Университетский политехнический колледж 

Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования

 «Санкт-Петербургский государственный политехнический

университет Петра Великого»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

Тема:	«РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ
	СЕМИСЕГМЕНТОГО ИНДИКАТОРА»

КП	09.02.01          3291/52
	(номер специальности и группы)
Преподаватель			О. Г. Швайка
	(подпись)		(и.,о., фамилия)
Студент	Н. В. Криводубская
	(и.,о., фамилия)

Санкт-Петербург

2016

УТВЕРЖДЕНО Предметной комиссией
«		»			2016 г.
Председатель

ЗАДАНИЕ

На курсовое проектирование по		МДК 01.01. Цифровая схемотехника
студенту	Криводубской Н. В.		«III» курса «3291/52» группы
УПК СПбПУ
(наименование среднего специального учебного заведения)
Тема задания:	Разработка схемы управления работой семисегментного индикатора
				СЕМИСЕГМЕНТОГО ИНДИКАТОРА»
Курсовой проект на указанную тему выполняется студентом в следующем объеме:
Пояснительная записка
Введение
1. Общая часть
1.1. Назначение устройства сравнения
1.2. Выбор и обоснование электрической структурной схемы устройства сравнения
2. Специальная часть
2.1.Выбор элементной базы проектируемого устройства
2.2. Выбор и обоснование электрической принципиальной схемы устройства:
- составление таблицы истинности работы устройства;
- минимизация логической функции;
- синтез электрической принципиальной схемы в базисе И – НЕ;
- описание функционирования устройства сравнения.
3. Расчетная часть проекта
3.1. Ориентировочный расчет быстродействия и потребляемой мощности устройства
сравнения
3.2. Расчет вероятности безотказной работы устройства сравнения и среднего времени
наработки на отказ
4. Графическая часть проекта
Лист 1. Устройство сравнения. Схема электрическая принципиальная.

Дата выдачи
Срок окончания
Зав. отделением
Преподаватель

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.. 4

1.      Общая часть. 6

1.1        Назначение проектируемого устройства. 6

На рисунке в виде Черного ящика, показана комбинационная схема (КС), управляющая семисегментным индикатором. 6

1.2. Составление таблицы истинности работы устройства. 7

1.3. Минимизация логической функции. 7

1.4 Функциональная схема устройства. 10

2. Специальная часть. 11

2.1.Выбор элементной базы проектируемого устройства. 11

2.2. Элементная база проектируемого устройства. 13

3. Расчетная часть проекта. 20

3.1. Ориентировочный расчет быстродействия и потребляемой мощности устройства. 20

Заключение. 21

ПРИЛОЖЕНИЕ.. 22

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              

ВВЕДЕНИЕ

Микроэлектроника - область современной промышленности, производство кремниевых кристаллов интегральных микросхем. Микроэлектроника - это незыблемый фундамент не только всей современной индустрии информационных и компьютерных технологий, но и очень многих смежных отраслей - бытовой электроники, индустрии развлечений (включая музыку и видео), медицины, военной и автомобильной промышленности и тому подобное.

Следует различать два основных направления развития индустрии производства микросхем. 

Первое - разработка архитектуры, включающая выбор тех или иных функций и особенностей будущих схем, микросхемотехника и компоновку на кристалле функциональных блоков и их элементов, которые воплощают выбранные функции. А также - оптимизация готовых блоков с целью устранения узких мест, повышения производительности и надежности работы будущих схем, упрощения и удешевления их массового производства. Эти работы можно условно назвать "бумажными" - они выполняются "на кончике пера" и существуют лишь в виде компьютерных файлов и чертежей проектов будущих микросхем, что вовсе не исключает многократного компьютерного моделирования физической работы как отдельных блоков, так и микросхемы в целом. Для этого используются специальные, тщательно согласованы с реальными приборами физические модели транзисторов и других функциональных элементов. И чем тщательнее смоделирована работа проекта, тем быстрее и с меньшими ошибками будет изготовлена ​​сама микросхема (имеется в виду ее финальный, массовый вариант). Ведь отладка, поиск и исправление ошибок проектирования в уже готовом кристалле, как правило, значительно сложнее и дороже, чем моделирование на компьютере.

Второй основополагающий направление - это собственно полупроводниковые технологии производства микросхем. Сюда входят научная разработка и воплощение в "кремний" все более быстрых и меньших транзисторов , цепей связи между ними и остальным "обрамлением" микроструктур на кристалле, создание технологий изготовления рисунка линий и транзисторов на поверхности кремния, новых материалов и оборудования для этого, а также "manufacturability" - область знаний о том, как проводить микросхемы высшего качества, более быстрые, большим количеством годных кристаллов на пластине, меньшим числом дефектов и разбросом рабочих параметров.

