Синтез цифрового автомата

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Ульяновский государственный  технический университет

Кафедра “Радиотехника”

Дисциплина “ ЦУ и  МП ”

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Синтез цифрового автомата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы РТд – 41

Сидорычев А.И.

 

Руководитель:

Захаров Н. Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ульяновск 2011

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание

 

Вариант 18

 

 

 

 

Скорость передачи информации цифровым автоматом: Vu = 10 кб/с

 

Время задержки после  нажатия кнопки «Пуск»:  t зд = 32 c

 

Коды букв формируемых  ЦА:  РАЗВОД 

Порождающий полином : Gi(x)

 

Число двоичных символов для формирования псевдо случайной  последовательности импульсов  N = 2650

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Взаимное проникновение  вычислительной техники и средств  связи приводит к необходимости  качественного изменения средств  связи. В настоящее время происходит широкое внедрение цифровых методов формирования и передачи информации. Это обусловило использование устройств цифровой и вычислительной техники, как основы для построения аппаратуры техники связи.

Курсовой проект «Синтез  цифрового автомата» выполняется  по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры». Выполнение курсового проекта (КП) является заключительным этапом изучения основ цифровой схемотехники, принципов построения цифровых устройств узлов и блоков аппаратуры техники связи. Его выполнение направлено на привитие практических навыков разработки и проектирования импульсных и цифровых устройств, применяемых в народном хозяйстве.

Целью выполнения проекта  является:

1. Систематизировать, закрепить и углубить теоретические знания основ цифровой схемотехники.
2. Научиться  самостоятельно  применять  полученные  при  изучений 
   дисциплины знания принципов построения цифровых устройств узлов и блоков аппаратуры техники связи для решения конкретных инженерных задач с применением интегральных схем (ИС).
3. Развить практические навыки по синтезу импульсных и цифровых 
   устройств.
4. Совершенствовать навыки инженерного расчёта импульсных и цифровых устройств, выполняемых на базе ИС.
5. Привить практические навыки выполнения принципиальных схем 
   импульсных и цифровых устройств, оформления текстовых и графических документов.

С этой целью в проекте  решается задача разработки источника сообщений системы электрической связи, представляющего собой цифровой автомат формирующий определённую совокупность сообщений в цифровой форме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Разработка структурной  схемы и алгоритма работы ЦА

 

       В задании указано,  что ЦА должен начать формирование  определенной кодовой последовательности  дискретных сигналов, в соответствии  с индивидуальным заданием, спустя  промежуток времени t_3д после включения питания и запуска автомата нажатием на кнопку «ПУСК». Следовательно, на основе анализа данных функций можно сделать вывод, что проектируемое устройство должно содержать:

• источник питания ЦА или контактное соединение для его подключения 
  (разъёмное, разборное, не разборное, гнёзда или какое-либо другое);
• коммутационное устройство для включения питания (выключатель 
  однополюсной, многополюсной или кнопочный и т.д.);
• для запуска ЦА можно использовать выключатель или переключатель 
  кнопочный нажимной с замыкающим контактом или группой замыкающих (переключающих) контактов;
• для отсчёта заданного промежутка времени t_зд необходимо устройство 
  отсчета временных интервалов, в качестве которого может использоваться счетчик импульсов с периодом следования Т=1 с;
• для формирования импульсов с периодом следования Т=1 с необходим 
  генератор импульсов, который может быть синтезирован на основе схемы мультивибратора в автоколебательном режиме или собран на основе ИС генератора, имеющегося в составе заданной серии ИС;
• для согласования работы функциональных частей ЦА необходима схема управления и схема контроля формирования заданных команд, работа которых на некоторых этапах будет выполняться совместно. Схема управления включает в себя коммутационные устройства (переключатели кнопочные) для запуска и остановки работы ЦА, а значит и асинхронные триггеры. К этой же схеме можно отнести логическую схему, разрешающую сначала формирование служебных команд, затем формирование псевдослучайной последовательности импульсов. Схема контроля формирования команд может быть только последовательностного типа. Основой такой схемы могут быть счётчики импульсов. Сигналы схемы контроля должны управлять работой логической схемы и через элементы схемы управления могут формировать сигналы о выполнении программы работы ЦА;
• для формирования дискретных сигналов, соответствующих коду служебной команды, потребуется формирователь кода служебной команды. Если служебная команда должна быть передана в канал связи в коде МТК-2, то формирователь кода может состоять из счётчика импульсов, формирующего служебную команду с заданной скоростью V_u в параллельном двоичном коде и преобразователя параллельного двоичного кода в последовательный код МТК-2. После окончания формирования кода служебной команды формирователь кода должен вернуться в исходное состояние или должен быть отключен от канала связи. Следовательно, необходим дешифратор последнего состояния счётчика, формирующий сигнал сброса формирователя кода в исходное состояние ИЛИ ЛС, отключающая формирователь кода от канала связи;
• для формирования служебных команд и обеспечения заданной скорости передачи информации V_u в канал связи необходим генератор тактовых импульсов.
• для формирования псевдослучайной последовательности двоичных сигналов необходим   генератор   псевдослучайной  последовательности   импульсов (ГПСПИ). В качестве такого генератора используются регистры с логической обратной  связью.  Генератор должен  сформировать  последовательность двоичных сигналов объёмом 2000-3500 знаков, которая с заданной скоростью V_u передаётся в канал связи;
• для коммутации сформированных служебных команд в строго определённой последовательности необходим цифровой коммутатор, управление которым можно осуществить от схемы контроля формирования команд.

