Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование управляющих цифровых устройств. Учебно-методическое пособие
.pdf
Рис. 21. Счётчик с порядком счёта 0; 6; 1; 2; 7; 5 на JK триггерах
В синтезированном счётчике два запрещённых состояния. С целью
проверки наличия побочных замкнутых циклов или заблокированных
состояний в работе счётчика построим граф переходов счётчика простой
подстановкой запрещённых состояний счётчика и определения состояния, в
которое он переходит на следующем такте.
Рис. 22 Граф счётчика 0; 6; 1; 2; 7; 5
Если по каким-либо причинам, например в результате воздействия
помехи, счётчик встанет в запрещённое состояние 4, он вернётся в рабочий
.
цикл следующим тактовым импульсом через состояние 0, благодаря
,
,
,
,
Вместе с тем из запрещённого состояния 3 (двоичный код слева направо
110) счётчик выйти не может, в чём можно убедиться, проанализировав
состояния выходов и входов триггеров счётчика.
,
,
.
В самом деле, при поступлении очередного синхроимпульса триггеры
Q1 и Q2 остаются в состоянии «1» так как , а триггер Q3 – в
состоянии «0» так как .
Необходимо изменить структуру обратных связей в счётчике таким
образом, чтобы при сохранении заданной последовательности переключений
обеспечить переключение счётчика из состояния (3) в любое из возможных
состояний счётчика, включая состояние «4».
21
Анализируя таблицы переходов и состояний JK входов (Рис. 13),
заметим, что возможны, по крайней мере, три варианта решения проблемы
заблокированного состояния «3».
Вариант 1. Переключение триггера . Рассмотрим карту Карно для .
Рис. 23. Карта Карно для входа счётчика 0; 6; 1; 2; 7; 5
а) с заблокированным состоянием «3», б) с переходом из состояния «3» в
состояние «2»
Здесь (Рис. 23 а). Введём дополнительную зависимость от
, добавив в СДНФ для минтерм , т.е. (Рис. 23
б), при этом очередным тактовым импульсом триггер переключится в
состояние «0», а счётчик переключится в состояние «2».
Вариант 2. Переключение триггера . Рассмотрим карту Карно для .
Рис. 24. Карта Карно для входа счётчика 0; 6; 1; 2; 7; 5
а) с заблокированным состоянием «3», б) с переходом из состояния «3» в
состояние «1»
Здесь (
22
(Рис. 24 а). Введём дополнительную зависимость от
, добавив в
СДНФ для
минтерм , т.е.
(Рис. 24 б), при этом очередным тактовым импульсом триггер
переключится в состояние «0», а счётчик переключится в состояние «1».
Вариант 3. Переключение триггера . Рассмотрим карту Карно для .
Рис. 25. Карта Карно для входа счётчика 0; 6; 1; 2; 7; 5
а) с заблокированным состоянием «3», б) с переходом из состояния «3» в
состояние «7»
(
Здесь (Рис. 29 а). Введём дополнительную зависимость от ,
добавив в СДНФ для минтерм , т.е. (Рис. 29 б), при
этом очередным тактовым импульсом триггер переключится в состояние
«1», а счётчик переключится в состояние (7).
Построим схему проектируемого счётчика с устранением
заблокированного состояния по варианту 3.
Рис. 26. Счётчик с порядком счёта 0; 6; 1; 2; 7; 5 на JK триггерах без
заблокированных запрещённых состояний
23
0
6
1 2 7 5 4
3
Рис. 27 Граф счётчика 0; 6; 1; 2; 7; 5 без заблокированных запрещённых
состояний
5.4 Пример 4. Синтез 4-х разрядного двоично-десятичного счётчика в
коде 8-4-2-1
Рассмотрим ещё один пример синтеза двоично-десятичного счётчика в
коде 8-4-2-1 на JK триггерах.
Определим необходимое количество триггеров при числе состояний
счётчика .
.
Порядок счёта (0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9).
Выпишем состояния проектируемого счётчика в двоичном коде в виде
двух таблиц: первую таблицу для состояния счётчика n, а другую для
состояния n+1. – младший разряд проектируемого счётчика
Рис. 28 Составление таблицы переходов из состояния «n» в состояние «n+1»
триггеров счётчика Q1, Q2, Q3, Q4
Десятым тактовым импульсом счётчик переходит в исходное состояние
(0000).
