Учебное пособие 800343
.pdf
Для перехода к совершенной нормальной форме функции F(vi) в заданном базисе И-НЕ преобразуем полученное выражение, используя закон двойного отрицания и закон двойственности:
F(vi) = x1x3 +x4x2x1=x1x3 x4x2x1
Таким образом, для получения заданной функции на основании полученного выражения следует сначала обеспечить инверсию переменных х1, х3 и х4 для чего можно использовать логические элементы И-НЕ, затем
применить операцию 2И-НЕ |
к переменным x1, |
x3 и 3И-НЕ к переменным x4 , |
|||
х2, |
|
1. Выходные |
сигналы, |
полученные в результате этих операции затем |
|
x |
|||||
объединяются с |
применением логического |
элемента 2И-НЕ на выходе |
|||
которого и получаем сигнал заданной формы.
Таким образом, функциональная схема блока формирования функции F(νi) будет иметь следующий вид:
|
DD1.1 |
|
DD1.4 |
|
|
|
& |
X1 |
|
|
|
|
& |
X1X2 |
DD2.2 |
||
X1 |
|
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X2 |
DD2.1 |
|
F(v) |
|
|
|
|
||
X2 |
|
& |
|
|
|
DD1.2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
X3 |
& |
X3 |
|
X1X2X4 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
DD1.3 |
|
|
|
|
X4 |
& |
X4 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис 6.2. Функциональная схема блока формирования функции F(νi)
6.2.3. На основании полученной функциональной схемы блока логики, требований, предъявленных к блоку логики выбираем микросхемы серии К155. Для реализации функциональной схемы выбираем логические микросхемы К155ЛА3 (4 2И-НЕ) и К155ЛА4 (3 3И-НЕ).
Таким образом для блока логики потребуется 2 корпуса микросхем.
Для получения переменных x1, x2, x3, x4 выбираем двоичный четырехразрядный асинхронный счетчик на микросхеме К155ИЕ5, входящий в состав той же серии.
Параметры входного сигнала, необходимого для работы выбранного счетчика:
81
U1вх 2,4 В |
U1 |
вх mах 5,5 В |
U0вх 0,4 В |
|
|
Этими величинами определяются требования, предъявляемые к параметрам сигнала мультивибратора на операционном усилителе подаваемого на вход счетчика, а период следования импульсов определяется заданным значение tи.
6.2.4. На основании полученных данных выбираем напряжение питания ОУ с учетом применения двуполярного питания. Учитывая, что 2,4В U1вх 5,5В и, принимая во внимание наличие необходимого для работы ТТЛ схем источника напряжения +5В, выбираем +E=5 В. Тогда, для значения – E выбираем величину –5 В. Выбор +E на уровне 5 В обеспечит величину выходного единичного сигнала мультивибратора в пределах, допустимых для работы счетчика без дополнительных элементов,ограничивающих его величину.
6.2.5. Выбираем схему электрическую принципиальную генератора тактовых импульсов в соответствии с рис. 5.16. Схема электрическая принципиальная генератора тактовых импульсов с резистивно-диодным ограничителем выходного напряжения и возможностью подстройки периода следования импульсов приведена на рис. 6.3.
R1 |
R2 |
|
DA1 |
С1 |
VD1 |
|
+E |
-E
R4
R5
R3
Рис. 6.3. Схема электрическая принципиальная генератора тактовых импульсов
6.2.6.Определяем требуемое значение частоты следования импульсов
F = 1/ tи = 1/ (120 · 10-6 )= 8,3 · 103 Гц.
6.2.7.Определяем требования к частоте единичного усиления ОУ f1, при которой обеспечивается требуемое значение крутизны фронтов импульсов из
выражения:
f1 ≥ 100 · F ≈ 0,83 · 106 Гц.
