|
|
|
|
Разработка логического устройства комбинационного типа на мультиплексорах
Разработка логического устройства комбинационного типа на мультиплексорах
Министерство образования Российской Федерации Северокавказский Государственный Технический Университет Кафедра электроники и микроэлектроники Курсовой проект По дисциплине «Электро промышленные устройства» на тему : Разработка логического устройства комбинационного типа на мультиплексорах Выполнил: студент 4 курса группы УПЭ-991 Козидубов Е. Н. Принял: Денисюк.И.А. Ставрополь 2001 Содержание. Введение __________________________________________________________
1. Постановка задачи и выбор методики расчета._________________________
2. Разработка и расчет схемы логического устройства управления.__________
2.1Разработка логического устройства управления на двух входовых мультиплексорах._________________________________________________
2.2 Разработка логического устройства управления на трех входовых мультиплексорах._________________________________________________
2.3 Выбор варианта схемы и перечня элементов.__________________________
2.4 Расчет требований к источнику питания._____________________________
2.5 Анализ гонок сигналов.____________________________________________
2.6 Расчет надежности устройства._____________________________________
3. Разработка печатной платы.________________________________________
3.1 Разработка требований к печатной плате._____________________________
3.2 Разработка схемы размещения на плате.______________________________ Литература.______________________________________________________
Заключение _________________________________________________________ ВВЕДЕНИЕ В настоящее время микросхемы получили широкое распространение. Это
обусловлено возможностью реализации на их основе самых различных цифровых
устройств. Промышленностью выпускаются микросхемы нескольких типов, каждый
из которых удовлетворяет ограниченному числу требований. Все вместе они
перекрывают широкий диаппазон требований. К одним из типов микросхем относятся и мультиплексоры(МС).
МС относятся к схемам коммутации цепей, т.е они соединяют один из входов с
выходом . МС относятся к универсальным схемам на их основе можно реализовать
любую логическую функцию, число переменных в которой не привышает число
адресных входов, также можно выполнить преобразование паралельного кода в
последовательный. Выпускают мультиплексоры с 2,3 и 4 адресными входами
. В данной работе будет рассмотрена реализация логической функции на
мультиплексорах. 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫБОР МЕТОДИКИ РАСЧЕТА Построение логических схем на мультиплексорах и вспомогательных
элементах обычно ведется в виде древовидных цепочек, каскадных структур,
отличающихся способами функционального разделения и разложения булевых
функций (БФ). Наиболее часто на практике применяется разложение БФ по
методу Шеннона, имеющему вид: [pic]
где [pic]- остаточные функции (ОФ) разложения, которые получаются из
функции f путем подстановки констант 0 и 1 вместо переменного множества
[pic].
Для f0 имеем [pic]; для f1 имеем [pic];
для [pic] имеем [pic].
Разложение булевых функций является одним из трудоемких этапов
проектирования логических схем на мультиплексорах, так как получение
оптимального решения связывается с частичным или полным перебором вариантов
разложения булевых функций, по определенному числу переменных, причем в
зависимости от сложности реализуемых на мультиплексорах булевых функций,
процесс разложения является многоступенчатым, выполнением до момента
полного сведения получаемых остаточных функций к простейшему виду.
С учетом работы мультиплексоров и конструктивных особенностей их реализации с числом управляющих входов q(q=2,3) и информационных входов, равным
2q(2,8), разложение заданной функции можно вести по двум, трем переменным. Тогда при построении логической схемы на мультиплексорах эти переменные должны подключатся к управляющим входам, а остаточные функции к информационным входам соответствующего мультиплексора. 2. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ СХЕМЫ ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ. 2.1Разработка логического устройства управления на двух входовых мультиплексорах. По заданию нам дана функция представленная в числовом виде
[pic]
Представим эту функцию в виде таблицы (таб.1) истинности таблица
№ 1.
