Устройство формирования импульсно-временной кодовой группы

Министерство образования Российской Федерации Государственный универ ситет аэрокосмического приборостроения Кафедра № 41 Курсовой проект защищен с оценкой : Преподаватель : Жаринов О.О. Устройство форм ирования импульсно-временной кодовой группы Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине "Электроника " 41.ЭУ .2201.01.КП Проект выполнил Цейко П.В . студен т гр . 4841 Санкт-Петербург 2000 г Содержание Введение………………………………………………………………… 5 1. Разработка и выбор функциональной схемы устройства формирования ИВКГ…..………………………………… .6 1.1. Структ урная схема на основе дешифраторов и ФИ………… .......6 1.2. Структурная схема с использованием ПЗУ..………………… ..8 2. Выбор элементной базы…………………………………………… .10 3. Разработка принципиальной схемы устройства формирования ИВКГ…………………………………………………… 12 4. Разработка к онструкции устройства формирования ИВКГ……… 13 5. Расчет надежности устройства формирования ИВКГ…………… .14 6. Заключение………………………………………………………… ...15 7. Литература…………………………………………………………… 16 Задание на курсовое проектирование. Требу ется разработать устройство формирования импульсно-временной кодовой группы со следующими основными характеристиками : =2мкс ; =3мкс ; =5мкс ; =5мкс ; =7мкс ; Проектируемое устройство должно производить формирование импульсно-временной кодовой группы каждый раз , когда на его вход пост упает одиночный импульс , что и показано на рис .1. U 1 t 1 U 2 U 3 t 2 Рис .1 Временная диаграмма устройства. Список принятых буквенных обозначений ИВКГ – импульсно-временная кодовая группа СК – согласующий каскад Сч – счетчик импульсов СУ - суммирующий усилитель ФИ – формирователь импульсов Введ ение Для повышения помехоустойчивости систем передачи и обработки информации широко используется замена одиночных импульсных сигналов так называемыми импульсно-временными кодовыми группами , состоящими из нескольких импульсов , имеющих обычно одинаковые ампл итуды , с жестко заданными длительностями и интервалами между импульсами . Использование подобных групп не только повышает помехозащищенность , но и позволяет в ряде случаев организовать передачу по одной линии связи различных команд , отличающихся параметрам и кодовых групп. Другим , не менее важным , применением устройств , формирующих импульсно-временные кодовые группы , является синхронизация работы различных устройств автоматики и вычислительной техники. Особенностью устройства , предложенного для курсового про ектирования , является то , что начало формирования импульсно-временной кодовой группы (далее ИВКГ ) определяется только моментом начала входного сигнала и не зависит от его продолжительности . Так как в задании на разработку устройства не налагается ограниче ния на методы , структурную схему и элементарную базу устройства , то очевидно , что вариантов решения поставленной задачи может быть несколько . Рассмотрим наиболее приемлемые из них. 1. Разработка и выбор функциональной схемы устройст ва формирования импульсно-временной кодовой группы. Для разработки и выбора функциональной схемы проектируемого устройства прежде всего необходимо изучить и оценить саму ИВКГ. Анализ рис .1, где отражены временные соотношения ИВКГ , позволяет сделать некото рые выводы : - длительности всех формируемых импульсов и пауз между ними кратны 1 мкс ; - общая длительность ИВКГ равна 16 мкс ; - ИВКГ состоит из 5 временных интервалов : 2,3,3,4,4. Для реализации устройства , формирующего данную ИВКГ , могут быть предло жены следующие структурные схемы : 1.1. Структурная схема формирователя ИВКГ на основе дешифратора и формирователя импульсов. Структурная схема формирователя ИВКГ на основе дешифраторов и формирователей импульсов (далее ФИ ) и соответствующая ей временная диаграмма представлена на рис .2. Согласующий каскад преобразует входной сигнал к виду , необходимому для устойчивого срабатывания триггера . Выходной сигнал согласующего каскада (СК ) своим передним фронтом запускает триггер , который , в свою очередь , разреша ет прохождение на вход СЧ импульсов с выхода ГТИ. Генератор тактовых импульсов вырабатывает последовательность импульсов с