82
6.2.8. По справочным данным выбираем ОУ типа К140УД10 со следующими значениями основных параметров, обеспечивающими выполнение требований определенных в п.п.6.2.4 и 6.2.7:
Uпит = ± (5…18) В; Iпот = 10 мА ; Кu = 5 · 103 ; Uсм = 5мВ; f1 =15 · 106 Гц; Rн мин = 2 кОм; Vu вых = 30 В/мкс; Rвх =400 кОм.
Для обеспечения требуемой величины U0вх 0,4В используем резистивнодиодный ограничитель, причем, учитывая величину U0 min -0,4В выбираем диод ГД107Б, для которого при I пр max=20 мА Uпр 0,4 В. Учитывая величину входного сопротивления ИМС ТТЛ типа и величины Rн.min 1 кОм, номинал сопротивления ограничительного резистора R5 выбираем величиной 2 кОм, что обеспечит необходимое значение Uвх ИМС счетчика как при генерации U1 2,4 В, так и при генерации U0 0,4 В выходного напряжения мультивибратора.
6.2.9. Определяем величину номинального значения сопротивления резисторов времязадающей цепи R1+R2 из соотношения:
Rвх >> (R1+R2) >> Rн min ,
400· 103 Ом >> (R1+R2) >> 2· 103 Ом.
6.2.10.Выбираем номинальное значение суммарного сопротивления времязадающей цепи:
R1+R2 = 10 · 103 Ом.
6.2.11. Определяем величину коэффициента положительной обратной связи из соотношения:
0,1 ≥ γ ≥ 0,01.
6.2.12. Выбираем величину коэффициента положительной обратной связи:
γ= R3 =0,1.
R3+R4
6.2.13. Для уменьшения влияния температуры на величину напряжения смещения нуля ОУ за счет разности входных токов определяем значение сопротивления резистора R4 из выражения:
R4 = R1+R2 = 104 = 105 Ом.
γ0,1
6.2.14.Определяем величину сопротивления резистора R3, обеспечивающую выбранное значение коэффициента положительной обратной связи из соотношения:
R3=R4 γ = 105 · 0,1 11· 103 Ом. 1-γ 1-0,1
Выбираем типы и номиналы резисторов R3 и R4:
R3 – C2-1-0,125-11кОм 5% ;
R4 – C2-1-0,125-100кОм 5% .
Таким образом, номинальная величина коэффициента положительной обратной связи:
83
γ |
|
= |
R3 |
= |
|
11 |
0,099. |
0 |
|
11+100 |
|||||
|
|
R3+R4 |
|
||||
6.2.15. Определяем номинальное значение емкости конденсатора времязадающей цепи С1 из выражения:
С1= |
tи* |
|
|
|
|
= |
60 10 6 |
|
|
|
{2(R1+R2) ln 1+γ |
0 |
/ 1-γ |
0 |
} |
2 104 ln 1+0,099 |
/ 1-0,099 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
15,1·10-9 [Ф].
6.2.16.Выбираем значение емкости конденсатора С1 из стандартного 5% ряда номиналов конденсаторов С1 = 15 нФ.
6.2.17.Определяем предельные + и - значения коэффициента при возможных отклонениях значений сопротивлений резисторов R3 и R4 от выбранных номинальных значений из следующих выражений:
γ+ = |
|
R3(1+0,05) |
|
|
= |
|
11(1+0,05) |
|
= 0,1084 |
|
|
R3(1+0,05)+R4(1-0,05) |
11(1+0,05)+100(1-0,05) |
||||||||
γ- = |
|
R3(1-0,05) |
= |
|
|
11(1-0,05) |
= 0,09052. |
|||
R3(1-0,05)+R4(1+0,05) |
11(1-0,05)+100(1+0,05) |
|||||||||
Определяем номинальное ( 0) и предельные ( max и min) значения постоянной времени времязадающей цепи 0=(R1+R2)C1 с учетом возможных отклонений значений сопротивлений резисторов R3, R4 и емкости конденсатора С1 от номинальных.