|№ |Х4 |Х3 |Х2 |Х1 |Х0 |Y |
|0 |0 |0 |0 |0 |0 |1 |
|1 |0 |0 |0 |0 |1 |0 |
|2 |0 |0 |0 |1 |0 |0 |
|3 |0 |0 |0 |1 |1 |1 |
|4 |0 |0 |1 |0 |0 |1 |
|5 |0 |0 |1 |0 |1 |1 |
|6 |0 |0 |1 |1 |0 |1 |
|7 |0 |0 |1 |1 |1 |1 |
|8 |0 |1 |0 |0 |0 |0 |
|9 |0 |1 |0 |0 |1 |0 |
|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 |0 |
|14 |0 |1 |1 |1 |0 |0 |
|15 |0 |1 |1 |1 |1 |1 |
|16 |1 |0 |0 |0 |0 |1 |
|17 |1 |0 |0 |0 |1 |1 |
|18 |1 |0 |0 |1 |0 |1 |
|19 |1 |0 |0 |1 |1 |1 |
|20 |1 |0 |1 |0 |0 |1 |
|21 |1 |0 |1 |0 |1 |1 |
|22 |1 |0 |1 |1 |0 |1 |
|23 |1 |0 |1 |1 |1 |1 |
|24 |1 |1 |0 |0 |0 |1 |
|25 |1 |1 |0 |0 |1 |1 |
|26 |1 |1 |0 |1 |0 |0 |
|27 |1 |1 |0 |1 |1 |0 |
|28 |1 |1 |1 |0 |0 |0 |
|29 |1 |1 |1 |0 |1 |0 |
|30 |1 |1 |1 |1 |0 |0 |
|31 |1 |1 |1 |1 |1 |0 |
Далее минимизируем заданную функцию по карте Карно.
Х3 Х3 Х2 Х2
|1 |0 |0 |1 |0 |0 |0 |1 |
|1 |0 |0 |1 |1 |0 |1 |1 |
|1 |0 |1 |1 |0 |0 |0 |1 |
|1 |0 |1 |1 |1 |0 |0 |1 | Х4 Минимизировав функцию запишем МДНФ.
[pic]
Так как число входов у мультиплексора два , а переменных пять то произведем
декомпозицию логической функции.После декомпозиции получим остаточные
функции меньшего числа переменных. Выберем две переменные из МДНФ которые будут подаваться на вход
первого мультиплексора . Х0 - встречается 3 раза в МДНФ Х1 - 4 Х2 - 6 Х3 - 4 Х4 - 3
Выберем Х1 Х2 . [pic] Число переменных велико произведем еще одну декомпозицию. Х0 - встречается 3 раза в уравнениях у0,у1,у2,у3, первой декомпозиции Х1 - -- Х2 - -- Х3 - 6 Х4 - 4
Произведем декомпозицию относительно Х3 Х4 . [pic] По этим данным рисуем схему заданной логической функции рис.2.1. 2.2 Разработка логического устройства управления на трех входовых мультиплексорах. Используя МДНФ из раздела 2.1 произведем декомпозицию для трех входов и
получим восемь остаточных функций. Х0 - встречается 3 раза в уравнении МДНФ Х1 - 4 Х2 - 6 Х3 - 4 Х4 - 3
Произведем декомпозицию относительно Х3 ,Х2 , Х1 . [pic] По этим данным рисуем схему заданной логической функции рис.2.2. 2.3 Выбор варианта схемы и перечня элементов. В зависимости от технологии ИС подразделяются на серии, различающиеся
физическими параметрами базовых элементов, а также функциональным
назначением входящих в их состав микросхем. В настояшее время разработано
несколько десятков технологий изготовления ИС. Наиболее широкое применение
получили ИС, изготавливаемые по ТТЛ, КМОП и п-МОП - технологиям. Каждая
технология постоянно совершенствуется с целью увеличения быстродействия ИС,
уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции – число
элементов, размещаемых на кристалле заданной площади. Выбираем серию К1533
изготавливаемую по ТТЛШ технологии.
Исходя из схем построенных на двух и трех входовых мультиплексорах на
рисунках 2,3. Видим что при использовании сдвоенных двух входовых
мультиплексорах количество корпусов такое как при использовании трех
входовых мультиплексорах. Выбираем трех входовые мультиплексоры так как
при их использовании уменьшается количество соединений
Выбираем мультиплексор типа К1533КП7.
Селектор мультиплексор 8->1 со стробированием К1533КП7 |Входы |Выходы|
|А2|А1|А0|? |Y |? |
|X |X |X |1 |0 |1 |
|0 |0 |0 |0 |D0|D0|
|0 |0 |1 |0 | | |
|0 |1 |0 |0 |D1|D1|
|0 |1 |1 |0 | | |
|1 |0 |0 |0 |D2|D2|
|1 |0 |1 |0 | | |
|1 |1 |0 |0 |D3|D3|
|1 |1 |1 |0 | | |
| | | | |D4|D4|
| | | | | | |
| | | | |D5|D5|
| | | | | | |
| | | | |D6|D6|
| | | | | | |
| | | | |D7|D7| таблица истинности Справочные данные К1533КП7
Питание(+5±5% В): вывод 16 Земля: вывод 8
Iпот, мА 10
Iвх 0;1, мА -0,4; 0,02
Iвых 0;1, мА 8; -0,4
Uвых 0;1, В 0,5; 2,7
Tзд , н.с 20 2.4 Расчет требований к источнику питания Используя справочные данные мультиплексора К1533КП7 рассчитаем требования
к источнику питания. Найдем мощность потребляемую одной микросхемой
Pмик=Iпот * Uпит =0,01А *5В = 50 мВт.
