Устройство селективного управления работой семисегментного индикатора (работа 2)
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.
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 ______________________________________________________
Ориентировочный расчет быстродействия и потребляемой мощности устройства
управления.
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 X>1>, X>2>, X>3>, X>4> (X>1>- 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 |
1 |
||
|
> |
1 |
|||
|
> |
1 |
1 |
||
|
> |
1 |
>
>
>
>
>
>
>
>>
>
|
> |
> |
> |
> |
|
|
> |
1 |
1 |
||
|
> |
||||
|
> |
1 |
1 |
1 |
|
|
> |
1 |
>
>
|
> |
> |
> |
> |
|
|
> |
1 |
1 |
1 |
|
|
> |
||||
|
> |
1 |
1 |
||
|
> |
>
>
|
> |
> |
> |
> |
|
|
> |
1 |
1 |
|
> |
|
> |
1 |
1 |
1 |
|
> |
1 |
>
>
|
> |
> |
> |
> |
|
|
> |
1 |
1 |
|
> |
|
> |
1 |
1 |
|
> |
1 |
>
>
|
> |
> |
> |
> |
|
|
> |
1 |
1 |
|
> |
|
> |
1 |
1 |
|
> |
1 |
>
>
|
> |
> |
> |
> |
|
|
> |
1 |
1 |
|
> |
1 |
|
> |
1 |
1 |
1 |
|
> |
1.4.
Выбор и обоснование функциональной
схемы устройства.
0100090000037800000002001c00000000000400000003010800050000000b0200000000050000000c02300d070a040000002e0118001c000000fb021000070000000000bc02000000cc0102022253797374656d000d070a0000dcc91100e172c73038a26c0b0c020000070a0000040000002d01000004000000020101001c000000fb02c4ff0000000000009001000000cc0440001254696d6573204e657720526f6d616e0000000000000000000000000000000000040000002d010100050000000902000000020d000000320a360000000100040000000000050a2f0d20a71b00040000002d010000030000000000
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:
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
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
|
№ |
Назначение |
№ |
Назначение |
|
1 2 3 4 5 6 7 |
Вход Х>1> Вход Х>2> Свободный Вход Х>3> Вход Х>4> Выход Y>1> Общий |
8 9 10 11 12 13 14 |
Выход Y>2> Вход Х>5> Вход Х>6> Свободный Вход Х>7> Вход Х>8> Ucc |
DIP14
Пластик
-
Тип микросхемы
К555ЛА1
Фирма производитель
СНГ
Функциональные особенности
2 элемента 4И-НЕ
U>пит>
5В ± 5%
U>пит> (низкого ур-ня)
≤ 0,5В
U>пит> (высокого ур-ня)
≥ 2,7В
I>потреб> (низкий ур-нь U>вых>)
≤ 2,2мА
I>потреб> (высокий ур-нь U>вых>)
≤ 0,8мА
I>вых> (низкого ур-ня)
≤ |-0.36|мА
I>вых> (высокого ур-ня)
≤ 0,02мА
P
7,88мВт
t>задержки>
20нСек
K>развёртки>
20
Корпус
DIP14
К555ЛА2
Логический элемент 8И-НЕ
|
№ |
Назначение |
№ |
Назначение |
|
1 2 3 4 5 6 7 |
Вход Х>1> Вход Х>2> Вход Х>3> Вход Х>4> Вход Х>5> Вход Х>6> Общий |
8 9 10 11 12 13 14 |
Выход Y>1> Свободный Свободный Вход Х>7> Вход Х>8> Свободный Ucc |
DIP14
Пластик
-
Тип микросхемы
К555ЛА2
Фирма производитель
СНГ
Функциональные особенности
элемент 8И-НЕ
U>пит>
5В ± 5%
U>пит> (низкого ур-ня)
≤ 0,5В
U>пит> (высокого ур-ня)
≥ 2,7В
I>потреб> (низкий ур-нь U>вых>)
≤ 1,1мА
I>потреб> (высокий ур-нь U>вых>)
≤ 0,5мА