|
|
|
|
|
|
tи*max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
60 1,2 10-6 |
|
|
|
|
6 |
|
|
|||||||||||
τmax = |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
=165,4 10 |
|
[с]; |
||||||||||||||||||||
2ln 1+γ |
+ |
/ 1-γ |
+ |
|
2ln 1+0,1084 / 1-0,1084 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
τ0= |
|
|
|
|
tи* |
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
60 10-6 |
|
|
|
=151,02 10 |
6 |
[с]; |
|
|||||||||||
2ln |
1+γ |
0 |
/ 1-γ |
0 |
|
|
|
2ln 1+0,099 / 1-0,099 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
τmin = |
|
|
|
tи*min |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
60 0,9 10-6 0,8 |
=132,2 10 |
6 |
[с]. |
|||||||||||||||||
2ln 1+γ |
+ |
/ 1-γ |
+ |
|
|
|
2ln 1+0,09052 / 1-0,09052 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
6.2.18. Номинал резистора R2 находим из следующего неравенства: |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τmin |
R2 |
max |
|
τ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
C1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max |
|
|
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
132,2 10 6 |
|
|
|
|
[Ом] R2 |
max |
|
151,02 10 6 |
|
[Ом] |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
15(1 0,05) 10 9 |
15(1 0,05) 10 9 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
8,4 103[Ом] R2max 9,78 103[Ом]
Выбираем тип и номинал резистора R2: C2-1-0,125-9,1 кОм±5 %.
Таким образом,
R2max =9,1(1+0,05)=9,56 кОм;
R2min =9,1(1-0,05)=8,65 кОм.
84
Номинал сопротивления резистора R1 должен удовлетворять следующим неравенствам:
R1 |
|
τmax |
-R2 |
|
|
|
165,4 10 6 |
|
8,65 2,95 103 |
[Ом]; |
||||
|
|
|
|
15(1 0,05) 10 9 |
||||||||||
min |
|
|
C1 |
|
min |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
min |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
R1 |
|
|
τ0 |
-R2 |
|
|
|
|
|
151,02 10 6 |
8,65 103 1,95 103 [Ом]. |
|||
|
|
|
|
|
15(1 0,05) 10 9 |
|||||||||
min |
|
C1 |
min |
|
|
|
|
|||||||
min
Выбираем тип и номинал резистора R1:
СП5-2ВА-0,5-2,4 кОм±5 %.
Таким образом,
R1max =2,4(1+0,05)=2,52 кОм;
R1min =2,4(1-0,05)=2,28 кОм.
Схема электрическая принципиальная генератора импульсов заданной логической последовательности представлена на рис. 6.4.
Выводы 7 и 14 микросхем DD2 и DD3 подключить к шинам земля и +5В соответственно
Рис. 6.4. Схема электрическая принципиальная разрабатываемого устройства
Перечень элементов |
схемы |
электрической принципиальной генератора |
||
логической функции: |
|
|
|
|
DA1 – К140УД10; |
DD1 – К 155ИЕ5; |
DD2 – К155ЛА3; |
||
VD1 –ГД107А; |
|
|
|
|
R1 |
- СП5-2ВА-0,5-2,4 кОм±5 %; |
R2 – C2-1-0,125-9,1 кОм±5 %; |
||
R3 |
– C2-1-0,125-11кОм 5% ; |
R4 – C2-1-0,125-100кОм 5%; |
||
R5 |
– С2-1-0,125-2кОм ±5 %; |
|
|
|
C1 |
– К10-17Б-М1500-0,015мкФ±5. |
|
||
85
7. CXЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ПОМОЩИ ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ МС-10
7.1. Cxемотехническое моделирование генератора импульсов счета
Последовательность действий выглядит следующим образом:
1)сформировать графическое изображение схемы электрической принципиальной генератора импульсов счета средствами графического редактора ППП МС-10;
2)осуществить схемотехническое моделирование динамических характеристик (осциллограмм выходного напряжения) генератора импульсов счета средствами ППП МС-10;
3)подготовить электронный вариант файла, включающий графическое изображение схемы генератора импульсов счета и результаты моделирования;
4)сравнить результаты электрического расчета схемы генератора импульсов счета с результатами моделирования и сформулировать выводы по проделанной работе.
