Курсовая / Курсовая работа_Секундомер

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Цифровая схемотехника»

Тема: Разработка электронного устройства

Студент гр. 0207 _____________________ Маликов Б.И.

Преподаватель _____________________ Ухов А.А.

Санкт-Петербург

2023

АННОТАЦИЯ

Данная курсовая работа рассчитана на разработку электронного устройства в программном обеспечении Max+Plus. Электронное устройство, в данном случае, представляет собой секундомер. При этом, электронную схему для простоты требуется разделить на отдельные функционирующие блоки, для которых привести соответствующие схемы и тактовые диаграммы.

SUMMARY

This course work is designed to develop an electronic device using Max+Plus software. The electronic device, in this case, is a stopwatch. At the same time, for simplicity, the electronic circuit needs to be divided into separate functioning blocks, for which the corresponding circuits and clock diagrams must be provided.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………….....5

1. АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ ………………………………………………………......6

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА .…………..………………. 7

2.1 ОБЩАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА …………………………………... 7

2.2 СХЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ДРЕБЕЗГА ………..………………………... 8

2.3 СХЕМА КНОПОК СТАРТ, СБРОС, ПАУЗА ….……….…………... 9

2.4 СХЕМА СЕКУНДОМЕРА С ОГРАНИЧЕНИЕМ СЧЕТА .………. 10

2.5 СХЕМА ПАРАЛЕЛЬНОГО РЕГИСТРА ………….………………. 13

3. ТАКТОВЫЕ ДИАГРАММЫ………………………………………………... 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …….....………………………………………………….......... 16

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………...17

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной курсовой работы является разработка цифрового секундомера, имеющего четыре цифровых входа, отвечающих за: «старт», «пауза», «сброс» и «круг». Фронт импульса на входе 1 запускает счет времени счетчиком. Фронт импульса на входе 2 останавливает счет времени счетчиком. Фронт импульса на входе 3 обнуляет счетчик. Фронт импульса на входе 4 записывает текущее значение счетчика в параллельный регистр.

Основой данной схемы является 4-х разрядный счетчик на инкремент. В цифровом блоке имеется параллельный регистр аналогичной разрядности. Дискретность отсчетов времени – 0,01 секунда. Младшие декады – сотые доли секунды. Максимальное значение – 99. Старшие декады – секунды. Максимальное значение – 59. Минимальное значение во всех декадах – 0.

При достижении счетчиком максимального значения счет времени останавливается и на выходе 1 появляется сигнал с частотой 3 кГц. При любых других значениях счетчика на этом выходе – лог. 0.

1. Анализ задания

Анализирую задание, делаем вывод, что реализовать схему секундомера можно довольно просто, используя четыре двоичных счетчика 74НС191. Каждый из данных счетчиков отвечает за свое значение времени. За частоту тактового входа было выбрано значение 3 кГц, так как в конце работы схемы следует сформировать сигнал в 3 кГц.

Дискретность отсчета времени 0,01 с, соответственно, частота импульсов, поступающих на вход разрешения счетчика, равняется 100 Гц.

Ограничения счета секундомера – 59,99 с, после данного значения на выходе формируется сигнал с тактового входа 3 кГц. Данная частота является звуковой, соответственно, выход данного сигнала назван «BUZZER».

2. Проектирование схемы устройства

2.1 Общая схема устройства

Рис. 1 – Общая схема устройства

Общая схема работы устройства состоит их отдельных блоков. Схема имеет 4 цифровых входа: START, RESET, ROUND, PAUSE и входы тактирования: CLK и 100_HZ, с частотой 3 кГц и 100 Гц, соответственно.

Каждый из входов подключен к схеме защиты от дребезга KEY_GUARD.

Схема секундомера представлена отдельным блоком COUNTER. Работа кнопки «круг» (ROUND) представлена отдельными параллельными регистрами PRL_REG.

В блокке S_R_P объеденены три «кнопки» - START, RESET и PAUSE.

2.2 Схема защиты от дребезга

Рис. 2 – Схема защиты от дребезга

Рис. 3 – Схема подключения кнопок START, RESET, PAUSE

Один факт нажатия на кнопку сопровождается несколькими коммутациями ее контактной группы, и на информационный вход D-триггера поступает серия импульсов. Процесс дребезга исправной кнопки не превышает нескольких миллисекунд, поэтому одно нажатие на кнопку приведет, с учетом тактовой частоты, к одному факту смены уровня на выходе первого D-триггера на 𝑄 = 1 по ближайшему фронту тактового сигнала. В течение одного такта второй D-триггер будет хранить старое значение 𝑄 = 1, и на выходе всей схемы сформируется импульс лог. «1» с длительностью в точности совпадающей с величиной ¹_⁄𝑓 , то есть 0,01 секунда.

