:

-       временем установления кода,

-       отсчитываемым от начала входного сигнала до момента установления нового состояния,

-       временем распространения переноса ( от начала входного сигнала до момента выходного, вызванного входным),

-       минимальной длительностью единичного и нулевого полутакта входного сигнала.

1.2    Синхронные счетчики

Синхронные счетчики представляют собой наиболее быстродействующую разновидность счетчиков. Наращивание их разрядности при соблюдении определенных условий не приводит к увеличению полной задержки срабатывания. Все разряды счетчика срабатывают одновременно, параллельно. Задержка срабатывания счетчика в этом случае примерно равна задержке срабатывания одного триггера. Быстродействие достигается существенным усложнением внутренней структуры микросхемы. Недостатком синхронных счетчиков является более сложное управление их работой по сравнению с асинхронными счетчиками. Поэтому синхронные счетчики лучше применять в тех случаях, когда требуется очень высокое быстродействие и высокая скорость переключения разрядов. В отличии от других типов счетчиков, синхронные счетчики можно соединять различными способами, причем способ соединения различен для разного количества микросхем. Схема синхронного счетчика в соответствии с рисунком 1

Рисунок 1

Принцип действия синхронного счетчика. Тактовый импульс 1 поступает на синхронизирующий вход каждого триггера, но переключается только триггер младшего разряда Т1, у которого . На выходе счетчика появится двоичное число 001.При приходе на входа синхронизации всех триггеров тактового импульса 2 переключаются два триггера Т1 и Т2, поскольку на входах и этих триггеров действует уровень логической 1. При этом триггер Т1 переходит из состояния 1 в состояние 0, а триггер Т2 - из состояния 0 в состояние 1.

1.3 Построение счетчика на основе JK - триггера

Основой построения счетчика является Т- триггер, так как данный триггер можно реализовать на основе JK - триггера. Чтобы реализовать синхронный Т - триггер на JK - триггере необходимо соединить информационные входы J и K и подать на них 1. Схема синхронного счетного Т-триггера на основе JK-триггера в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2

В свою очередь T-триггер является разновидностью JK-триггера, в котором вместо двух входов J и K имеется один вход Т. Следовательно, триггер работает в двух режимах: при Т=0 триггер сохраняет свое предыдущее состояние, при Т=1 триггер меняет предыдущее состояние на противоположное.

При построении счетчика будут использоваться JK - триггеры, которые соединяются последовательно. Схема счетчика на JK-триггерах в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3

Принцип работы данного счетчика

Условие переключение триггеров определяется логическими элементами И (DD5,DD6,DD7 ), которые на входе Т данного разряда формируют разрешающий на переключение сигнал. Если предыдущие разряды имеют состояние логической единицы.

Таким образом с поступлением каждого счетного импульса переключаются те триггеры, в которой предшествуют разряды с состоянием «1» на выходе. При заполнении счетчика «1» формирует сигнал переноса в старший разряд С>15.

2. Специальная часть

.1 Разработка структурной схемы устройства

В соответствии с заданием, приведенным в приложении А, разработана структурная схема синхронного двоичного счетчика на JK-триггерах. Структурная схема синхронного двоичного счетчика на JK-триггеров в соответствии с рисунком 4.

5

Код запуска

Рисунок 4

Структурная схема состоит из следующих блоков:

Генератор тактовых импульсов - предназначен для синхронизации работы устройства. Формирует прямоугольные импульсы с частотой равной 800 Гц, поступающих на вход узла управления.

Устройство управления - предназначен для начала счета при подачи на него двоичного кода 1001.

Счетный узел - предназначен для подсчета числа тактовых импульсов поступающих на его вход и фиксации этого числа в виде двоичного кода, хранящегося в триггерах.

Узел обратной связи -предназначен для остановки счетчика на числе 25.

2.2 Выбор элементной базы устройства

На основании разработанной структурной схемы выбирается элементная база для построения электрической принципиальной схемы устройства. Для построения устройства была выбрана микросхема серии К555. Данная серия реализуется по технологии ТТЛ. В данной серии содержатся все необходимые элементы для построения синхронного счетчика.

Входные и выходные параметры МС серии К 555 приведены в таблице 1.

Таблица 1

Для построения генератора тактовых импульсов выбирается МС К555ЛА3, содержащую 4 логических элемента И-НЕ, выполняющая функцию Шеффера. Условное графическое обозначение МС К555ЛА3 в соответствии с рисунком 5.

Рисунок 5

К выводу 07 подключается напряжение питания 0В, к выводу 14 подключается напряжение питания плюс 5В.