Зная мощность потребляемую одной микросхемой найдем мощность потребляемую
всей схемой Рсхем =N*Рмик =3*0,05 =150 мВт.
где N количество микросхем.
Для данной схемы нужен источник питания на напряжения 5В , нестабильность
напряжения не должна превышать ±5%, мощностью не мнение 150 мВт. 2.5 Анализ гонок сигналов Гонки сигналов в комбинационных схемах это процесс связанный с тем что на
разные входы данной микросхемы поступают сигналы имеющие разную величину
временной задержки относительно тактовых точек. Для анализа наличия гонок в
схеме необходимо посмотреть все возможные варианты действия на микросхему
сигналов на ее входе при наличии взаимных временных задержек сигналов друг
относительно друга. Меры борьбы с гонками .
Первое выравнивание запаздывания сигналов за счет искусственных задержек
тех сигналов которые опережают друг друга. Для задержек могут
использоваться повторители имеющие задержку. Этот способ сопряжен с
усложнением схемы. Еще один способ это для борьбы с гонками это увеличить длительность
импульса снизив тактовую частоту. Так как допускается искажения в виде
изменение длительности импульса не более [pic]. Наша комбинационная схема не будет работать на большой частоте то для
борьбы с гонками используем метод увеличения длительности импульса, а
следовательно уменьшения тактовой частоты. 2.6 Расчет надежности устройства. Любое устройство создается для надежной безотказной работы. Свойство
устройства сохранять во времени в установленных пределах значения всех
параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в
заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и
ремонтов, хранения и транспортирования, называется надежностью. Если все
параметры соответствуют требованиям документации, такое состояние называют
работоспособным, а событие, состоящее в нарушении работоспособности,
-отказам. Таким образом, для возникновения отказа достаточно ухода хотя бы
одного параметра за пределы, установленные нормативно-техническими
документами В зависимости от того, каким образом проявляются эти ухода параметров,
различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ характеризуется
скачкообразным изменением эксплуатационных параметров устройства, в связи с
чем прогнозировать момент его возникновения практически невозможно Примеры
внезапных отказов - короткое замыкание обкладок конденсатора, обрыв выводов
или пробой перехода транзистора. Постепенный отказ характеризуется
постепенными, плавными изменениями во времени одного или нескольких
параметров, обусловленными влиянием необратимых процессов старения и
износа. При этом. наблюдая за соответствующими параметрами в течение
длительного времени, всегда можно выявить тенденции или закономерности их
изменения и предсказать причину и время возникновения отказа. В качестве
примера постепенных отказов можно привести увеличение обратного тока
коллекторного перехода транзистора Iко, уменьшение коэффициента передачи
или полосы пропускания линейной интегральной схемы Для цифровых устройств, работающих в условиях действия помех (наводки
по цепям питания, внутренние шумы и т. д), характерно наличие относительно
большого числа самоустраняющихся отказов (сбоев). Данный вид отказов связан
с нарушением работоспособности устройства на короткое время. после" чего
правильная работа аппаратуры восстанавливается самопроизвольно, без
вмешательства извне. Следствием сбоев могут быть искажения информации
(исходных данных, управляющих воздействий и т д.), что может повлиять на
нормальное функционирование устройства малая длительность сбоя осложняет
задачу его выявления и ликвидации связанных с ним нежелательных
последствий. Надежность любого объекта, в том числе и электронного устройства,
зависит от многих факторов, таких, как качество использованных в нем
деталей. их взаимное расположение, условия охлаждения, качество сборки
(монтажа), условия эксплуатации (температура, влажность, наличие вибрации),
качество обслуживания и пр. В зависимости от назначения и режима
эксплуатации изделия можно разделять на две группы: 1) невосстанавливаемые,
при отказе их заменяют исправными (к ним относят элементы электронной и
электротехнической аппаратуры: резисторы, конденсаторы, диоды, интегральные
микросхемы и пр.), 2) восстанавливаемые, их можно ремонтировать, заменяя в
них отказавшие элементы и восстанавливая нарушенные связи. Рассматривая отказ как событие случайное, для количественной оценки
надежности используют вероятность безотказной работы и вероятность отказа
вероятность того. что в заданном интервале времени t отказ устройства не
произойдет , т. е. его эксплуатационные параметры будут находиться в
установленных пределах, называется вероятностью безотказной работы P(t).