высокостабильным периодом повторения. На выходе СЧ формируется цифровой код , соответствующий числу поступивших на его вход импульсов ГТИ . Код , соответствующий поступлению первого импульса , вызывает срабатывание ДШ 1, который запускает ФИ 1, формирующий первый импульс ИВКГ . Срабатывание ДШ 2 и запуск ФИ 2 произойдут в тот момент , когда выходной код счетчика будет равен интервалу между первы м и вторым импульсами . Третий импульс ИВКГ будет сформирован , когда код счетчика соответствует требуемому интервалу между первым и третьим импульсами . Сформированный третий импульс ИВКГ вызовет обратное срабатывание триггера и работа схемы прекратится до появления следующего входного импульса . Как видно из описания работы схемы , триггер предназначен для исключения формирования нескольких ИВКГ в случае , если длительность входного импульса превосходит длительность ИВКГ , что может привести к переполнению с четчика и началу повторного цикла счета . Усилитель суммирующий служит для объединения выходных импульсов всех формирователей и усиления полученного сигнала по амплитуде . Выходной каскад осуществляет согласование усилителя с нагрузкой . Достоинства данной с труктурной схемы : Ш высокая стабильность формируемой ИВКГ ; Ш относительная простота при простых ИВКГ ; Рис .2 Структурная схема формирователя ИВКГ на дешифраторах и ФИ ( a ) и временная диаграмма ее работы (б ) Недостатки : Ш невозможность изменения характеристик ИВКГ в процессе эксплуатации устройства ; Ш нестабильность момента начала формирования ИВКГ в пределах одного периода ГТИ. 1.2. Структурная схема с использованием ПЗУ. Такая структурная схема изображена на рис .3. В рассматриваемой выходной сигнал СК передним фронтом запускает триггер , который , в свою очередь , разрешает прохождение на вход много разрядного счетчика (СЧ ) импульсов с выхода генератора тактовых импульсов (ГТИ ). Счетчик подсчитывает количество пришедших на его вход импульсов и формирует на своих выходах соответствующий двоичный код . В свою очередь этот двоичный код служит адресами в ы бора ячеек памяти ПЗУ . В каждой из выбираемых ячеек в одном и том же разряде должны быть запрограммированы "0" или "1" в соответствии с требуемой ИВКГ . В другом разряде ПЗУ в конце ИВКГ должен быть записан сигнал установки в исходное состояние всего устр о йства . На рис .5 этот сигнал показан на диаграмме с номером 6 в виде импульса положительной полярности . Недостаток такой схемы заключается в относительной дороговизне ПЗУ и необходимости его программирования на специальном программаторе. Достоинс тва такой структурной схемы заключаются в следующем : Ш можно легко создать ИВКГ значительной сложности путем соответствующего программирования ПЗУ ; Ш возможна выработка одновременно нескольких различных ИВКГ , формируемых программированием нескольких разр ядов ПЗУ ; Ш значительное уменьшение аппаратных затрат. 3. Общий вывод : Исходя из задания курсового проектирования , наиболее целесообразно использовать 2-й вариант структурной схемы , так как ИВКГ имеет наименьшую сложность , и высокою точность ИВКГ. 1 2 3 4 5 6 Рис .3 Структурная схема с использование м ПЗУ. Временные диаграммы , поясняющие работу этой схемы , показаны на рис .3. U 1 t 1 U 2 t 2 U 3 t3 U 4 t 4 U 5 t 5 U 6 Рис .4 Временные диаграммы , поясняющие работу схемы с использованием ПЗУ 2. Выбор элементной базы. Выбор элементной базы осуществляется путем нахождения компромисса между аппаратными затратами и быстродействием . Учитывая быстродействие данной схемы очевидно использование микросхем ТТЛ для всех элементов кроме ПЗУ . Здесь имеются микросхемы серий 155, 555, 1533 и другие . Так как никаких особых ограничений в данной разработке не предъявляется , то выберем микросхемы серии 155 для основных элементов , наиболее точно подходящие с точки зрения аппаратных затрат . В качестве элементов формирования ИВКГ ПЗУ серии 556, которые могут быть использованы совместно с цифровыми микросхемами ТТЛ типа. 3. Разработка принципиальной схемы формирования ИВКГ. Изучив рис .1 с заданной ИВКГ , можно сделать вывод , что вся последовательность укладывается в период ов длительностью или в 17 тактов ГТИ .