2.3 Схема кнопок старт, сброс, пауза

Рис. 5 – Схема кнопок START, RESET, PAUSE

Схема данный кнопок представляет собой два RS-триггера, входы START, RESET, PAUSE которых устанавливают логические уровни.

Выход SR подключены к входу сброса D-тригерров схемы. При нажатии на кнопку старт на входе S устанавливается значения лог. «1» и секундомер начинает счет. При этом, на входе R триггера действует уровень лог. «0». При подаче сигнала на RESET RS-тригнер сбрасывается, то есть на входе R устанавливается лог. «1» и секундомер сбрасывается. Работа кнопки PAUSE аналогичная, но вместо RESET на входе R имеется вход START.

2.4 Схема секундомера с ограничением счета

Рис. 6 – Схема секундомера с ограничением счета

Рис. 7 – Схема подключения счетчиков

Рис. 8 – Схема ограничения счета после 59,99 секунд

Принцип действия схемы заключается в том, что при счете на увеличение комбинация битов, где биты 3 и 1 установлены, впервые встречается при достижении числа 10 (..., 10002, 10012, 10102). Когда на выходе счетчика возникает это число, на выходе NAND2 формируется уровень лог. «0». Он записывается в D-триггер по ближайшему фронту тактового импульса и, поступая на асинхронный вход сброса, обнуляет счетчик. Таким образом, схема подсчитывает число импульсов в диапазоне 0...9, при достижении числа 10 схема испытывает переполнение, устанавливается на ноль и запускает другой счетчик.

Ограничения счета реализовано через ЛЭ 8И-НЕ: при достижении числа 59,99 на вход 8И-НЕ поcтупает восемь лог. «1». На выходе ЛЭ формируется лог. «0», этот сигнал поступает на ЛЭ 2ИЛИ-НЕ, который также имеет вход CLK, разрешая его, и на вход разрешения счетчика, останавливая его.

Остановка счетчика формируется так – на входе NAND2 имеем два сигнала: nPSOUT и LPAUSE. При подаче лог. «0» на LPAUSE на выходе ЛЭ NAND2 формируется лог. «1» и на вход OR2 поступает лог. «1», запрещающий сигнал от генератора 100_HZ.

То есть, на выходе BUZZER имеем сигнал 3 кГц и на выходе секундомера число 59,99.

2.5 Схема параллельного регистра

Рис. 9 – Схема параллельного регистра

Параллельный регистр состоит из четырех D-триггеров, имеющих вход разрешения ENA, к которому подключен вход ROUND, отвечающий за запись в данных в регистр.

3. Тактовые диаграммы

Рис. 10 – Диаграмма работы схемы защиты от дребезга

Рис. 11 – Диаграмма тактового сигнала (3 кГц) и импульсов на входе разрешения (100 Гц)

Рис. 12 – Диаграмма работы секундомера с отображением функций: START, PAUSE, ROUND, RESET и ограничем счета после 59,99 секунд

Рис. 13 – Диаграмма, отображающая корректность работы секундомера

Рис. 14 – Диаграмма, отображающая момент «нажатия» на кнопку START и момент начального сброса

Рис. 15 – Диаграмма, отображающая корректность счета секундомера от миллисекунд до десятых секунд

Рис. 16 – Диаграмма, отображающая корректность работы кнопки RESET

Рис. 17 – Диаграмма, отображающая корректность работы кнопки PAUSE

Рис. 18 – Диаграмма, отображающая корректность работы кнопки ROUND

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проектирования курсовой работы была разработана схема секундомера, реализованная на отдельных цифровых блоках.

Анализируя работу разработанной цифровой схемы, делаем вывод, что данная схема работает вполне корректно, точность отсчета времени соответствует отсчету времени, реализованному в Max+Plus. Ограничение счета также реализовано корректно. При этом, частота 3 кГц, формируемая на выходе BUZZER при достижении 59,99 секунд, является звуковой, и конечная схема является хорошим примером реализации секундомера со звуком.

Стоит заметить, что следует корректно выбирать частоту импульсов на входе разрешения счетчика. Так как в случае данного курсового проекта минимальный разряд времени – 0,01 c, частота импульсов равняется 100 Гц. При любой другой частоте счет времени шел бы некорректно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Цифровая схемотехника, методические указания по проведению лабораторных занятий, внутренняя рабочая версия каф. ЭПУ // Санкт- Петербург 2023 г. 98 с.

2. Видео инструкции к проведению лабораторных работ [Электронный ресурс]: URL//: https://www.youtube.com/playlist?list=PLXyqqFIzpPd2vFjnbyMKdlJqdezdnttWv