Полный шаблон карты Карно (Рис. 29 а) и шаблон с отмеченными
неиспользуемыми состояниями (Рис. 29 б).
24
Рис. 29 Карты Карно (а - полная, б - с отмеченными неиспользуемыми
состояниями)
Карты Карно для управляющих JK входов триггеров проектируемого
счётчика 8-4-2-1.
Рис. 30 Таблицы переходов триггеров счётчика и состояний JK входов
Применяя методы минимизации заменяя где нужно неиспользуемые
состояния «Х» единицами, составляем СДНФ для J и K входов
25
;
;
;
;
Используя универсальные триггеры с логикой 3И по J и K входам,
нарисуем схему двоично – десятичного синхронного счётчика.
Рис. 31 Функциональная схема двоично-десятичного счётчика на
универсальных JK триггерах
Большинство серий ТТЛ и КМОП интегральных схем имеет в своём
составе JK триггер с указанной структурой, поэтому с использованием таких
триггеров можно строить счётчики с коэффициентом пересчёта меньшим
16-ти практически без использования дополнительных логических элементов.
Следует отметить, что в составе серий интегральных схем имеются двоичнодесятичные счётчики, выполненные в виде отдельной микросхемы.
26
6 РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОННОГО КЛЮЧА
Электронный ключ (далее по тексту «ключ») является основным
элементом в цифровой и импульсной технике, при этом сигнал высокого
уровня на выходе ключа соответствует логической единице, а сигнал низкого
уровня – логическому нулю. Ключ используется как устройство согласования
слаботочных сигналов цифровых и импульсных устройств с мощной
нагрузкой, в таком применении для описания состояния ключа чаще
используют термины «закрыт» и «открыт» [7].
Транзисторный ключ в цифровой технике выступает в качестве
аппаратного интерфейса между микрокомпьютером (микроконтроллером) и
разнообразными исполнительными устройствами и элементами индикации,
которые как правило имеют повышенную мощность и питаются от источников
с повышенным напряжением или другой полярностью. Для управления
маломощными нагрузками с питанием, совпадающим с питанием цифровых
схем, почти в составе каждой серии цифровых интегральных микросхем
имеются, так называемые буферные элементы (элементы перехода с серии
КМОП на ТТЛ, элементы с открытым коллектором).
Тем не менее часто возникает необходимость разработки ключей с
параметрами, характерными для проектируемых приборов и устройств.
В схемах ключей используют полупроводниковые диоды, биполярные и
полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором
(БТИЗ или IGBT), а также тиристоры, которые используются
преимущественно для коммутации переменного тока.
Выбор того или иного полупроводникового прибора для построения
ключей, как самостоятельных элементов схемы, зависит от требований,
предъявляемых к проектируемому прибору или устройству.
В настоящих методических указаниях изложен порядок расчёта ключа
на биполярном транзисторе, предназначенного для коммутации постоянного
тока в различных маломощных нагрузках.
6.1 Расчёт ключа с использованием буферных элементов ЦИМС
ЦИМС почти всех серий имеют в своём составе, так называемые,
буферные элементы, выходной каскад, которых выполнен по схеме с
открытым коллектором (Рис. 32 а). В составе ЦИМС имеются элементы:
с типовым выходом и повышенной нагрузочной способностью;
с открытым коллектором и повышенным выходным током,
напряжение питания цепи нагрузки Еп1 должно совпадать с
напряжением питания ЦИМС;
с открытым коллектором и повышенным выходным напряжением,
напряжение питания цепи нагрузки Еп1 может не совпадать с
напряжением питания ЦИМС, но не может превышать предельно
допустимое.
Параметры некоторых буферных элементов приведены в приложении V.
27
Рис. 32. Использование буферного элемента ЦИМС для управления
маломощной нагрузкой. а) буферный элемент ЦИМС с открытым
коллектором (фрагмент схемы), б) управление светодиодом, в) управление
реле, г) управление нагрузкой повышенной мощности
6.1.1 Расчёт добавочного сопротивления при работе ключа на светодиод
Добавочное сопротивление для схемы включения светодиода (в т.ч.