Большинство компонентов обычной электроники, так же применяются и в микроэлектронике: резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности, диоды , транзисторы , изоляторы и проводники, но уже в виде миниатюрных устройств в интегральном исполнении. Цифровые интегральные микросхемы в основном состоят из транзисторов. Аналоговые схемы в основном содержат резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности используются в схемах, работающих на высоких частотах.

С развитием техники, размеры компонентов постоянно уменьшаются. При очень большой степени интеграции компонентов, а следовательно и при максимальной минимизации их размеров, вопрос межэлементных взаимодействия становится очень актуальным. Данная проблема носит название паразитные явления . Одна из основных задач проектировщика - это компенсировать или минимизировать эффект паразитных утечек.

В настоящее время интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые приборы стали основной элементной базой современных устройств промышленной электроники. Совместно с ними применяются резисторы, конденсаторы, дроссели. [1]

1.     Общая часть

1.1            Назначение проектируемого устройства

На рисунке в виде Черного ящика, показана комбинационная схема (КС), управляющая семисегментным индикатором.

На вход схемы подаются различные комбинации двух сигналов X1, X2, X3, X4 (X1- старший). На индикатор предполагается выводить лишь отдельные цифры из множества шестнадцатеричных цифр 0-F. На выходе «Y» должен быть сигнал «1», если соединенный с этим выходом сигмент должен загорется при отображении цифры. Для функциональной схемы использовать запоминающий регистр входах значений синхронизации сигналом «С» и сбрасываемый сигналом «R» требуется:

1.     Составить совмещенную таблицу истинности для «х1-х4» , комплект карт Карно для функции Y, провести совместную минимизацию в СДНФ и записать логические формулы,  выражающие Y через «х1-х4», выполнить преобразование этих формул к виду, обеспечивающему минимально возможную реализацию КС в системе логических элементов ТТЛ в серии типа К155 или К555.

2.     Выполнить принципиальную электрическую схему устройства.

3.     Провести расчет быстродействия и мощности.

1.2. Составление таблицы истинности работы устройства

Таблица истинности - это такая таблица, в которой показываются все выходные состояния элемента для любых комбинации входных сигналов. Иными словами, с помощью таблиц истинности можно определять истинностное значение любого высказывания для всех возможных случаев значений истинности составляющих его высказываний. В основном таблицы истинности применяются в булевой алгебре и в цифровой электронной технике для описания работы логических схем.

Создание таблицы истинности, работы устройства по следующему набору комбинаций :  5, 6, 8, 9, B, C, D, E, F.

	X1	X2	X3	X4	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7
5	0	1	0	1	0	1	1	1	0	1	1
6	0	1	1	0	0	1	1	1	1	1	1
8	1	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1
9	1	0	0	1	1	1	1	1	0	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
D	1	1	0	1	1	0	0	1	1	1	1
E	1	1	1	0	0	1	1	1	1	1	0
F	1	1	1	1	0	1	1	1	1	0	0

1.3. Минимизация логической функции

Составляются СДНФ по таблице, строятся карты Карно и минимизируются, для уменьшения количества используемых микросхем.

Карта Карно - это специального вида таблица, которая позволяет упростить процесс поиска минимальных форм и успешно применяется, когда число переменных не превосходит шести. Карты Карно для функций, зависящих от n переменных, представляет собой прямоугольник, разделенный на 2n клеток. Каждой клетке диаграммы ставится в соответствие двоичный n-мерный набор. Значения заданной функции f из таблицы истинности вносятся в нужные квадраты, однако если клетке соответствует 0, то обычно она остается пустой.

Y1= b+f=

b

Карта Карно для Y1

	00	01	11	10
00				1
01			1	1
11
10				f

Карта Карно для Y2

c

g

	00	01	11	10
00			1	Y2=a+b+c+g+h =   b   1
01		1		1
11			1	h
10		1	1	a

Y3= a+b+c+e+g = =

g

c

Карта Карно для Y3

	00	01	11	b   10
00			1	1
01		1		e   1
11			1	1
a   10		1	1

Y4= a+b+d+e =

d

b

Карта Карно для Y4

	00	01	11	10
00				e   1
01		1	1	1
11			1	1
10		1	1	a

c

Карта Карно для Y5

	00	01	11	Y5= a+c+e+f =   10
00			1	f   1
01			1	e
11			1	1
10		1	1	a

Y6= a+b+c+d+i = =

d

c

Карта Карно для Y6

	00	01	11	10
00			1	1
01		1	1	1
11				1
10		1	1

b

 

			i

 

Y7= b+d+i+k =

b

d

Карта Карно для Y7

	00	01	11	10
00				1
01		1	1	1
11				1
10		1

i

	k

1.4 Функциональная схема устройства

На основе карт Карно составлена следующая функциональная схема.

