Министерство образования и науки Украины

Сумской государственный университет

Факультет электроники и информационных технологий

Кафедра наноэлектроники

Курсовая робота

по дисциплине «Цифровая схемотехника»

на тему «Проектирование цифрового устройства»

Вариант № 3

Выполнил: студент группы ФЕ-31

Матвиенко Б.И..

Перевірила: Протасова Т.А.

Суми – 2017

Содержание

1 Литературный обзор. Анализ методов измерения временных интервалов 4

2 Разработка структуроной и функциональной схем устройства 11

2.1Разработка структурной схемы устройства 11

2.2Разработка функциональной схемы устройства 12

3.1 Выбор элементной базы 15

3.2 Проектирование схем выделения фронтов временного интервала 16

3.3 Проектирование генератора 18

3.4 Проектирование счетного устройства 20

3.5 Проектирование блока вывода в устройство обработки 22

3.6 Проектирование блока индикации 23

3.7 Проектирование блока управления 29

Вывод 32

Список литературы 33

Содержание 2

1 Литературный обзор. Анализ методов измерения временных интервалов 3

2 Разработка структуроной и функциональной схем устройства 10

2.1 Разработка структурной схемы устройства 10

2.2 Разработка функциональной схемы устройства 11

3 Разработка принципиальной схемы устройства 14

3.1 Выбор элементной базы 14

3.2 Проектирование схем выделения фронтов временного интервала 15

3.3 Проектирование генератора 17

3.4 Проектирование счетного устройства 19

3.5 Проектирование блока вывода в устройство обработки 21

3.6 Проектирование блока индикации 22

3.7 Проектирование блока управления 28

Вывод 31

Список литературы 32

1 Литературный обзор. Анализ методов измерения временных интервалов

Решение многих научных и технических проблем связано с измерением интервалов времени, которые разделяют два характерных момента любого процесса.

Раздел метрологии, занимающийся изучением методов и средств измерения времени и интервалов времени, называют хронометрия. Свойства времени как объекта измерений определяют его физическим содержанием. Главными из них являются: одномерность, однонаправленность, бесконечность, однородность и цикличность.

Измерения интервалов времени необходимы при разработке и испытании всевозможных схем задержки и синхронизации, при исследовании цифровых систем, многоканальных систем с временным разделением каналов, применяемых в технике связи и радиотелеметрия, устройств телеуправления и автоматической коммутации, аппаратуры, используемой в ядерной физике, вычислительной техники и т. д. Подобные измерения особенно нужны в приборостроении, поскольку во многих случаях используются в ней преобразования аналоговых величин в цифровой код осуществляются в результате промежуточного преобразования измеряемой физической величины в интервал времени.

Рассмотрим методы измерения интервалов времени. По способу измерения и отображения информации измерители временных интервалов делятся на осциллографические и цифровые.

Недостатком осциллографических измерителей временных интервалов является малая чувствительность индикатора, которая ограничивается минимально допустимым уровнем изображения на экране ЭЛТ.

К числу наиболее известных относятся методы дискретного счета (преобразование интервала времени в цифровой код), временных разверток, нулевой и совпадения.

При измерении интервалов времени цифровыми методами используют устройства, которые называются цифровыми счетчиками импульсов.

 Эти устройства относятся к интегральным систем последовательного типа и реализуются на основе триггеров.

Триггер (от английского trigger) - спусковое устройство с набором устойчивых состояний, в которых оно может находиться сколь угодно долго.

Если таких устойчивых состояний два, то такой триггер называется бистабильный.

Влияние внешнего сигнала переводит триггер в противоположное состояние. Каждому состоянию триггера соответствуют определенные сигналы на выходах, отличающиеся высоким или низким уровнями.

Если в триггера более двух устойчивых состояний, то говорят о мультистабильни триггер. В основе электронного триггера лежит схема бистабильной ячейки.

Каждая вычислительная система содержит несколько счетчиков, предназначенных для подсчета числа событий, временных интервалов, а также упорядочения событий в хронологической последовательности.

Счетчики импульсов разделяют на две группы: простые и реверсивные. Простые счетчики могут быть тоскуя, показы которых увеличиваются на единицу с приходом каждого следующего импульса, и виднимальни, показания которых соответственно уменьшаются на единицу. Реверсивные счетчики могут работать одновременно как суммирующие так и виднимальни и является по сути комбинациями этих счетчиков.

Рассмотрим наиболее распространенные цифровые методы измерения интервалов времени.

Измерения временных интервалов

Процесс измерения интервалов времени можно осуществить многими методами.

Рассмотрим некоторые из них:

1) Метод последовательного счета. Суть метода последовательного счета заключается в представлении измеряемого интервала τ в виде

последовательности некоторого количества импульсов, следующих друг за другом через равные эталонные промежутки времени.

Устройство, реализующее, этот метод называют преобразователем последовательного счета.

На временной селектор поступают импульсы с генератора квантов последовательности. Временной селектор управляется прямоугольным импульсом, длительность которого равна измерению интервала τ. Управляющий импульс формируется блоком формирования. При наличии управляющего импульса через селектор проходят импульсы, которые затем регистрируются счетчиком.

