Тема 6: Цифровые устройства сау

План:

1. Регистры.

2. Сумматоры.

3. Цифровые исполнительные механизмы.

1. Регистры

Несколько триггеров можно объединить в регистр - узел для хранения чисел с двоичным представлением цифр разрядов. Основными видами регистров являются параллельные и последовательные (сдвигающие).

В параллельном регистре на тактируемых D-триггерах рисунок 1 код запоминаемого числа подается на информационные входы всех триггеров и записывается в регистр с приходом тактового импульса. Выходная информация изменяется с подачей нового входного слова и приходом следующего синхроимпульса. Такие регистры используют в системах оперативной памяти. Число триггеров в них равно максимальной разрядности хранимых слов.

Рисунок 1

Схема последовательного регистра и временная диаграмма, иллюстрирующая его работу, приведены на рисунке 2. По приходу тактового импульса С первый триггер записывает код X (0 или 1), находящийся в этот момент на его входе D, а каждый следующий триггер переключается в состояние, в котором до этого находился предыдущий. Так происходит потому, что записываемый сигнал проходит со входа D триггера к выходу Q с задержкой, большей длительности фронта тактового импульса (в течение которого происходит запись). Каждый тактовый импульс последовательно сдвигает код числа в регистре на один разряд. Поэтому для записи N-разрядного кода требуется N тактов. На диаграмме видно, что четырёх разрядное число 1011 было записано в соответствующие разряды регистра (1-Q4, 0-Q2, 1-Q2, 1-Q1) после прихода четвёртого тактового импульса. До прихода следующего тактового импульса это число хранится в регистре в виде параллельного кода на выходах Q4-Q1. Если необходимо получить последовательную информацию в последовательном коде, то её снимают с выхода Q4 в момент прихода следующих четырёх импульсов такой режим называется режимом последовательного считывания.

Очень удобны универсальные регистры, позволяющие производить как последовательную, так и параллельную запись и считывание. Такие регистры можно использовать в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный и обратно. Например микросхема К155ИР1 - четырёх разрядный универсальный сдвиговый регистр рисунок 3. Регистр работает в режиме сдвига по тактовым импульсам, поступающим на вход С1, если на входе имеется напряжение низкого уровня. Вход V1 служит для ввода информации в первый разряд в этом режиме. Если же на входе V2 напряжение высокого уровня, то регистр производит параллельную запись информации со входов D1-D4 по импульсам синхронизации, поступающим на вход С2.

Рисунок 2

Рисунок 3

2. Сумматоры

Сумматоры — устройства, осуществляющие основную арифметическую операцию — суммирование чисел в двоичном коде. Простейший случай — суммирование двух одноразрядных чисел: О + 0 = 0, 1 + 0 = 1, О + 1 = 1 и 1 + 1 = 10. В последнем случае выходное число 10 (в десятичной записи это 2) оказалось двоичным двухразрядным. Появившаяся в старшем разряде суммы единица называется единицей переноса.

Н а рисунке показана реализация схемы полусумматора для суммирования двух одноразрядных чисел, состоящая из элементов исключающее ИЛИ и И. Схема имеет два выходных провода: суммы ∑ и переноса С. Таблица состояний полусумматора показана на рисунке.

П олный сумматор должен иметь вход для приема сигнала переноса С_n (здесь n — число разрядов в суммируемых словах). Схема полного сумматора двух одноразрядных слов показана на рисунке, а состояние сумматора показаны в таблице. В последнем столбце таблицы результаты суммирования даны в десятичной форме. В присутствии входной единицы переноса С_n сумма чисел А и В увеличивается на 1.

Полные сумматоры многоразрядных чисел составляются из одноразрядных и могут складывать многоразрядные числа двумя способами: параллельным или последовательным.

На рисунке показана структура пятиразрядного параллельного сумматора. Здесь поразрядно (в параллель) суммируются два пятиразрядных слова: разряд АО с разрядом ВО, A1 с В1 и так далее до А5 с С5. При этом в каждом элементарном сумматоре получаются парциальные суммы ∑O, ∑1 — ∑5 и сигналы внутреннего переноса C_n+1, которые последовательно поступают на вход переноса Сn, более старшего сумматора. Шестой выходной провод содержит сигнал переноса С_n+1 = С₆ (единица в шестом разряде). Таким образом, полная выходная сумма сумматора составляет 111111, т.е. 63 в десятичном эквиваленте.