Данная характеристика представляет собой монотонно убывающую функцию
времени t, причем Р(0) = 1. Р (?) = 0. (Предполагается, что вначале изделие
исправно, а после некоторого времени, может быть очень большого, оно
обязательно выйдет из строя.) Представление о том, каков характер функции
P(t), можно получить в результате эксперимента с большой группой изделий.
Результаты эксперимента с группой отражают поведение всей массы изделий
(генеральной совокупности), если выборка достаточно объемна. В этом случае
говорят о представительной выборке. Пусть выборка содержит No = 1000
изделии (резисторов, конденсаторов, микросхем). Поставим их в режим,
соответствующий паспортным условиям эксплуатации (окружающая температура,
ток, напряжение), и будем фиксировать момент отказа каждого изделия или
количество отказавших изделий нарастающим итогом через каждые ?t ч. Тогда
вероятность безотказной работы )
P(t)=N(t)/N,, (1)
где N(t) - число изделий, оставшихся исправными к моменту времени t.
Располагая полученной информацией, можно определить, какова в среднем
вероятность того. что аналогичное изделие будет работоспособным через 10,
100,1000 ч, сколько часов может эксплуатироваться изделие, если задано
допустимое нижнее значение P(t). Вероятность отказа определяется как вероятность появления отказа в течение времени t: Q(t) = (No - N(t))/No. Так как работоспособное состояние в co- стояние отказа образуют полную, группу событий (третьего не дано!), то характеристики P(t) и Q(t) удовлетворяют соотношению P(t) +Q(t) = 1. Введем понятие плотности вероятности появления отказа:
[pic] (2)
важной характеристикой надежности является и интенсивность отказов:
[pic] (3)
представляющая собой вероятность отказа изделия в единицу времени после
данного момента t при условии, что до него отказ не возникал. Сравнивая
выражения для a(t) и ?(t), нетрудно увидеть различия между ними. Значение
а(t)?t характеризует относительную долю отказавших изделий за интервал [t,
t + ?t], взятых из произвольной группы поставленных на испытания изделий,
независимо от того, исправны они или отказали к моменту времени t. Значение
? (t)?t определяет относительную долю отказавших изделий в интервале [t, t
+ ?t], взятых из группы изделий, оставшихся работоспособными к
рассматриваемому моменту t . Для элементов электронной аппаратуры типичные
значения ? от 10-6 до 10-81/ч. Важный количественный показатель надежности - среднее время
безотказной работы (средняя наработка до отказа), которое определяется как
математическое ожидание времени работы до отказа. Эту характеристику
находят как
[pic] (4)
где ti, - время безотказной работы i-го изделия (для восстанавливаемых
изделий -время работы между двумя соседними отказами). Для
экспоненциального закона надежности [pic] Средняя наработка до отказа Т
и интенсивность отказов ? удобны в качестве справочных данных, так как они
не зависят от времени.
В ряде случаев для оценки безотказности устройства используется такая
характеристика, как гамма процентная наработка до отказа Т? , т. е.
наработка, в течение которой отказ устройства т возникает с вероятностью ?,
выраженной в процентах. Соответствующее значение находят из уравнения
[pic] (5)
Например. Т90% означает, что указанное время наработки до отказа
реализуется с вероятностью P(T90%,) = 0,9. т. е. указанное время будет
достигнуто для 90% изделий.
Справочные данные обычно приводятся для одиночных элементов в нормальных
условиях эксплуатации. Реальные условия эксплуатации могут отличаться от
нормальных, а устройства, надежность которых надо определить, содержат
большое число различных элементов.
Влияние условий эксплуатации (электрических режимов, температуры, радиации,
влажности вибрации и ударов) проявляется в изменении интенсивности отказов,
определяемом опытным путем. Утяжеление условии существенно повышает
интенсивность отказов. Например, увеличение рабочего напряжения на
конденсаторе на 10% может повысить ?1 более чем вдвое.
Способы соединения элементов и узлов, связей между ними разнообразны.