Для построения счетного узла выбраны микросхемы: К555ТВ6, К555ЛИ3.

МС К555ТВ6- два JK-триггера со сбросом и построена на элементах И-НЕ. Условное графическое обозначение МС К555ТВ6 в соответствии с рисунком 6.

Рисунок 6

Функциональная схема МС К555ТВ6 в соответствии с рисунком 7.

Рисунок 7

Состояние входов и входов микросхемы К555ТВ6 приведены в таблице 2.

Таблица 2

МС К555ЛИ3-содержит 3 логических элемента3И,выполняющая функцию Шеффера. Условно графическое обозначение МС К555ЛИ3 в соответствии с рисунком 8.

Рисунок 8

К выводу 07 подключается напряжение питания 0В, к выводу 14 подключается напряжение питания плюс 5В.

Для построения устройства управления выбраны микросхемы : К555ИД6,К555ЛА4.

МС К555ИД6 - двоично- десятичный дешифратор 4 на 10. Условное графическое обозначение в соответствии с рисунком 9.

Рисунок 9

Функциональная схема МС К555ИД6 в соответствии с рисунком 10

Рисунок 10

Состояние входов и выходов МС К555ИД6 приведено в таблице 3.

Таблица 3

МС К555ЛА4 - содержит 3 логических элемента 3И-НЕ, выполняющая функцию Шеффера. Условно графическое обозначение МС К555ЛИ3 в соответствии с рисунком 11.

Рисунок 11

К выводу 07 подключается напряжение питания 0В, к выводу 14 подключается напряжение питания плюс 5В.

Для построения узла обратной связи выбрана микросхема К555ЛА4. МС приведена в рисунок 11.

2.3 Разработка электрической принципиальной схемы устройства

В соответствие с разработанной структурной схемой и выбранной элементной базой разрабатывается электрической принципиальной схема устройства индикации датчиков.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) строится на трёх логических элементах И-НЕ, конденсаторе C1 и резисторе R1. Вследствие зарядки и разрядки конденсатора, обеспечивается переключение составных логических элементов с необходимой частотой, определяемой емкостью конденсатора C1, резистор R1 образует цепь зарядки и разрядки конденсатора. Схема генератора тактовых импульсов в соответствие с рисунком 12.

Рисунок 12

Устройство управление реализовано на микросхемах: К555ИД6,К555ЛА4.

Схема устройства управления в соответствии с рисунком 13.

Рисунок 13

Для построения счетного узла определяется количество JK триггеров по формуле:

n-1 ≤ Ксч ≤ 2n, (1)

где n - число триггеров;

Kсч - коэффициент счета

≤ 25 ≤ 25

n=5

Для построения счетного узла берется пять JK триггеров и логические элементы И. Триггеры соединяются последовательно.

Число 25 в двоичном коде имеет вид11001, поэтому сигналы берутся с выходов Q1,Q4,Q5.

Основой счетчика является Т-триггер, который строится на основе JK-триггера, для этого входы J и K соединяются и на них подается уровень логической единицы. Схема счетного узла в соответствии с рисунком 14.

Рисунок 14

Узел обратной связи построен на ЛЭ И-НЕ МС КР555ЛА4.

ЛЭ И-НЕ подсоединяемый к счетному узлу в соответствии с рисунком 15.

Рисунок 15

Электрическая принципиальная схема синхронного двоичного счетчик на JK-триггерах приведена в графической части, лист КП.02.00.000.ЭЗ.

2.4 Расчёт электрической принципиальной схемы устройства

Данные для расчётов берутся из таблицы 1.

Расчет элементов генератора тактовых импульсов. Среднее падение напряжения Uср, В, на резисторе R1определяется по формулам:

-

Средний ток, протекающий через резистор R1определяется по формуле:

Сопротивление резистора R1, Ом, определяется по формуле:

Из стандартного ряда номиналов резисторов Е24 выбирается сопротивление, равное 4,7 кОм.

Мощность РR1 Вт, рассеиваемая на резисторе R1, определяется по формуле:

РR1=2,5·0,04·10-3=0,1·10-3 Вт

Из справочника [3] , по ГОСТ 2825-67 выбран резистор R1 типа МЛТ- 0,125-4,7 кОм ± 5%

2.4.2 Период следования импульсов T, сек, определяют по формуле:

,

где f-частота генератора тактовых импульсов, Гц.

Постоянную времени заряда конденсатора С1 определяют по формулам:

𝜏=0,7·C1·R1

Подставив формулу (6) в формулу (7), а затем в формулу (8) для определения емкости конденсатора C1,Ф по формуле:

Из стандартного ряда номиналов емкостей Е24 выбрана емкость конденсатора C1, равная 220 мкФ.