I>вых> (низкого ур-ня)
≤ |-0,4|мА
I>вых> (высокого ур-ня)
≤ 0,02мА
P
4,2мВт
t>задержки>
35нСек
K>развёртки>
20
Корпус
DIP14
К555ЛА4
Три логических элемента 3И-НЕ
|
№ |
Назначение |
№ |
Назначение |
|
1 2 3 4 5 6 7 |
Вход Х>1> Вход Х>2> Вход Х>4> Вход Х>5> Вход Х>6> Выход Y>2> |
Ucc Общий |
Общий 8 9 10 11 12 13 14 Выход Y>3>Вход Х>7> Вход Х>8> Вход Х>9> Выход Y>1> Вход Х>3> |
DIP14
Керамический
-
Тип микросхемы
К555ЛА4
Фирма производитель
СНГ
Функциональные особенности
3 элемента 3И-НЕ
U>пит>
5В ± 5%
U>пит> (низкого ур-ня)
≤ 0,5В
U>пит> (высокого ур-ня)
≥ 2,7В
I>потреб> (низкий ур-нь U>вых>)
≤ 1,2мА
I>потреб> (высокий ур-нь U>вых>)
≤ 0,8мА
I>вых> (низкого ур-ня)
≤ |-0.36|мА
I>вых> (высокого ур-ня)
≤ 0,02мА
P
11,8мВт
t>задержки>
15нСек
K>развёртки>
20
Корпус
DIP14
К555ЛН1
Шесть инверторов
|
№ |
Назначение |
№ |
Назначение |
|
1 2 3 4 5 6 7 |
Вход Х>1> Выход Y>1> Вход Х>2> Выход Y>2> Вход Х>3> Выход Y>3> Общий |
8 9 10 11 12 13 14 |
Выход Y>4> Вход Х>4> Выход Y>5> Вход Х>5> Выход Y>6> Вход Х>6> Ucc |
DIP14
Пластик
|
Тип микросхемы |
К555ЛН1 |
|
Фирма производитель |
СНГ |
|
Функциональные особенности |
6 инверторов |
|
U>пит> |
5В ± 5% |
|
U>пит> (низкого ур-ня) |
≤ 0,5В |
|
U>пит> (высокого ур-ня) |
≥ 2,7В |
|
I>потреб> (низкий ур-нь U>вых>) |
≤ 6,6мА |
|
I>потреб> (высокий ур-нь U>вых>) |
≤ 2,4мА |
|
I>вых> (низкого ур-ня) |
≤ |-0.36|мА |
|
I>вых> (высокого ур-ня) |
≤ 0,02мА |
|
P |
23,63мВт |
|
T>задержки> |
≤ 20нСек |
|
K>развёртки> |
20 |
|
Корпус |
DIP14 |
К555ЛН2
Шесть инверторов с открытым коллекторным выходом
|
№ |
Назначение |
№ |
Назначение |
|
1 2 3 4 5 6 7 |
Вход Х>1> Выход Y>1> Вход Х>2> Выход Y>2> Вход Х>3> Выход Y>3> Общий |
8 9 10 11 12 13 14 |
Выход Y>4> Вход Х>4> Выход Y>5> Вход Х>5> Выход Y>6> Вход Х>6> Ucc |
DIP14
Пластик
-
Тип микросхемы
К555ЛН2
Фирма производитель
СНГ
Функциональные особенности
6 инверторов с открытым коллекторным выходом
U>пит>
5В ± 5%
U>пит> (низкого ур-ня)
≤ 0,5В
U>пит> (высокого ур-ня)
≥ 2,7В
I>потреб> (низкий ур-нь U>вых>)
≤ 6,6мА
I>потреб> (высокий ур-нь U>вых>)
≤ 2,4мА
I>вых> (низкого ур-ня)
≤ |-0.36|мА
I>вых> (высокого ур-ня)
≤ 0,02мА
P
23,63мВт
T>задержки>
≤ 32нСек
K>развёртки>
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 |
Кол-во |
l>о> 10-6 |
Режим работы |
Усл.
раб. |
Коэф. |
l>i> =a×к>l>×l>о> 10-6 |
> 10-6 |
|
|
К>н> |
t>с> |
||||||||
|
Резисторы |
R>1> |
1 |
1 |
1 |
50 |
1,6 |
2,7 |
4,32 |
4,32 |
|
R>2-8> |
7 |
0,4 |
1,728 |
12,096 |
|||||
|
ИМС |
DD>1>-DD>10> |
10 |
0,1 |
1 |
50 |
1 |
2,7 |
0,27 |
2,7 |
|
ИМС (К555ЛН2) |
DD>11>-DD>12> |
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 |
>Прикидочный расчет
>
>
>
>
>
>
Ориентировочный расчет
>
>
>
>
>
>
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 T>ср.>
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.