светодиода оптрона) (Рис. 32 б) рассчитывается по формуле
, (3)
где
– напряжение насыщения выходного транзистора буферного
элемента с открытым коллектором (см. Приложение V).
6.1.2 Расчёт добавочного сопротивления при работе на обмотку реле
Для схемы ключа, коммутирующего ток в обмотке реле (Рис. 32 в),
добавочное сопротивление рассчитывают по из условия
,
(4)
если в паспортных данных реле задан рабочий ток в обмотке реле, или из
условия
,
(5)
если задано рабочее напряжение на обмотке реле.
При расчётах принимают значение минимальным в пределах заданного
допуска, а параметры в правой части равенств (4) и (5) – максимальными.
При выборе из ряда номинальных значений (Приложение II) следует
брать ближайшее бόльшее значение.
Защитный диод для схемы Рис. 32 в) выбирается по методике пункта
6.4.4.
Сопротивления резисторов и в схеме Рис. 32 д) рассчитываются
по методике, изложенной в пункте 6.6.
Мощности резисторов рассчитываются по формуле (22).
28
6.2 Основные соотношения для ключа на биполярном транзисторе в
статике
Работу транзисторного ключа удобно рассматривать, используя
графоаналитический метод, построением нагрузочной прямой AD.
Уравнение нагрузочной прямой:
(6)
Рис. 33. а) Ключ на биполярном транзисторе. б) Ключ с запирающим
смещением. в) Графическое определение закрытого (точка С) и открытого
(точка В) состояний ключа.
Точки пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками
транзистора соответствуют напряжениям на элементах схемы и токам в
коллекторной и базовой цепях транзистора.
На вход транзисторного ключа подаётся сигнал с выхода логического
элемента ТТЛ или КМОП с параметрами
- минимальное напряжение уровня логической 1 на
выходе ЦИМС (на входе ключа),
- максимальное напряжение уровня логического 0 на
выходе ЦИМС (на входе ключа).
6.2.1 Условие запирания ключа
Режим запирания (режим отсечки) транзистора при подаче на вход
ключа напряжения логического нуля
где:
– обратный (тепловой) ток коллектора, который протекает через
закрытый коллекторный переход при ,
– напряжение отсечки перехода база-эмиттер транзистора.
Сопротивление рассчитывают из условия насыщения транзистора.
Закрытому состоянию транзистора соответствует точка «C» (Рис. 33 в).
29
будет обеспечен если
(7)
После расчёта из условий насыщения определяют предельно
допустимое значение для выбираемого транзистора из условий запирания
транзистора при протекании тока .
(8)
Для маломощных транзисторов и условия запирания
транзистора обычно соблюдаются. В этом случае применяется схема,
показанная на Рис. 33 а.
Для транзисторов с повышенной мощностью величина может быть
существенно больше (сравните параметры транзисторов, приведённые в
приложении IV), и для надёжного запирания биполярного транзистора нужно
подать отрицательное смещение на базу транзистора (Рис. 33 б). Другим
вариантом решения задачи коммутации мощной нагрузки, является
использование в качестве коммутирующего другого элемента, например,
полевого транзистора.
6.2.2 Условие отпирания ключа.
При постепенном увеличении входного тока ключа рабочая точка
перемещается из положения «C» к положению «В» и до границы области
насыщения (точка «В») с координатами
) сохраняется линейная
зависимость между
(9)
где – статический коэффициент передачи по току.
В точке «В»
. (10)
Отсюда ток базы, соответствующий границе области насыщения, равен
. (11)
6.2.3 Насыщение транзистора.
Дальнейшее увеличение тока базы не приводит к изменению
напряжения на коллекторе, так как все выходные характеристики транзистора
в области насыщения лежат практически на одной прямой 0В. Отношение
действительного базового тока к его граничному значению называется
степенью насыщения транзистора
. (12)
С целью обеспечения работы ключа при всех дестабилизирующих
факторах (изменение температуры, старение элементов) создают избыточный
ток базы, обеспечивая тем самым степень насыщения .
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]