Розробка цифрового ключа та тригерної комірки

 

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Луцький національний технічний  університет

 

 

                                                                           Кафедра комп’ютерна

                                                     інженерія

 

 

 

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни «Комп’ютерна електроніка»

Тема: «Розробка цифрового ключа та тригерної комірки»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                     Виконав: ст. гр. КСМз – 31

                                                               Купира О. М.

                                                              Перевірив: асистент Дудік О. В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Луцьк 2012

1. НАЗВА ТЕМИ ПРОЕКТУ. ОБЛАСТЬ ВИКОРИСТАННЯ

Назва теми проекту: Розробка цифрового ключа та тригерної  комірки.

Область використання цифрового ключа – є основою багатьох вимірювальних пристроїв, електронної автоматики і обчислювальної техніки, апаратури телеуправління, кібернетичних пристроїв.

2. ПІДСТАВА ДЛЯ РОЗРОБКИ
1. Підставою для розробки цифрового ключа та тригерної комірки служить технічне завдання на курсовий проект з дисципліни «Комп’ютерна електроніка» згідно навчального плану.
2. Варіант технічного завдання визначається керівником проекту.
3. МЕТА ПРОЕКТУ
1. Мета проекту – отримання нових теоретичних знань і практичних навиків в області комп’ютерної електроніки та закріплення методології розробки цифрового ключа та тригерної комірки.
2. Проект повинен виконуватись на основі дискретних елементів із додержанням вимог діючих державних стандартів.
4. ПОЧАТКОВІ ДАНІ
1. Споживана потужность .
2. Напруга =0,2В.
5. Напруга живлення  =6 В.
6. УМОВИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
1. При виготовлені схеми підсилювача потужності мають бути дотримані усі правила безпеки, охорони праці та навколишнього середовища згідно діючих стандартів ДСТУ.
7. ЕТАПИ ПРОЕКТУВАННЯ
1. Отримання технічного завдання від керівника проекту.

 

 

 

 

2.  Огляд науково-технічної літератури по темі курсового проекту.
3. Розрахунок колекторного струму насичення.
4. Розрахунок колекторного резистора.
5. Розрахунок опору резистора в ланцюзі бази.
6. Визначення часу вмикання і вимикання ключа.
7. Синхронний RS-тригер на трьох тригерах.
8. Логічне проектування тригерної схеми.
9. Синтез стандартного D- тригера.
8. ПЕРЕЛІК ТЕКСТОВОЇ ТА ГРАФІЧНОЇ ДОКУМЕНТАЦІЇ
1. Технічне завдання.
2. Пояснювальна записка.
3. Цифровий ключ. Схема електрична принципова.
4. Тригерна комірка. Схема електрична принципова.
5. Цифровий ключ та тригерна комірка. Перелік елементів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зміст

 

ВСТУП

В сучасному житті  будь-яка промисловість використовує електронні прилади вимірювальної  техніки, автоматики та вимірювальної  техніки.

Значні зміни в багатьох сферах науки і техніки обумовлені розвитком електроніки. Причому  тенденція розвитку така, що доля електронних інформаційних пристроїв та пристроїв автоматики неперервно збільшується. Це є результатом розвитку інтегральної технології, запровадження якої дозволило наладити масовий випуск дешевих, високоякісних, які не потребують спеціального налагодження мікроелектронних функціональних вузлів різного призначення.

Мікроелектроніка –  це розділ електроніки, що охоплює дослідження  і розробку певного типу електронних  приладів – інтегральних мікросхем  – і принципів їхнього застосування.

Основними елементами цифрових пристроїв являються електронні ключі та тригери. Електронний ключ – активний елемент ввімкнений у коло навантаження, який здійснює її комутацію, тобто замикання або розмикання, при діянні зовнішнього керуючого сигналу. Дискретність вихідного сигналу ключа дозволяє використовувати ключ не тільки як комутатор кола  навантаження, але й в якості основного елементу логічних схем, що реалізують функції булевої алгебри.

Тригер – це найпростіший цифровий автомат з пам’яттю здатний  зберігати 1 біт (binary digit – двійковий розряд) інформації.

Мета даного курсового  проекту – дати практичні навички  при розробці цифрового ключа  та тригерної комірки.

1. .ЛОГІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ЦИФРОВОГО КЛЮЧА

        1.1 Теоретичні відомості

Цифрові схеми оперують з дискретними, квантовими сигналами, до яких застосовуються правила деякої формальної математики. Для реалізації правил цієї математики цифрові вузли повинні забезпечувати формування набору дискретних рівнів сигналу і здійснення заданого набору операцій над ними. А саме існуючі обчислювальні системи використовують двійкову позиційну систему числення і «звичайну» математику. Для цього необхідно сформулювати два стійких стани – «нуля» і «одиниці» та забезпечення логічних операцій «І», «АБО», «НІ». Основним елементом подібних схем є електронний ключ. Електронна ключова схема повинна забезпечувати перемикання вхідного сигналу між двома рівнями напруги, в ідеалі між нульовим рівнем і напругою живлення залежно від керуючого вхідного сигналу. Саме тому схема може розглядатися як ключ, де керуючим сигналом слугує вхідний сигнал, а інформаційним – напруга живлення, тобто логічна схема, що забезпечує формування логічних сигналів. З іншого боку ця схема являє собою формувач логічних рівнів, який перетворює вхідний сигнал, що змінюється, у низку високих і низьких рівнів вихідного сигналу із заданою тривалістю перехідних процесів. У цьому значенні ключ може розглядатися як пристрій забезпечення підсилення логічного сигналу по напрузі і потужності. Крім того для забезпечення функціонально повного набору логічних функцій ключ повинен реалізовувати інверсію сигналу [5,6].