      Таким  образом, проанализированы функции,  выполняемые ЦА. На рис. 1 приведена структурная схема ЦА для случая передачи в канал связи служебной команды СНАРЯД в коде МТК-2 и псевдослучайной последовательности двоичных сигналов объёмом 3200 знаков.

 

 

Рис.1. Структурная схема  цифрового автомата.

      Весь цикл работы ЦА можно разделить на следующие этапы:

1. Включение и установка исходного состояния.

      При  включении питания и нажатии  кнопки «Пуск» ЦА переходит  в исходное состояние. Генераторы  тактовых импульсов ГТИ1 и ГТИ2  начинают формировать периодические последовательности импульсов с периодом следования T₁=l с и Т₂=1/f_т соответственно. Схема управления (СУ) цифрового автомата формирует кратковременный сигнал логической 1 (лог.1) или логического 0 (лог.0)  в зависимости от типа установочного входа используемых цифровых устройств.

2. Запуск ЦА.

      При  нажатии кнопки SB 1 («ПУСК») срабатывает  триггер ТГ1 схемы управления, сигнал  лог. 1 с которого поступает на  вход схемы И1 и открывает  ее. Тактовые импульсы ГТИ1 поступают  теперь на счетный вход счетчика Сч1. Счетчик начинает осуществлять счет числа импульсов, которое в двоичном коде поступает на дешифратор ДС1. При достижении числа N=t_зд дешифратор выдает импульс, который поступает в СУ и переключает триггеры, управляющие работой схем И1 и И2.

     Схема И1 закрывается, а схема И2 открывается. С выхода открытой схемы И2 импульсы с тактовой частотой f_т поступают на вход демультиплексора (DMS), один из выходов которого подключен ко входу счетчика Сч2.

3. Формирование кода служебной команды (пароля)

      В качестве  пароля используется комбинация  шести букв СНАРЯД, каждая из  которых в коде МТК-2 представлена  пятиразрядным двоичным кодом: 01100 00110 11000 01010 11101 10010.

      Таким  образом, вся служебная команда  представляет совокупность двоичных цифр в количестве 30 знаков. Каждый из тридцати элементов комбинации, начиная со старшего разряда (буква С), можно получить с помощью формирователя кода, состоящего из 5-разрядного синхронного двоичного счётчика Сч2 и преобразователя параллельного двоичного кода счётчика в код, соответствующий буквам СНАРЯД. Следовательно, для формирования заданной служебной команды потребуется 30 тактовых импульсов, поступающих на вход Сч2. К выходам разрядов счетчика подключены входы дешифратора ДС2, который на тридцатом импульсе выдает импульс в СУ, которая по этому импульсу выдает соответствующие сигналы на адресные входы демультиплексора и мультиплексора.

      Демультиплексор  подключает входной сигнал f_т на входы ГПСПИ и счетчика Сч3, а вход мультиплексора переключается с выхода сигнала кодопреобразователя на выход генератора ПСПИ.

