Синтез цифрового автомата

4. Разработка формирователя кода

    Для формирования заданной команды АЮГИНЕ в коде МТК-2 необходим формирователь кода. Указанная комбинация состоит из 30 элементов, которые в последовательном коде, начиная со СР, должны быть переданы в канал связи. 

    Таблица 1.4

    Наличие подходящего счётчика упрощает задачу синтеза. Необходимо изучить его  функциональные возможности и порядок управления, после чего может быть построена первая часть формирователя кода (рис. 1.9).

    Необходимо  обратить внимание на входы счётчика, которые непригодны к использованию  при решении данной задачи. Входы  предварительной установки S0,... ,S3 применяются при использовании счётчика для пересчёта по mod 20, поэтому их необходимо соединить с общей шиной (с корпусом). Для выбора режима пересчёта по mod 32 на вход ML необходимо подать лог.1, что можно выполнить подключением вывода 1 ИС к источнику питания Uп= +9В.

    В качестве счётного входа лучше выбрать  вход С2, при этом изменение состояний  счётчика будет происходить по положительному фронту тактовых импульсов. В этом случае вывод 2 ИС подключается к корпусу.

    Выход сигнала переноса CR4 функционирует только при пересчёте по mod 20, поэтому его оставляют свободным. Второй составной частью формирователя кода является логическая схема, выполняющая преобразование параллельного двоичного кода счётчика в последовательный код заданной служебной команды (преобразователь кода).

    Логическая  схема преобразователя кода, соответствующая функции F после выполненных преобразований, приведена на рис. 1.10. 

5. Синтез генератора псевдослучайной последовательности

    В курсовом проекте для формирования проверочной последовательности двоичных сигналов на выходе ЦА и передачи её по каналу связи необходим генератор псевдослучайной последовательности импульсов (ПСПИ). В качестве такого генератора используют регистры с логической обратной связью. Если обратная связь осуществляется через ЛЭ «Исключающее ИЛИ» (сумматор по модулю 2), то их называют рекуррентными регистрами. Для построения регистра воспользуемся ИС серии КР1533. В соответствии с вариантом задания порождающий полином

6. Проектирование схемы управления

    Состав  схемы управления во многом зависит  не только от состава схемы ЦА, но и от элементной базы, на которой  проектируется ЦА. Схема управления ЦА предназначена для выполнения следующих функций:

1. Формирование сигнала установки исходного состояния всех 
   функциональных частей ЦА после включения питания.
2. Формирование сигнала запуска ЦА после нажатия на кнопку «Пуск».

    Формирование  сигнала прекращения работы ЦА в  произвольный 
момент времени после нажатия на кнопку «Стоп».

    В схеме управления могут использоваться RS-, JK- или D-триггеры. Значение сигнала установки исходного состояния (лог.1 или лог.0) определяется типом установочных входов (прямой или инверсный) используемых ИС. Для получения данного сигнала может использоваться свойство триггера изменять своё состояние на противоположное при достижении на установочных входах пороговых значений напряжений соответствующих исполнительных сигналов (лог.0 или лог.1). Для получения на установочном входе триггера изменяющегося напряжения после включения питания могут использоваться дифференцирующие или интегрирующие цепи. Рассмотрим пример синтеза схемы управления, соответствующей структурной схеме ЦА (рис. 1.1).

    На  основании анализа определяется роль схемы управления на отдельных этапах работы ЦА и делается выбор отдельных элементов и устройств, выполняющих коммутацию в строгом соответствии с заданной программой работы. Задача построения схемы управления может быть решена тем или иным путём только после изучения элементной базы заданной серии ИС. На рис. 1.13 приведён пример синтезированной схемы управления ЦА на ИС серии 176 и 1533.

Рис. 1.13 

    После включения выключателя Q2 на элементы схемы управления ЦА (кроме мультиплексора КР1533КП7) и на 5-разрядный счетчик К176ИЕ2 подаётся питание +9В, на все остальные элементы схемы ЦА подается питание +5В выключателем Q1.

    Дифференцирующая  цепь C1R1 формирует остроконечный импульс положительной полярности, который при правильном выборе параметров С1 и R1

инвертируется ЛЭ DD1.1. Происходит запуск мультивибратора в ждущем режиме.

Сигнал, снимаемый с прямого выхода DD2.1, устанавливает триггер DD3.1 в состояние лог.1.

    Одновременно  импульс положительной полярности с выхода мультивибратора поступает  на все установочные входы счётчиков  и генератор ПСПИ, устанавливая их в исходное состояние (рис. 1.1). Этот же импульс через ЛЭ DD1.2 и DD1.3 устанавливает триггер DD4.1 в состояние лог.0.

    В результате аналоговый ключ DD5.1 переходит в выключенное состояние, отключая генератор ГТИ1 от счётчика СЧ1, а аналоговый ключ DD5.2 переходит во включенное состояние, включая генератор ГТИ2.

    Необходимо  заметить, что для установки всей схемы ЦА в исходное состояние необходимо правильно рассчитать параметры схемы ждущего мультивибратора. Длительность импульса, генерируемого мультивибратором, должна превышать время переходных процессов, необходимое для переключения всех функциональных узлов ЦА. Таким образом, выполняется первый этап работы схемы ЦА после включения питания - установление исходного состояния.