Обычно выделяют основное и резервное соединения. Соединение, когда отказ
любого из элементов приводит к отказу всего устройства, называют основным
(например, бытовая аппаратура). Модель расчета надежности для такого
соединения - последовательная цепочка элементов, когда работоспособному
состоянию устройства соответствует исправность P первого, P второго,..., P
n-го элементов Вероятность исправного состояния системы, содержащей n
элементов:
[pic]
В этом причина низкой надежности сложных систем с большим числом элементов:
если Р, = 0,999, а n = 1000, то Рс = 0,37. Другие показатели надежности для
основного соединения элементов выводят из формулы произведения вероятностей
[pic]
Найдем показатели надежности нашей разработанной схемы. Из справочника
знаем ?i равно резисторов 0.64*10-4 , конденсаторов 0,25*10-6 и микросхемы
0,06*10-6 . Найдем ?с для всех элементов схемы
для резисторов [pic]
для конденсаторов [pic]
для микросхем [pic]
Найдем Рс для всех элементов схемы
для резисторов [pic]
для конденсаторов [pic]
для микросхем [pic]
Найдем Тс для всех элементов схемы
для резисторов [pic]
для конденсаторов [pic]
для микросхем [pic] Судя по расчетам плата сможет проработать не менее 15000 часов. 1. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ. 3.1 Разработка требований к печатной плате. Сущность печатного монтажа заключается в нанесении на изоляционное
основание тонких электропроводящих покрытий, выполняющих функции монтажных
проводов и элементов схемы — резисторов, конденсаторов, катушек
индуктивности, контактных деталей и др.
Конструкторская -документация на печатные платы и блоки оформляется в
соответствии с требованиями ГОСТ 2 109 73, ГОСТ 2 417-68 и действующими
нормативно техническими документами Чертеж печатной платы односторонней или
двусторонней классифицируется как чертеж детали Чертеж печатной платы
должен содержать все сведения, необходимые для ее изготовления и контроля
изображение печатной платы со стороны печатного монтажа, раз меры,
предельные отклонения и шероховатость поверхностей печатной платы и всех ее
элементов (отверстий, проводников), а также размеры расстояний между ними,
необходимые технические требования, сведения о материале Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными 2,5 при
длине до 100 мм, 5 при длине до 350 мм, 20 при длине более 350 мм
Максимальный размер любой из сторон печатной платы не должен превышать 470
мм Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более
3:1 и выбирается из ряда 1:1, 1:2, 2:3, 2:5 Толщину плат определяют исходя
из механических требований, предъявляемых к конструкции печатного блока, с
учетом метода изготовления. Рекомендуются платы толщиной 0,8, 1,0, 1,5,
2,0, 2,5, 3,0 мм. Чертежи печатных плат выполняют в натуральную величину
или с увеличением 2:1, 4:1, 5:1, 10:1
Разработку чертежа печатной платы начинают с нанесения координатной сетки
За основной шаг прямоугольной координатной сетки по ГОСТ 10317 79
принимается 2,5 мм. Для малогабаритной аппаратуры и в технически
обоснованных случаях допускается применять дополнительные шаги 1,25 и 0,5
мм Центры всех отверстий на печатной плате должны располагаться в узлах
координатной сетки. Если из за конструктивных особенностей навесного
элемента этого сделать нельзя, то центры отверстий располагают согласно
указаниям чертежа на этот элемент Такое расположение центров отверстий
используют для ламповых панелей, малогабаритных реле, разъемов и других
элементов При этом должны соблюдаться следующие требования центр одного из
отверстий, принятого за основное, должен быть расположен в узле
координатной сетки, центры остальных отверстий нужно по возможности
располагать на вертикальных или горизонтальных линиях координатной сетки
Диаметры монтажных и переходных металлизированных и не металлизированных
отверстий выбирают из ряда (0,2), 0,4, (0,5), 0,6, (0,7), 0,8, (0,9), 1,0,
(1,2), 1,3,1,5, 1,8; 2,0, 2,2, (2.4), (2,6), (2,8), (3,0) Диаметры, не
взятые в скобки, являются предпочтительными Не рекомендуется на одной
печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий Диаметры
металлизированных отверстий выбирают в зависимости от диаметров выводов
навесных элементов и толщины платы, а диаметры не металлизированных
отверстий в зависимости от диаметров выводов навесных элементов,
устанавливаемых в эти отверстия. Необходимость зенковки монтажных и
переходных отверстий диктуется конкретными конструктивными требованиями и
методом изготовления платы Шероховатость поверхности монтажных не металлизированных отверстий и
торцов печатных плат должна быть Rz
|
|
|
|
|
