Цепи дискретного действия

Введение

Внедрение цифровой техники в промышленную электронику, а также радиолюбительское творчество связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений.  Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, или вероятность отказа равна вероятности отказа одного паяного соединения, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции.

В результате на интегральных микросхемах стало возможным собирать сложнейшие устройства, изготовить которые в радиолюбительских условиях без применения микросхем было бы совершенно невозможно.

Все это приводит к тому, что постепенно цифровая техника вытесняет аналоговую, особенно в сфере вычислений. Так известно, что использование операционных усилителей для математических вычислений во многих  случаях менее целесообразно, чем оцифровка аналогового сигнала с необходимой точностью и выполнение вычислений с помощью цифровых устройств. Цифровые микросхемы нашли применение в вычислительных машинах и комплексах, в электронных устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах, аппаратуре связи и передачи данных, медицинской и бытовой аппаратуре, в приборах оборудования для научных исследований и т.д.

В данном курсовом проекте предлагается разработать схему на цифровых интегральных микросхемах ТТЛ - серии с целью получения навыков использования существующей элементной базы цифровых микросхем и закрепления пройденного теоретического курса.

1. Сведения  о существующей элементной базе

Для построения устройств автоматики и вычислительной техники широкое применение находят цифровые микросхемы серии К155, которые изготавливают по стандартной технологии биполярных микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имеется свыше 100 наименований микросхем серии К155. При всех своих преимуществах - высоком быстродействии, обширной номенклатуре, хорошей помехоустойчивости - эти микросхемы обладают большой потребляемой мощностью. Поэтому им на смену выпускают микросхемы серии К1533, принципиальное отличие которых - использование транзисторов с коллекторными переходами, зашунтированными диодами Шоттки. В результате транзисторы микросхем серии К1533 не входят в насыщение, что существенно уменьшает задержку выключения транзисторов. К тому же они значительно меньших размеров, что уменьшает емкости их р-n - переходов. В результате при сохранении быстродействия микросхем серии К1533 на уровне серии К155 удалось уменьшить ее потребляемую мощность примерно в 8...15 раз.

Средняя задержка распространения элементов микросхем серии К155, К555, КР1533 примерно 15...20 нс. В случаях, когда требуется более высокое быстродействие, используют микросхемы серии КР531. Для сравнения основных параметров в табл. 1.1 приведены значения средней потребляемой мощности Рср и средней задержки tз.ср распространения микросхем ТТЛ серий, а также стандартные значения входных Iвх и выходных Iвых токов и нагрузочной способности N микросхем.

                                                                        Таблица 1.1.

Стандартные выходные уровни лог. 1 - 2..5,5 В, лог. 0 - 0..0,8 В.

Микросхемы выпускают в пластмассовых корпусах с 8, 14, 16, 20, 24, 28 выводами, температурный диапазон их работоспособности: -10...+70 °С. Часть микросхем серий К155 и К555 выпускают в керамических корпусах (их обозначение КМ155 и КМ555), температурный диапазон работоспособности таких микросхем -45...+85 °С.

Рассматриваемые серии имеют в своем составе однотипные микросхемы с совпадающими после номера серии цифробуквенными обозначениями. Логика работы однотипных микросхем, за редким исключением, совпадает.

При разработке принципиальных схем различных устройств возникает вопрос: что делать с неиспользуемыми входами интегральных микросхем.

Во-первых, неиспользуемые входы микросхем серии К155 можно никуда не подключать. Но при этом несколько уменьшается быстродействие микросхем. Для микросхем серий К555, КР531, КР1533 оставлять входы неподключенными не допускается. Во-вторых, возможно подключение неиспользуемых входов к используемым входам того же элемента, но это увеличивает нагрузку на микросхему-источник сигнала, что также снижает быстродействие. В-третьих, можно подключать неиспользуемые входы микросхем серий К155 и КР531 к выходу инвертирующего элемента, входы которого при этом надо соединить с общим проводом. Наконец, можно объединять неиспользуемые входы микросхем этих серий и подключать их к источнику питания +5 В через резистор сопротивлением 1 кОм (до 20 входов к одному резистору).

На печатных платах с использованием микросхем серий К155, К555, КР1533 необходима установка блокировочных конденсаторов между цепью +5 В и общим проводом. Их число определяется одним-двумя конденсаторами емкостью 0,033...0,15 мкФ на каждые пять микросхем. Конденсаторы следует располагать на плате по возможности равномерно. Их следует также установить рядом со всеми микросхемами с мощным выходом или с потребляемой мощностью более 0,5 Вт.