Рабочее напряжение UC1, В, конденсатора С1 определяют по формуле:

UC1 ≥ Uпит

UC1=5 В

Из справочника [3] , по ГОСТ 2519-67 выбран конденсатор С1 типа К53-18 5В-1 мкФ ± 10%.

.4.3 Резистор R2 служит для ограничения тока, для того что бы можно было подать уровень логической «1» на управляющие входы триггера.

Падение напряжение на резисторе R2 рассчитывается по формуле:

В

Сопротивление резистора R2 рассчитывается по формуле:

Из стандартного ряда номиналов резисторов Е24 выбрано сопротивление резистора R2, равное 7,5 кОм.

Мощность РR1 Вт, рассеиваемую на резисторе R1, определяется по формуле:

,

мВт

Из справочника [3] , по ГОСТ 2825-67 выбран резистор R2 типа МЛТ- 0,125-7,5 кОм ± 5%.

.4.4 Потребляемая мощность одной микросхемы рассчитывается по формуле:

где n-количество логических элементов в микросхеме.

Мощность PDD1, Вт, потребляемая микросхемой К555ЛА3, равна:

PDD1 =4·2·10-3 =8·10-3 Вт

Мощность PDD2, Вт, потребляемая микросхемой К555ЛИ3, равна:

PDD2 =3·2·10-3 =6·10-3 Вт

Мощность PDD3, Вт, потребляемая микросхемой К555ИД6, равна:

 PDD3 =18·2·10-3 =36·10-3 Вт

Мощность PDD4, Вт, потребляемая микросхемой К555ТБ6, равна:

PDD4 =8·2·10-3 =16·10-3 Вт

Мощность PDD5, Вт, потребляемая микросхемой К555ТБ6, равна:

PDD5 =8·2·10-3 =16·10-3 Вт

Мощность PDD6, Вт, потребляемая микросхемой К555ТБ6, равна:

PDD6 =8·2·10-3 =16·10-3 Вт

Мощность PDD7, Вт, потребляемая микросхемой К555ЛА4, равна:

PDD7 =3·2·10-3 =6·10-3 Вт

Общая мощность Робщ, Вт, потребляемая устройством, определяется по формуле:

Робщ =РDD1+ РDD2+ РDD3 +РDD4 + РDD5+ РDD6+РDD7 +РR1+ РR2

(17)

Pобщ= 8·10-3 +6·10-3 +36·10-3 +16·10-3 +16·10-3 +16·10-3 +6·10-3 +0,1·10-3 +0,12=104,22 Вт

Полный перечень элементов используемых для построения принципиальной схемы приведён в перечне элементов, лист КП 02.00.000 ПЭ.

2.5 Описание работы электрической принципиальной схемы устройства

Работа устройства начинается с подачи напряжения на ГТИ. ГТИ начинает вырабатывать тактовые импульсы, поступающие на вход устройства управления.

Для нормальной работы счетчика необходимо перед началом работы произвести сброс: подать на входы R всех триггеров, тем самым на выходе DD1.4 устанавливается 0, разрешающий работу счетчика.

При поступлении первого тактового импульса на входе первого триггера появляется единица, все остальные триггеры находятся в нулевом состоянии. При поступлении второго тактового импульса на выходе второго триггера появляется единица, все остальные триггеры находятся в нулевом состоянии. При поступлении на вход И ЛЭ DD2.3 числа 25 счетчик останавливается. Для дальнейшей работы необходимо подать сигнал «Сброс» на входы R всех триггеров.

2.6 Разработка чертежа печатной платы

На основании разработанной принципиальной схемы и выбранной элементной базы разрабатывается чертеж печатной платы устройства индикации датчиков. Для построения чертежа печатной платы производится расчет площади печатной платы. Для этого рассчитываются площади проекции всех элементов, которые будут располагаться на плате.

Площадь проекций микросхем приведена в таблице 4.

Таблица 4

Общая площадь всех элементов вычисляется по формуле:

Площадь печатной платы Sпп, мм2 , определяют по формуле:

,

где k- поправочный коэффициент заполнения платы.

 мм2

Стороны платы вычисляются по формуле:

где a и b - линейные размеры, мм2.

 = 30*53

30 53

Разработка чертежа печатной платы начинается с нанесения координатной сетки шагом 2,5 мм по ГОСТ 10137 - 79. Чертёж печатной платы двухсторонний для того, чтобы проводники не пересекались. Центры отверстий должны находиться в узлах координатной сетки.