Найпростіші ключі можуть бути зібрані на діоді і резисторі (див. рис. 1.1).

 

 

 

Рис. 1.1 – Схеми найпростіших діодних ключів

Важливими є процеси, що відбуваються в найпростішому біполярному ключі при впливі на вхід послідовно двох ідеальних стрибків напруги різних знаків (вмикання – перехід транзистора в низькоомний стан (насичення) і вимикання – відсічка). При цьому в перехідному процесі для вихідної напруги можна виділити п'ять етапів:

• затримка вмикання транзистора t_зт;
• час наростання колекторного струму (час фронту) t_ф;
• накопичення надлишкового заряду (статика);
• затримка вимикання транзистора (час розсмоктування) t_р;
• час спаду колекторного струму t_сп [6].

Для розрахунку візьмемо простий біполярний ключ (див. рис. 1.2).

 

 

Рис. 1.2 – Схема найпростішого біполярного ключа

     1.2 Вибір транзистора

Центральним пунктом  у розрахунку біполярного насиченого ключа є вибір транзистора. Оскільки в цифрових елементах споживану  потужність завжди прагнуть зробити мінімальною, а швидкодію максимальною, то необхідні малопотужні транзистори (максимальна  розсіювальна потужність – 30 ¸ 100 мВт) із гранично припустимою колекторною напругою 10 ¸ 15 В (чим менша напруга живлення, тим вища швидкодія) і невисоким (менше 100) коефіцієнтом передачі за струмом b. У таких транзисторів повинна бути висока (до декількох ГГц) гранична частота підсилення і малі (0,5 – 2 пФ)

розміри колекторних  і емітерних ємностей [1, 10].

 Цим  вимогам   задовольняють  характеристики  транзистору  2S1F4 структури n-p-n:

;    Гц;   Ф;   Ом;

В;   В;   В;   В.

•   1.3 Розрахунок колекторного струму насичення

При  заданій  величині  споживаної  потужності колекторний струм насичення визначається  із  співвідношення:

, (1)

де –  - напруга, яка прикладена до відкритих колекторного і емітерного переходів при роботі транзистору в режимі насичення і для кремнієвих транзисторів приймає наближене значення 0,2 В.

Величина  буде мати таке значення:

.

•   1.4 Розрахунок колекторного резистора

При відомих значеннях  колекторного струму насичення I_кн = 5,345 (мА)  і напруги живлення  =6 (В) опір колекторного  резистору визначається  із  співвідношення:

 (2)

Але так як розмір напруги  живлення заданий з технологічним  допуском , то заданий розмір колекторного струму повинний бути забезпечений навіть при мінімальній напрузі живлення. Отже, розрахункова формула для визначення опору колекторного резистору повинна включати і розмір технологічного  відхилення  напруги живлення:

;     (3)

Резистори в електронних  схемах виготовляються також із деяким технологічним допуском , який  вказує  на  найбільше можливе відхилення  від номінального  значення  в сторону збільшення  або зменшення  дійсного  значення  активного  опору  резистору. Тому  необхідно забезпечити необхідний розмір колекторного струму в найгіршому випадку з точки зору  значення опору колекторного резистору. В цьому випадку визначене вище значення має сенс максимально припустимої величини – , при якому номінальне значення цієї величини визначається за формулою:

; (4)

Номінальне значення колекторного резистора треба вибрати зі стандартного ряду резисторів із відомим відхиленням :

     1.5 Розрахунок опору резистора в ланцюзі бази

Цей резистор повинен  забезпечити необхідний ступінь насичення (при відомому струму колектора). Отже, необхідно визначити ступінь насичення транзистора. Якщо задано коефіцієнт розгалуження то ступінь  насичення  визначається  за  співвідношення:

,   (5)

де k– ступінь розгалуження.

Звідки:

Опір резистору бази можна визначити за формулою:

  (6)

де: - максимальна напруга, яка прикладена до переходу база-емітер при роботі транзистору в режимі насичення (перехід база-емітер відкритий) і для мною обраного транзистора приймає приблизно значення 0,69В [1].

- мінімальне значення вхідної напруги високого рівня на вході ключа, яке розраховується за формулою:

  (7)

де:  - струм бази, який визначається за формулою:

;  (8)

Тоді  величина прийме таке значення:

;

Величина опору резистору  бази отримується шляхом підстановки  отриманих значень у формулу (6):

Враховуючи технологічний  допуск виготовлення резисторів

,  (9)

номінальне  значення  опору  бази   буде  приймати  значення:

                    ;

Вибирається найближче менше значення опору зі стандартного ряду резисторів:

•   1.6 Визначення часу вмикання і вимикання ключа

Затримка  вмикання  транзистору ( ) визначається  за  формулою:

, (10)

де: -вхідна ємність транзистору;

значення вхідної напруги низького рівня на вході ключу і приймає  наближене значення 0,2 В;

напруга, яка прикладена до переходу база-емітер і для мною обраного транзистора наближено дорівнює 0,61 В.

У цьому випадку припускається, що розміри колекторної та емітерної ємностей однакові, а ємність навантаження відсутня. Тоді вхідна ємність транзистору розраховується за формулою: