Введение

Внедрение микропроцессорной и цифровой техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания.

В процессе разработки функциональных схем цифровых устройств отчетливо выделяются два характерных этапа. На первом этапе, который можно назвать структурным проектированием, заданный неформально алгоритм разработчик представляет в виде последовательности некоторых операторов, таких, как получение результата, счет, преобразование кода, передача информации. При этом он старается использовать ограниченный набор общепринятых операторов. При использовании этих операторов, как правило, алгоритм можно представить довольно небольшим их числом. Структура алгоритма становится обозримой, понятной, легко читаемой и однозначной. На основе полученной структуры алгоритма формулируются технические требования к схемам, реализующим отдельные операторы. По техническим требованиям в качестве функциональных узлов схемы можно применить либо готовые блоки в интегральном исполнении, либо, если таких микросхем в наличии нет, синтезировать их из более простых элементов. Подобный синтез первоначально производится при помощи алгебры логики, после чего по полученным функциям строится эквивалентная схема.

Однако, как правило, синтезированные схемы хуже их аналогов в интегральном исполнении. К этому приводят следующие обстоятельства: большее время задержки, большие габариты, большее потребление энергии. Поэтому для результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач. Знание наиболее распространенных инженерных приемов в проектировании устройств позволит в будущем сразу воспользоваться готовой схемой, не занимаясь бесполезной работой. Необходимо заметить, что реализация схемы гораздо сложнее, чем простое решение задачи в алгебре логики и наборе полученной функции из логических элементов. В действительности даже, казалось бы, самые простые элементы, необходимо включать по определенной схеме, знать назначения всех выводов. Необходимо знать, чем различаются элементы в пределах серии. Понимание внутренней логики микросхемы особенно важно именно для специалистов по автоматике и промышленной электронике, поскольку цифровые микросхемы изначально создавались для выполнения строго определенных функций в составе ЭВМ. В условиях автоматики и радиотехники они часто выполняют функции, не запланированные в свое время их разработчиками, и грамотное использование микросхем в этих случаях прямо зависит от понимания логики их работы. Хорошее знание тонкостей функционирования схем узлов становится жизненно необходимым при поиске неисправностей, когда нужно определить, имеется ли неисправность в данном узле или же на его вход поступают комбинации сигналов, на которые схема узла не рассчитана. Составление тестов, а тем более разработка само проверяемых схем также требуют очень хороших знаний принципов работы узлов.

Задание 1.1.10,5.

Построить преобразователь кодов на ИМС1533. Входной код 8421 преобразовать в выходной код 2421.

Решение

Преобразователи кодов (ПК) могут быть весовыми и невесовыми. Весовые ПК преобразуют информацию из одной системы счисления в другую. Основное назначение невесовых - преобразование информации для ее дальнейшего отображения.

В цифровых устройствах часто возникает необходимость преобразования числовой последовательности из одного двоичного кода в другой. Примером такого преобразователя может служить преобразователь чисел из кода 8421 (в вычислительной технике) в код 2421.

Работа преобразователя описывается следующей таблицей истинности

Таблица1-Преобразователь кода 8421 в код 2421

№ S10	Входной код 8421				Выходной код 2421
	x4	х3	х2	х1	у4	у3	у2	у1
0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	1	0	0	0	1
2	0	0	1	0	0	0	1	0
3	0	0	1	1	0	0	1	1
4	0	1	0	0	0	1	0	0
5	0	1	0	1	1	0	1	1
6	0	1	1	0	1	1	0	0
7	0	1	1	1	1	1	0	0
8	1	0	0	0	1	1	1	0
9	1	0	0	1	1	1	1	1

Нанесем у_i на карты Карно, неиспользуемые комбинаций в коде 8421 обозначаем Х.

Рисунок 1- Карта Карно для у₁ и у₂

Рисунок 2- Карта Карно для у₃ и у₄

В соответствии с картами Карно на рисунке 1-2 можем записать следующие уравнения

Переведем полученные выражения для построения преобразователя кодов в базис И-НЕ, используя теорему де-Моргана

Схема преобразователя кода 8421 в код 2421 представлена на рисунке 3.

Полученное комбинационное устройство преобразователя кода 8421 в код 2421 реализуем на базе микросхем ИМС1533. Подберем интегральные микросхемы. Для реализации одиннадцати элементов 2И-НЕ возьмем три микросхемы КР1533ЛA3, реализации четырех элементов 3И-НЕ две микросхемы КР1533ЛА4, [Л ].

Микросхема КР1533ЛА3 содержит четыре элемента 2И-НЕ работающие в положительной логике, а микросхема КР1533ЛА4 содержит три элемента 3И-НЕ работающие в положительной логике. На рисунке 4 представлено условное графическое обозначение выбранных микросхем, а в таблице 2 приведены основные параметры выбранных микросхем КР1533ЛА3, КР1533ЛА4.

Рисунок 3 -Схема преобразователя кода 8421 в код 2421.

Рисунок 4 -Условное графическое обозначение выбранных

микросхем КР1533ЛА3, КР1533ЛА4.

Таблица 2 - Параметры микросхем КР1533

Параметры микросхем	КР1533ЛА3	КР1533ЛА4
		не более
Uпот, В,	5±10%	5±10%
U0вых, В , не более	0, 5	0,5
U1вых, В, не менее	2,5	2,5
I1вх, мА, не более	0,02	0,02
I0вх, мА, не более	-0,2	-0,2
I1пот, мА, не более	0,85	0,6
I0пот, мА, не более	3,0	2,2
t1,0зд р, нс , не более	22	21
t0,1зд р, нс, не более	15	14

Реализация схемы преобразователя кода 8421 в код 2421 на микросхемах КР1533ЛА3, КР1533ЛА4представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 -Схема преобразователя кода 8421 в код 2421 на

микросхемах КР1533ЛА3, КР1533ЛА4.

Задание1.2.6,39.

Построить только на одной ИМС КР1533КП2 комбинационный узел выполняющий заданную функцию трех переменных.

Таблица 3

А	В	С	F39
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	1
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

Решение

Мультиплексор - коммутатор цифровых сигналов. Мультиплексор представляет собой комбинационное устройство с m информационными, n управляющими входами и одним выходом. Если мультиплексор имеет n адресных входов, то число информационных входов будет 2ⁿ.

Мультиплексоры нашли широкое применение в вычислительной технике в качестве коммутаторов цифровых сигналов. Они используются в компьютерах и микропроцессорных контроллерах для коммутации адресных входов динамических оперативных запоминающих устройств, в узлах объединения или разветвления шин и т.д. На базе мультиплексоров можно построить различные комбинационные устройства с минимальным числом дополнительных элементов логики. Следует отметить, что мультиплексоры хотя, и предназначены для коммутации цифровых сигналов, но с помощью мультиплексоров, изготовленных по КМОП технологии, можно коммутировать и аналоговые сигналы

Для реализации комбинационного узла выполняющего заданную функцию трех переменных нужно использовать только одну микросхему КР1533КП2.

Микросхема КР1533КП2 представляет собой двойной четырехвходовый селектор-мультиплексор, имеющий общие адресные входы выбора SED2, SED1. Каждый мультиплексор имеет по четыре информационных входа I1_а…I4_а, I1_б…I4_б и собственные входы разрешения , с активным низким уровнем напряжения, выходы прямые Y_а,Y_в. Входы разрешения можно независимо использовать для стробирования выходов: если на вход дать напряжение высокого уровня, то на логический уровень на выходе Y_а,Y_в будет низким независимо от сигналов, действующих на информационных и адресных входах.

Если на вход подать напряжение низкого уровня, то в соответствии с кодом, набранным на адресных входах SED2, SED1, разрешается работа только одного из информационных входов каждого селектора-мультиплексора. В таблице 4 представлены состояния мультиплексора.

Таблица 4- Таблица состояний мультиплексора КР1533КП2

Выбор входа		Входы					Выход
SED1	SED2		I1	I2	I3	I4	Y
Х	Х	1	Х	Х	Х	Х	0
0	0	0	0	Х	Х	Х	1
0	0	0	1	Х	Х	Х	0
1	0	0	Х	0	Х	Х	1
1	0	0	Х	1	Х	Х	0
0	1	0	Х	Х	0	Х	1
0	1	0	Х	Х	1	Х	0
1	1	0	Х	Х	Х	0	1
1	1	0	Х	Х	Х	1	1

Рисунок 6- Условное графическое обозначение КР1533КП2.

На рисунке 6 представлено условное графическое обозначение микросхемы КР1533КП2, а основные параметры селектора-мультиплексора КР1533КП2 приведены в таблице5.

Таблица 5- Параметры селектора мультиплексора КР1533КП2.

Параметры микросхем	КР1533КП2
Uпот, В,	5±10%
U0вых, В , не более	0, 5
U1вых, В, не менее	2,5
I1вх, мА, не более	0,02
I0вх, мА, не более	-0,4
Iпот, мА, не более	10
Iвых, мА	112
t1,0зд р, нс , не более	32
t0,1зд р, нс, не более	36

Нанесем на карту Карно булеву функцию F₃₉ .

Рисунок 7- Карта Карно для булевой функции F₃₉.

После минимизации получим следующее выражение

В качестве адресных входов мультиплексора выбираем A, В.

Таблицу 3 разобьём по две строки, подадим A на SED2, В на SED1 и сравнивая С и F определим, что нужно подавать на входы данных мультиплексора.

Таблица 6-Таблица настройки мультиплексора

Входы MS	А	В	С	F39	Fост
I1	0	0	0	0	0
	0	0	1	0
I2	0	1	0	1
	0	1	1	0
I3	1	0	0	0	C
	1	0	1	1
I4	1	1	0	1	1
	1	1	1	1

Реализация заданной булевой функции F₃₉ на мультиплексоре КР1533КП2 представлена на рисунке 8.

Рисунок 8- Реализация булевой функции F₃₉ заданной таблицей 3 на ИМС КР1533КП2.