В качестве подложки печатной платы выбирается материал - стеклотекстолит СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78.

Чертёж печатной платы приведён в графической части, лист КП. 17.00.000.

Заключение

счетчик триггер электрический

По заданию было разработано устройство - синхронный двоичный счетчик на JK-триггерах, для этого разработана структурная схема этого устройства. Выбрана элементная база для построения электрической принципиальной схемы. Произведён расчёт параметров для выбора элементов. Разработан чертёж печатной платы синхронного двоичного счетчика на JK-триггерах. Так же была рассчитана общая мощность потребляемая данным устройством, которая составляет 0,0966 Вт.

Устройство синхронный двоичный счетчик на JK-триггерах используется в устройствах ввода-вывода, в устройствах управления цифровых систем для счета количества циклов выполнения операций, запоминания кода в аналого-цифровых преобразователях.

3. Техника безопасности

.1 Техника безопасности при работе с электроинструментом

К работе с электроинструментом допускают лиц, прошедших обучение и проверку знаний инструкции по охране труда и имеющих запись в удостоверении о проверке знаний и допуске к выполнению работ с применением электроинструментов.

Электроинструмент, питающийся от сети, должен быть снабжен несъемным гибким кабелем (шнуром) со штепсельной вилкой. Несъемный гибкий кабель электроинструмента должен иметь жилу, соединяющую заземляющий зажим электроинструмента с заземляющим контактом штепсельной вилки. Кабель в месте ввода в электроинструмент должен быть защищен от истирания и перегибов эластичной трубкой из изоляционного материала. Трубка должна быть закреплена в корпусных деталях электроинструмента и выступать из них на длину не менее пяти диаметров кабеля. Необходимо защищать кабель электроинструмента от соприкосновения с горячими, сырыми и масляными поверхностями. Натягивать, прокручивать и перегибать кабель, ставить на него груз, а также допускать пересечение его с тросами, кабелями и рукавами газосварки нельзя.

Устанавливать рабочую часть электроинструмента в патрон и изымать ее из патрона, а также регулировать инструмент следует после отключения его от сети штепсельной вилкой и полной остановки.

Лицам, работающим с электроинструментом, разбирать и ремонтировать самим инструмент, кабель, штепсельные соединения и другие части не разрешается. При каждой выдачи электроинструмента должны быть проверены комплектность и надежность крепления деталей, исправность кабеля и штепсельной вилки, целостность изоляционных деталей корпуса, крышек и рукоятки щеткодержателей, наличие защитных кожухов и их исправность, четкость работы выключателя, работа на холостом ходу.

3.2 Техника безопасности при пайке микросхем

Основным способом соединения микросхем с печатными платами является пайка выводов, обеспечивающая достаточно надежное соединение выводов микросхем с проводниками платы. Для получения качественных паяльных соединений предварительно производят лужение выводов корпуса микросхем, лужение рекомендуется производить припоями и флюсами тех же марок, что и пайку.

Рабочий режим лужения выводов микросхем ТТЛ серии содержит: предельная температура припоя 250° С; предельное время нахождения выводов в расплавленном припое 2 с; минимальное расстояние от тела корпуса до границы припоя по длине вывода 1,3 мм; предельно допустимое число погружений одних и тех же выводов в припой - два; минимальный интервал времени между двумя погружениями одних и тех же выводов 5 мин. При лужении нельзя касаться припоем гермовводов корпуса. Расплавленный припой не должен попадать на стеклянные и керамические части корпуса. Качество паяных соединений должно определяться по следующим признакам: паяная поверхность должна быть светлой или светло-матовой, без темных пятен и посторонних включений; форма паяных соединений должна иметь вогнутые галтели припоя по шву (без избытка припоя). Через припой должны проявляться контуры входящих в соединение выводов.

При пайке не допускается касание расплавленным припоем изоляторов выводов и затекание припоя под основание корпуса. Жало паяльника не должно касаться корпуса микросхемы.

Список используемых источников

1                    Акимов Н.Н, Ващуков Е.И. и др. Справочник резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Минск «Беларусь», 1994.

2          Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. М., «Энергоатомиздат», 1990.

3       Алексеенко А.Г. Микросхемотехника. М., «Радио и связь», 1990.

4          Мышляева И. М. Цифровая Схемотехника. М., «ACADEMA», 2005.

5       Петровский П.И. и др. Логические ИС КР1533, К1554. Справочник в двух частях. «Бином», 1993.

6          Тарабрин Б.В. Справочник по интегральным микросхемам. М., «Радио и связь», 1983.