7.2. Cxемотехническое моделирование блока формирования функции
Последовательность действий выглядит следующим образом:
1)сформировать графическое изображение схемы электрической принципиальной блока формирования функции средствами графического редактора ППП МС-10;
2)осуществить схемотехническое моделирование динамических характеристик (осциллограмм выходного напряжения) блока формирования функции средствами ППП МС-10;
3)подготовить электронный вариант файла, включающий графическое изображение схемы блока формирования функции и результаты моделирования;
4)сравнить результаты электрического расчета схемы блока
формирования функции с результатами моделирования и сформулировать выводы по проделанной работе.
7.3. Cxемотехническое моделирование устройства формирования выходного сигнала
Последовательность действий выглядит следующим образом:
1) сформировать графическое изображение схемы электрической принципиальной устройства формирования выходного сигнала средствами графического редактора ППП МС-10;
86
2)осуществить схемотехническое моделирование динамических характеристик (осциллограмм выходного напряжения) устройства формирования выходного сигнала средствами ППП МС-10;
3)подготовить электронный вариант файла, включающий графическое изображение схемы устройства формирования выходного сигнала и результаты моделирования;
4)сравнить результаты электрического расчета схемы устройства формирования выходного сигнала с результатами моделирования и сформулировать выводы по проделанной работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Практикум предназначен для освоения студентами дисциплины «Цифровые и импульсные устройства», включает краткий теоретический курс по цифровым и импульсным устройствам, индивидуальные варианты заданий по расчету устройств с методическими рекомендациями и примерами выполнения.
Издание соответствует рабочей программе дисциплины «Цифровые и импульсные устройства» для студентов направления подготовки 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», (профиль «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»).
87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства: [учебник] / В. И. Бойко, А. Н. Гуржий, В. Я. Жуйков, А. А. Зорин, В. М. Спивак. - СПб : БХВ-Петербург, 2004. - 482 с.
2.Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства: [учебник] / В. И. Бойко, А. Н. Гуржий, В. Я. Жуйков, А. А. Зорин, В. М. Спивак. - СПб: БХВ-Петербург, 2004. - 512 с.
3.Мишин, Г.Т. Современная аналоговая микроэлектроника. Теория и практика : [науч. изд.] / Г. Т. Мишин. - М.: Радиотехника, 2007. - 208 с.
4.Браммер, Ю. А. Импульсная техника : учебник : доп. М-вом образования РФ для студентов образоват. учреждений сред. проф. образования / Ю. А. Браммер, И. Н. Пащук. - М.: Форум : Инфра-М, 2005. - 207 с.
5.Браммер, Ю. А. Импульсные и цифровые устройства : доп. М-вом образования РФ / Ю. А. Браммер, И. Н. Пащук. - 7-е изд.,перераб. и доп. -
М. : Высш.шк., 2003. - 352 с.
6.Каплан, Д. Практические основы аналоговых и цифровых схем / Д. Каплан, К. Уайт; пер. с англ. А. А. Кузьмичевой; под ред. А. А. Лапина. -
М.: Техносфера, 2006. - 174 с.
7.Браммер, Ю. А. Цифровые устройства: учеб. пособие : доп. УМО вузов РФ / Ю. А. Браммер, И. Н. Пащук. - М. : Высш. шк., 2004. - 229 с.
8.Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб: БХВ – Петербург, 2001.
9.Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие. – 2-е издание. – М.: Лаборатория Баз Знаний, 2001.
10.Микропроцессорные системы: Учебное пособие. / Под ред. Пузанкова Д.В. - Допущено МОРФ. - Санкт-Петербург: Политехника, 2002. - 935с.
88
Учебное издание
Горбатенко Владимир Валентинович
ЦИФРОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА: ПРАКТИКУМ
В авторской редакции
Компьютерный набор В.В. Горбатенко
Подписано к изданию 15.12.2016. Объем данных 1,7 Мб.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
394026 Воронеж, Московский просп., 14
89