2) Метод задержанных совпадений. Ниже приведена функциональная схема. Схема имеет измеряемый интервал, который задается двумя импульсами.

Рисунок 1 - Функциональная схема метода задержанных совпадений

В этом случае метод задержанных совпадений используется для учета участка Δτп реобразователя последовательного счета.

Счет участка Δτ можно осуществить также с помощью метода

задержанных совпадений, но для этого существуют специальные методы.

Импульсы с генератора квантов последовательности через схему совпадения СС, управляемую триггером, поступают одновременно на счетчик и линию задержки Л31 Л32, ..., Л3n со временем задержки каждой секции τ0 / n. Выводы от каждой секции линии присоединены к одному из входов схем совпадений CC1, СС2 ..., ССn. Вторые входы схем совпадений соединены с одним из выходов триггера.

При поступлении стартового импульса открывается схема совпадения и счетчик регистрирует импульсы с его выхода. При этом схемы совпадений закрыты низким потенциалом, снимается с триггера. С приходом стопового импульса прекращается счет импульсов, поступающих из схемы совпадения. Перепад напряжения триггера открывает схемы совпадений. При этом если столовый импульс приходит в момент времени, когда последний импульс совпадений находится в m-ной секции линии задержки, то импульсы появятся

на выходах схем от СС1 к ССn. Импульсы совпадения поступают далее на устройство дешифровки и индикации.

3) Нониусные метод применяется в технике измерения интервалов времени в качестве средства уменьшения погрешности преобразователей последовательного счета, также применяется и в качестве самостоятельного метода построения некоторых измерительных устройств. На рисунке 3 приведена функциональная схема измерителя интервалов времени нониусные методом уменьшения погрешности Δτ2 и с синхронизацией стартового импульса (Δτ1 = 0).

Рисунок 2 - Функциональная схема измерителя по нониусному методу

Импульсы с генератора квантов последовательности поступают на входы схем совпадения и на вход делителя частоты. Делитель частоты формирует импульсы. Одновременно импульсы подельника открывают схему совпадения, выходные импульсы которого регистрируются счетчиком грубого отсчета. Генератор нониусных импульсов запускается стоповым импульсом. Генерируются им импульсы с периодом Через некоторый промежуток времени, зависит от продолжительности участка τ0 - Δτ2, состоится совпадение импульсов квантов и нониусные последовательностей. Импульс схемы совпадения блокирует генератор нониусных импульсов. Очевидно, что количество импульсов, зарегистрированных счетчиком, пропорциональна длительности участка τ0 - Δτ2.

Существенным недостатком нониусные метода является неудобство отсчета результатов измерений по нескольким табло с последующими вычислениями.

4) Методы с промежуточным преобразованием

Рассмотрим этот метод на примере его применения в преобразователе последовательного счета с целью учета участка Δτ2. Для простоты, принимаем, что стартовый импульс синхронизирован с импульсами квантовой последовательности.

Рисунок 3 - Функциональная схема измерительного устройства с промежуточными преобразованиями

Импульсы квантуючои последовательности из генератора поступают на первые входы схем совпадения 1 и 2, которые по второму входов управляются триггером. С приходом стартового импульса триггер опрокидывается, при этом открывается схема совпадения 2 и закрывается схема совпадения 1. Начинает работать схема грубого измерения времени, состоящий из схемы совпадения 2 и счетчика.

Столовый импульс возвращает триггер в исходное положение, закрывается схема совпадения 2 и открывается схема совпадения 1. Столовый импульс одновременно поступает на преобразователь время - амплитуда и запускает его. Первый импульс с выхода схемы совпадения 1 прекращает работу преобразователя. На выходе преобразователя при этом возникает импульс, амплитуда которого пропорциональна длительности интервала между двумя импульсами - стоповым и первым импульсом с выхода схемы совпадения 1, то есть пропорциональна участке Δτ2.

5) Измерение методом сравнения временных интервалов.

Измеритель временных интервалов предназначен для измерения

временных интервалов периодических процессов микросекундного диапазона длительностей. В основу работы прибора положен компенсационный метод измерения временных интервалов. Измеряемый интервал сравнивается с известным, при этом известный временной интервал задается источником временных сдвигов, а момент компенсации измеряемого временного интервала образцовым фиксируется с помощью осциллографического индикатора.

Рисунок 4 - Структурная схема

Процесс измерения временных интервалов сводится к следующему: начало измеряемого интервала, подаваемого на вход системы вертикального отклонения индикатора, совмещают с визирной отметкой на экране. Затем изменением задержки импульса запускает развертку индикатора, конец временного интервала совмещают с той же пометкой. Измеряемый интервал равен значению изменения задержки. Источник временных сдвигов позволяет получить два импульса с регулируемым временным сдвигом между ними: пусковой импульс - для запуска исследуемого устройства; задержан импульс - для запуска ждущей развертки электронно-лучевой индикатора.

В этой работе мы будим использовать метод последовательного счета, этот метод является более универсальным и другие методы являются связанными с методом последовательного счета.