ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в нашей жизни появляется большое количество цифровых устройств, которые выполняют достаточно широкий ряд функций.
Эти устройства — калькуляторы, программаторы, различные счетчики сигналов, измерительные приборы, системы управления и т.д. Эти устройств ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми устройствами: высокий КПД, повышенная надежность, схемы практически не требуют настройки, и после сборки сразу начинают работать, возможность контроля точности устройства, малые потребляемые токи, схемы строятся на однотипных элементах, компактность, меньшая чувствительность к повышению температуры.
Наряду с перечисленными преимуществами существует и некоторые недостатки: имеют меньшее быстродействие, по сравнению с аналоговыми системами.
В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектированием, заданный алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема. Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии, ненадежность пайки. Поэтому результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов. В действительности даже, казалось бы, самые простые элементы, необходимо включать по определенной схеме, знать назначения всех выводов.
Целью данной курсовой работы является:
- закрепление основных теоретических положений дисциплины «Цифровая схемотехника»;
- приобретение практических навыков проектирования цифровых устройств и узлов;
- приобретение навыков применения систем автоматического проектирования и ЭВМ при решении задач разработки цифровых узлов и устройств.
Будем проектироваться цифровое устройство для измерения длительности пауз между положительными импульсами, поступающими на вход устройства. Полученные данные будут выводиться на семисегментный знаковый индикатор. Также эти данные будут выдаваться во внешнее устройство обработки последовательным кодом.
1. Разработка структурной и функциональной схем устройства.
Разработка структурной схемы устройства.
Двоично – десятичный код
символ |
код |
0 |
0110 |
1 |
0111 |
2 |
1000 |
3 |
1001 |
4 |
1010 |
5 |
1011 |
6 |
1100 |
7 |
1101 |
8 |
1110 |
9 |
1111 |
Проектируемое устройство будет измерять интервал между положительными импульсами.Существует насколько методов измерения временных интервалов. По способу измерения и отображения информации измерители временных интервалов (ИВИ) делятся на осциллографические и цифровые.
При осциллографическом способе наиболее распространены следующие методы измерения временных параметров: калиброванных разверток; калиброванных временных меток; сравнения с эталонной задержкой развертки.
Первые два метода широко используются в осциллографах различного класса и подробно рассматриваются в осциллографической технике. Третий метод положен в основу построения всех специализированных осциллографических ИВИ.
Диапазон измерения временных интервалов осциллографическими ИВИ — от долей наносекунды до нескольких секунд.
Осциллографические ИВИ позволяют измерять амплитуду сигналов и устанавливать любой уровень начала и конца измерения в диапазоне 0,1-0,9 от высоты изображения сигнала на экране ЭЛТ ступенями, через 0,1.
К цифровым методам измерения относятся метод последовательного счета, нониусный метод и ряд других.
Проектируемое
устройство будет измерять интервал
методом последовательного счета,
поскольку нониусный метод имеет ряд
недостатков: в данном случае нет
необходимости обеспечения высокой
точности (1 Нс), что несет за собой
аппаратною избыточность; неудобство
отсчета результата по нескольким табло
с последующими вычислениями. Сущность
метода последовательного
счета
состоит
в представлении измеряемого интервала
в виде последовательности некоторого
количества
импульсов, следующих друг за другом
через одинаковые эталонные промежутки
времени
.
По количеству импульсов последовательности,
называемой квантующей, судят о
длительности измеряемого интервала.
Очевидно,
что количество импульсов квантующей
последовательности является цифровым
кодом интервала
.
Устройство, реализующее этот метод, называется преобразователем последовательного счета:
На рисунке 1 приведена функциональная схема преобразователя.
Рисунок 1 – Функциональная схема преобразователя последовательности
На временной селектор поступают импульсы с генератора квантующей последовательности. Временной селектор управляется прямоугольным импульсом, длительность которого равна измеряемому интервалу . Управляющий импульс формируется блоком формирования – детектором фронтов.
При наличии управляющего импульса через селектор проходят импульсы квантующей последовательности, которые затем регистрируются счетчиком.
Временная диаграмма приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Временная диаграмма метода последовательного счета:
а – импульсы квантовой последовательности;
б – на выходе детектора фронтов;
в – измеряемый импульс.
Как известно, относительная погрешность однократного измерения (преобразования интервала) равна:
где
— относительная погрешность периода
квантующих импульсов;
N — количество импульсов, зарегистрированных счетчиком.
Соответственно абсолютная погрешность выразится в виде:
При достаточно малом значении
погрешность однократного измерения
будет в основном определяться погрешностью
дискретности
Для измеряемого интервала можно записать
Величины
и
являются составляющими абсолютной
погрешности.
Работу устройства можно представить следующим образом. По переднему фронту импульса начинается отсчет. При поступлении заднего фронта импульса или при превышении заданного интервала времени отсчет останавливается. Если значение в счетчике превышает заданный предел, на панели отображения выводится сигнал «ошибка». На панели отображения временной интервал и значение счетчика передается в линию последовательным кодом.
В состав структурной схемы войдут следующие элементы:
- генератор исследуемых импульсов (ГИ);
- блок управления (БУ);
- счетное устройство (С);
- блок индикации (БИ);
- блок вывода в линию (БВ).
Структурная схема представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема устройства.