Ждущие мультивибраторы нельзя отнести однозначно ни к одному из упомянутых классов, так как внутренняя память этих микросхем помнит изменение входных сигналов ограниченное время, после чего состояние выходов микросхемы ни от чего не зависит. То же самое относится и к генераторным микросхемам.

Описанные выше цифровые микросхемы ТТЛ - серий - К155, К555, КР1533, КР531 обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток - большая потребляемая мощность.

Проанализировав все достоинства и недостатки ТТЛ - микросхем различных серий, для реализации курсового проекта выбираем ТТЛ -  микросхемы серии К1533.

2. Разработка структурной схемы

В данной работе необходимо спроектировать электронную схему на цифровых микросхемах ТТЛ - серии. Схема должна осуществлять генерацию пятиразрядного кода неполного алфавита русского языка и выводить   последовательность этих кодов в соответствии с наименованием и количеством букв фамилии, с целью последующей обработки и отображения на буквенно-цифровом индикаторе.  

Поставленную задачу можно решить, используя устройство, структурная схема которого представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1  Структурная схема устройства.

Схема содержит следующие блоки:

- генератор последовательности прямоугольных импульсов частотой f  = 100 кГц;

- формирователь двоичного кода, преобразующий последовательность импульсов в параллельный двоичный код;

-  устройство совпадения, выдающее импульс записи при совпадении входного кода с заданным кодом;

- устройство запоминания, запоминающее код по импульсу записи устройства совпадения.

3. Разработка схемы генератора импульсов

              По условию необходимо разработать схему генератора импульсов с частотой повторения f = 100 кГц и относительной нестабильностью частоты

Δf / f = ± 0,5 %  на микросхемах ТТЛ - серии.

Данным условиям соответствуют генераторы, выполненные на специализированных микросхемах – одновибраторах. Такие одновибраторы обладают широкими функциональными возможностями, но самое главное – имеют значительно меньшие погрешности длительности выходных импульсов, а также слабую зависимость длительности импульсов от температуры, питающего напряжения, от времени и от замены микросхемы.

Выбираем микросхему КP1533АГ3 (рис. 3.1). Она содержит два одновибратора с перезапуском и установкой. Каждый одновибратор имеет прямой и инверсный выходы, вход сброса R и два входа запуска: прямой - B и инверсный - A. Условия установки одновибратора в состояние низкого уровня напряжения на выходе, а также запуска на формирование выходного импульса приведены в таблице 3.1.

                                                                                                                                                          Таблица 3.1

Рис. 3.1 Микросхема КP1533АГ3.

Длительность выходного импульса определяется внешними времязадающими элементами: ёмкостью, включённой между входами С и RC, и сопротивлением, включённым от источника питания к входу RC, по формуле:

                                                                      t имп = 0,43∙R∙C                                                                                    (3.1) 

При этом должно соблюдаться соотношение

                                                                      1 k < R < 24 k                                                                                    (3.2)

Чтобы получить автогенератор, необходимо два одновибратора включить по кольцевой схеме, то есть выход второго одновибратора подключить к входу первого. Запуск обоих одновибраторов на формирование выходного импульса осуществляется по окончании импульса на выходе предыдущего, то есть по заднему фронту сигнала. Следовательно, импульс подаём на инверсный вход запуска A, а на прямой вход запуска B подаём низкий уровень напряжения, подключив его на общую шину питания через сопротивление порядка 500 Ом. При этом на входах сброса R должен быть высокий уровень напряжения, поэтому подключаем их через сопротивление 1 кОм к шине питания +5 В.

Зададимся выходным сигналом генератора типа “меандр”, то есть сигналом, у которого длительности импульса и паузы равны. Определим их по формуле:

                                                        t имп = t пауз = Т/2 = 1/2∙f                                                                       (3.3)

t имп = t пауз = 5 мс.

Зададимся значением ёмкости С = 1 мкФ. Из выражения (3.1) с учётом соотношения (3.2) найдём величину сопротивления R:

R = t имп /0,43∙C = 5∙10-3/0,43∙10-6 = 11628 Ом

Выбираем ближайшее стандартное значение из ряда Е96: R = 11,5 кОм.

Следовательно R1=R2=11.5 кОм, C1=C2=1мкФ

Полученная схема генератора представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2 Схема генератора импульсов.