4. Формирование псевдослучайной последовательности импульсов

        После подключения генератора  тактовых импульсов к входу  генератора ПСПИ начинается формирование  псевдослучайной последовательности двоичных сигналов и передача их в канал связи.

        Число формируемых генератором  ПСПИ двоичных знаков пересчитывается  счетчиком Сч3 и определяется  дешифратором ДС3. При прохождении  3200 тактовых импульсов на выходе  дешифратора образуется импульс, который поступает в схему управления. Схема управления формирует сигнал окончания выполнения программы ЦА, при этом ЦА переходит в исходное состояние. Перевести ЦА в исходное состояние в любой момент можно нажатием кнопки «Стоп».

        Разработанные структурная схема ЦА (рис. 1) и алгоритм его работы позволяют приступить к разработке функциональных (логических) схем функциональных частей ЦА.

2.Синтез элементов структурной  схемы

• 2.1.Разработка генератора тактовых импульсов

       Существует  много разновидностей схем генераторов, построенных как на специализированных ИС, так и на логических элементах (НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ), объединенных в кольцо положительной обратной связи с применением резисторов и конденсаторов, определяющих частоту повторения генерируемых тактовых импульсов.

       При  выполнении проектирования ЦА  необходимо сформировать две  периодические последовательности  тактовых импульсов с периодом  Т₁=1с и с периодом следования Т₂, зависящим от заданной скорости передачи информации V_и , т.е. для синтеза ЦА необходимо два генератора тактовых импульсов. Рассчитаем параметры элементов для первого генератора.

DD1 КР1533ЛА3

Рис.2.Схема ГТИ на четырех  логических элементах

        На рис.2 приведена схема ГТИ,  выполненная на четырех логических  элементах, двух конденсаторах и двух резисторах. При R₁=R₂, имеющих величины в пределах 1,3..1,6 кОм, и высоком уровне сигнала на входе «ПУСК» генератор выдает последовательность импульсов с частотой f=1/2RC и скважностью Q=2 (меандр). Выберем номинал резисторов:

        Примем R₁=1,5 кОм, тогда R₂ также будет иметь значение сопротивления, равное 1,5 кОм. Зная значение частоты следования импульсов, найдем величину емкости конденсаторов С₁ и С₂:

Примем С₁=330 мкФ, С₂=С₁=330 мкФ.

Найдем параметры второго ГТИ:

Определим Т₂ через частоту следования импульсов:

Сопротивление резисторов:

R₃=R₄=1,5 кОм

Емкость конденсаторов:

Примем С₃=0,072 мкФ, С₄=С₃=0,072 мкФ

2.2. Обоснование  выбора и синтез счётчиков

       Счётчик  импульсов - цифровой узел последовательностного  типа,  осуществляющий счёт количества  поступающих на вход импульсов  и представляющий результат в  определённом коде, чаще всего в двоичном. В данном проекте имеется несколько разновидностей счетчиков (Сч1, Сч2, Сч3), отличающихся друг от друга не только назначением, но и схемой построения.

Схема отсчета  временного интервала t_зд .Так как частота следования тактовых импульсов ГТИ1 низкая (Т=1с), то ограничений на выбор типа схемы нет. Схема отсчёта временного интервала может быть синтезирована на базе счётчика импульсов с логической схемой (дешифратором), определяющей заданное число тактовых импульсов, следующих через 1с. Такой вариант наиболее приемлем при использовании ИС счётчиков и при отсчёте больших временных интервалов. В данной работе необходимо выполнить отсчёт времени t_зд =16 с. Логическая схема (ЛС), подключенная к выходам счетчика, определяет состояние счетчика, соответствующее 17-му импульсу на входе. Разрядность счётчика выбирается из условия 2^m > t_зд, где m-число триггеров. Условие 2^m > 17 выполняется при m=5. Для синтеза ЛС не нужно составлять полную таблицу истинности, т.к. сигнал лог.1 должен появляться только при переходе счётчика в состояние j = 17. Достаточно выполнить перевод числа 17 в двоичное изображение (табл. 1).

                                                                                   Таблица 1

j	Q4	Q3	Q2	Q1	Q0	F
0	0	0	0	0	0	0
…						…
17	1	0	0	0	1	1
…						…
31	1	1	1	1	1	Ф