Функциональная схема предназначена для разъяснения процессов, происходящих в отдельных функциональных цепях изделия или изделии в целом.

2. Специальная часть

2.1.Выбор элементной базы проектируемого устройства

Так как в справочниках отсутствуют 4-х входовые элементы ИЛИ, необходимо перейти к элементам в базисе И-НЕ.

Преобразование происходит по закону Де Моргана:

Y1=

Y2=

Y3=

Y4=

Y5=

Y6=

Y7=

Для проектирования было предложено выбрать элементы ТТЛ серий 155 и 555. После сравнения характеристик этих двух серий (они приведены в таблице)  мною была выбрана 555 серия.

			СЕРИЯ
ПАРАМЕТР	ОБОЗНАЧЕНИЕ	ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ	К155	К555
Потребляемая мощность на логический элем-т	Pпот	мВт	10	2
Среднее время задержки распространения	tзд.р	Нс	9	9,5
Энергия переключения	Эпот	пДЖ	90	19
Входной ток лог.  0	Iвх0	мА	1,6	0,4
Входной ток лог. 1	Iвх1	мА	0,04	0,02
Выходной ток лог. 0	Iвых0	мА	16	8
Выходной ток лог.1	Iвых1	мА	0,4	0,4
Сопротивление	Rн	кОм	0,4	2

Элементы 555 серии потребляют меньше мощности, у них меньше энергия переключения, меньше входные и выходные токи и так же 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.

Такая схема обеспечивает возможность работы на большую емкостную нагрузку при высоком быстродействии и помехоустойчивости.

В качестве индикатора выбран семисегментный индикатор АЛС113А,  он способен отображать не только цифровую информацию, но и буквенную, что необходимо в проектируемом устройстве.

В схеме используется следующие микросхемы серии К555: ЛН1,  ЛА1,  ЛА2,  ЛА3, ЛА4.

2.2. Элементная база проектируемого устройства

   

 

3. Расчетная часть проекта

3.1. Ориентировочный расчет быстродействия и потребляемой мощности устройства

Обозначение	К555ЛН1	К555ЛА1	К555ЛА2	К555ЛА3	К555ЛА4
	23,63	7,88	4,2	15,75	11,8

Расчет времени задержки схемы и потребляемая мощность:

Что бы рассчитать потребляемую мощность, необходимо рассчитать мощность резистора и индикатора:

По закону Ома:

,,,

Значит:

Индикатор (АЛ113А):

I = 5 мА

U = 2V

 = 2*5=10 мВт

Резистор (1 кОм) :

U = 5V

R = 1 кОм = 1000Ом

I =

 = 5*5 = 25 мВт

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана электрическая принципиальная схема управления семисегментного индикатора.

В процессе выполнения было сделано:

v Составление совмещенной таблицы истинности, минимизация логической функции в СДНФ и запись логических формул для выходов (Y1-Y7);

v Построение карт Карно для функций Y;

v Преобразованы полученные формулы и выделены повторяющиеся контура в картах Карно, что способствует уменьшению количества используемых микросхем и размеров устройства;

v Выполнена функциональная схема устройства, в последствие преобразованная в схему, с использованием элементов И-НЕ;

v Произведен расчет количества используемых элементов и нумерованние их в соответствии с правилом: Сверху вниз слева направо;

v С использованием микросхем серии К555 собрана схема в программе Multisim;

v При использовании справочника по микросхемам К555 и К155 был сделан сравнительный анализ параметров серий и произведены расчеты номиналов резисторов, быстродействия и потребляемой мощности;

Сделана проверка работоспособности схемы над выводами нужных цифр и букв на семисегментный индикатор в программе Multisim.

Разработанное устройство по управлению семисегментным индикатором выводит нужное значение, заданное пользователем. При этом на входы подается сигнал в двоичной системе счисления, а индикатор показывает результат в шестнадцатеричной системе счисления.

ПРИЛОЖЕНИЕ