    Для управления пуском ЦА использована схема, собранная на триггере DD3.2.

    Схема позволяет исключить явление  «дребезга» контактов, возникающее при включении кнопки SB1 (см. п.3.2). В исходном состоянии триггер DD3.2 по инверсному выходу находится в состоянии лог.0. При нажатии на кнопку SB1 на выводе 12 триггера формируется импульс положительной полярности, длительность которого определяется временем нажатия на кнопку. Положительный фронт импульса переключает триггер DD4.1 в состояние лог.1, аналоговый ключ DD5.1 включается, обеспечивая поступление секундных импульсов на счетный вход счётчика временного интервала t_зд, а в это время на вход ключа DD5.2 поступает сигнал лог. 0 и он закрывается. На рис. 1.14 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу триггера DD4.1 на всех этапах выполнения программы работы ЦА.

Рис. 1.14 

    После пересчёта счётчиком СЧ1 числа импульсов, соответствующих заданному времени задержки включения ЦА, на выходе логической схемы счётчика СЧ1 формируется импульс положительной полярности, поступающий в схему управления на установочный вход R триггера DD3.1. Перепадами напряжений на выходах триггера DD3.1 выполняется отключение генератора ГТИ1 от счётчика СЧ1.

    После формирования кода служебной команды  и поступления его в канал  связи, схема контроля формирует  сигнал лог.1, поступающий в схему управления (конт.11 разъёма ХР2) на цифровой коммутатор DD6. В данном случае ИС К1533 КП7 выполняет функции демультиплексора 1-»2. При сигнале А₀=1 происходит переключение импульсной последовательности с частотой f_T от формирователя кода на генератор ПСПИ. После передачи в канал связи 1620 знаков ПСПИ схема контроля формирует сигнал окончания выполнения программы работы ЦА. Сигнал лог.1 поступает на конт.6 разъёма ХР2 и через ЛЭ DD1.1 производит запуск мультивибратора схемы управления.

    Импульс, формируемый мультивибратором в ждущем режиме, производит установку всех элементов схемы ЦА в исходное состояние по тем же цепям, как это выполнялось после включения питания. Кроме автоматической установки схемы ЦА в исходное состояние на заданных этапах работы, предусмотрено принудительное прекращение работы ЦА в любой момент времени. При нажатии на кнопку SB2 (рис. 1.13) с резистора R5 снимается импульс положительной полярности, который поступает на все элементы схемы управления и установочные входы функциональных частей ЦА. В результате оба генератора импульсов (ГТИ1 и ГТИ2) отключаются от других частей ЦА, и вся схема в целом устанавливается в исходное состояние

    При синтезе схемы управления необходимо выполнить расчёт параметров дифференцирующей цепи [I], так как от их значения зависит возможность переключения ЛЭ DD1.1 и запуск схемы мультивибратора в ждущем режиме. При применении в качестве отдельных элементов готовых микросхем необходимо сделать обоснование их использования и описать особенности функционирования.

4. Расчет эксплуатационных параметров цифрового автомата

    В проекте необходимо рассчитать следующие  параметры ЦА:

    Потребляемую  мощность (Р_пот).

    Среднее время задержки распространения  сигнала (t_{зд.р.ср.}).

    Мощность, потребляемая ЦА, определяется как  суммарная потребляемая мощность всех ИС цифрового автомата:

,     (1.1)

где n-количество ИС в цифровом автомате; Р_пот – потребляемая мощность одной микросхемы.

    Потребляемая мощность Р_пот – значение мощности, потребляемой микросхемой от источников питания в заданном режиме. Значение данного параметра иногда приводится в справочной литературе для выбранного режима работы. По этой причине такую потребляемую мощность называют динамической.

    Средняя потребляемая мощность Р_пот.ср. – полусумма мощностей, потребляемых цифровой микросхемой от источника питания в двух различных устойчивых состояниях.

Р_пот.ср. =U_п(I⁰_пот+ I¹_пот)/2 ,    (1.2)

    где U_n – напряжение источника питания; I⁰_пот, I¹_пот – токи потребления в состояниях лог. 0 и лог. 1 соответственно.

    Параметр (1.2) более часто приводится в справочной литературе и имеет ориентировочный характер, позволяющий приближённо оценить потребляемую мощность в статическом режиме.

    Среднее время задержки распространения сигнала t_{зд.р.ср.} – интервал времени, равный полусумме времени задержки распространения сигнала при включении и выключении цифровой микросхемы:

t_{зд.р.ср.}=( t_зд.р+ t_зд.р.)/2     (1.3)

    Знание  значения параметра (1.3) позволяет не только оценить быстродействие микросхемы, но и при необходимости ориентировочно определить допустимую частоту переключения f_пер. Среднее время задержки распространения сигнала в ЦА можно определить как сумму значений среднего времени задержки распространения сигнала всех ЛЭ, составляющих наибольший путь прохождения сигналов:

      (1.4)

где k – количество ЛЭ.