Данное устройство нетрудно сделать любой длины, однако суммирование будет закончено лишь тогда, когда истечет время распространения сигналов переноса С_n через всю цепь одноразрядных сумматоров. Большое время распространения сигнала ограничивает применение параллельных сумматоров. Такой перенос иногда называю пульсирующим.

Последовательный двоичный сумматор содержит три n-разрядных регистра: регистры слагаемых А и В и регистр суммы ∑. Суммируемые слова загружаются в регистры А и В поразрядно. С такой же скоростью один такт — один разряд происходит и суммирование, т.е. заполнение регистра суммы ∑. Дополнительный D-триггер необходим для запоминания на один такт разряда С_n для переноса его в разряд С_n+1. Регистры последовательных сумматоров могут иметь параллельную загрузку. Если необходимо, чтобы переменные числа В прибавлялись к постоянному числу А, регистр числа А надо запустить в режиме рециркуляции (штриховая линия на рисунке).

Параллельные, комбинаторные (безрегистровые) сумматоры Обеспечивают наибольшую скорость суммирования, если снабжаются схемой, ускоренного переноса СУП. В результате действия СУП разряд C_n+1 появляется на выходе одновременно c разрядами суммы ∑.

Описание и обоснование выбора конструкции

В состав проектируемого исполнительного механизма входят следующие элементы: редукционный двигатель, цилиндрическая зубчатая передача, кулачковый механизм, корпус.

Редукционный двигатель выбирается из условий запаса по мощности, стабильности частоты вращения и передаточному отношению. Конструкция исполнительного механизма не предполагает больших нагрузок, следовательно, двигатель должен быть маломощным.

Поскольку при расчетах получено передаточное отношение 1.8, то в качестве понижающего звена выступает только одна зубчатая передача с внешним зацеплением. По сравнению с другими передачами цилиндрические зубчатые имеют следующие преимущества: высокий КПД, надежность и долговечность работы, неизменность передаточного числа, легкость изготовления, простота при сборке и регулировании, передача вращающего момента с большой точностью. К недостаткам следует отнести шум в работе, однако в данном механизме используются зубчатые колеса относительно небольших размеров, поэтому данная передача будет давать достаточно ограниченное количество шума.

В качестве механизма для преобразования движения используется кулачковый механизм, который и является выходным звеном.

Вал выбираем марки 40Х. Вал ничем не обрабатываем.

Корпус механизма выполнен разъёмным. Это для удобного доступа к деталям при сборке или ремонте. Герметично закрытый корпус обеспечивает требования как техники безопасности, так и производственной санитарии.

Конструкция механизма проектировалась так, чтобы обеспечить наиболее удобную сборку и разборку механизма.

Расчеты

Кинематический расчет

Исходные данные:

Тип зубчатой передачи цилиндрическая

Механизм для преобразования движения кулачковый

Тип направляющих скольжения

Климатическое исполнение ТВ4

Ход выходного звена, мм 5

Погрешность перемещения, мм 0,1

Сила сопротивления выходного звена, Н 120

Скорость движения выходного звена, мм/с 2,5

Требуемая мощность на выходе:

Р-вых = F·v

– угловая скорость выходного вала.

– скорость выходного звена.

Рвых = 0,1·8,72 = 0,87 Вт.

Так как структура механизма пока неизвестна, условно примем его КПД = 0,5. Тогда мощность двигателя:

Рдв = Рвых/КПД = 0,3/0,5 = 0,6 Вт.

Выбираем двигатель РД-09 с .

Передаточное отношение механизма:

u = nдв/n = 15,5/8,82 = 1,76 1,8

Такое передаточное отношение обеспечивается одноступенчатой цилиндрической зубчатой передачей. Число зубьев входного колеса z1 = 20, выходного z2 = z1·u = 20·1,8 = 36.

Структурная схема механизма показана на рисунке 1, кинематическая – на рисунке 2.

Рисунок 1 – Структурная схема механизма,

где ЭД – электродвигатель; Р – редуктор; М – машина.