(17-ый используется для сбросов счётчика и триггера ) Частота ГТИ должна быть . Очевидно , что последовательную работу на 17 тактах может обеспечить 5-и разрядный двоичный счетчик или четырехразрядный счётчик и триггер для считывания и хранения 17-г о импульса . Временная диаграмма его работы и соответствующая требуемая ИВКГ показана на рис .5 На основе анализа данной временной диаграммы можно составить прошивку ПЗУ (табл .1) для цифрового автомата , в состав которого входят (в соответствии со структурно й схемой на рис .3): ь триггер ( D ) ь генератор тактовых импульсов (ГТИ ) ь схема совпадений (И ) ь счетчик импульсов (СЧ ) ь постоянное запоминающее устройство (ПЗУ ) Эта таблица истинности (или таблица функционирования ) разрабатываемого цифрового автомат а приведена ниже . Там буквой обозначен сигнал снимаемый с инверсного выхода триггера , а буквой T - со входа триггера . Табл .1 Прошивка ПЗУ для заданного уст ройства . T A0 A1 A2 A3 D0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 4. Разработка конструкции устройства формирования ИВКГ. Наиболее приемлемый вариант выполнения разработанного устройства – на одной плате с одно или двусторонним печатным монтажом . Реальный размер платы , а также тип разъема , определяется конструкцией общего устройства , частью которого является данная разработка . Однако , так как такая информация отсутствует , то примем за основу один из стандартных размеров плат и подходящий для целей подсоединения разработанного устро й ства разъем . Основные моменты , определяющие конструкцию , следующие : 1. В устройстве всего 5 микросхем . Все микросхемы выполнены в корпусах типа 238.16-2 Это пластмассовые корпуса с 14 выводами . Шаг между выводами – 2,5мм. 2. Размер печатной платы может б ыть выбран в соответствии с несколькими стандартами [5]. В частности , числовые значения основных размеров печатных плат по рекомендациям МЭК [5] (международная электротехническая комиссия ) выбираются на основе исходного типоразмера H 0 В 0 =100 100 мм по смешанной системе мер . Размер выбирается кратно U=44,45мм в соотве тствии с выражением : Н =Н 0 +nU, где n=0,1,2,3…… Размер В выбирается в соответствии с выражением : В =В 0 +n 60, где n=0,1,2,3…… Наиболее распространенные размеры печатных плат : Н = 144,5; 233,35; 322,25; 366,7 мм В =160; 220; 280; 400 мм Выберем наименьшие размеры , так как наше устройство вполне свободно может быть размещено на такой плате. В качестве соединительного разъема выберем СНО 51, контакты которого впаиваются непосредственно в плату . Такой выбор обусловлен очень широкой распространенностью этого разъема как в отечественной , так и в зарубежной аппаратуре . Чертеж конструкции печатной платы с разъемом и эскизным расположением элементов изображен на листе 2 формата А 4 . Элем енты на плате расположены по принципу функциональной близости . Разводка проводников печатной платы ручным способом является очень трудоемким процессом и в настоящее время выполняется с помощью компьютерных систем автоматизации проектирования печатных плат, например , PCAD. 5. Расчет надежности устройства формирования ИВКГ. Для проведения расчета необходимо знать : типы элементов , интенсивность отказов i элементов различных типов и количество элементов N i каждого типа , вх одящих в систему . Учет эксплуатационных условий сводится к выбору типов элементов , способных работать в заданных условиях . Расчет выполняют по следующей схеме : - все элементы разбивают на группы с одинаковой интенсивностью отказов внутри группы и подсчиты вают количество элементов в группе - по таблицам находят средние интенсивности отказов элементов каждой группы - вычисляют произведение N i i - рассчитывают общую интенсивность отказов по всем группам элементов : = i - определяют вероятность безотказной работы за время t=10 P ( t )=1- t Значения интенсивности отказов элементов по группам : ( 10 -6 ) 1. логические элементы – 0,05 2. счетчик К 155ИЕ 4 - 4,2 3. резистор – 0,25 4. кварцевый резонатор – 0,3 5. динамический D триггер – 1,5 Расчет : Вычисляем произведение N i i для каждой из групп : ( 10 -6 ) 1) 2 резистора – 0,5 2) Один кварцевый резонатор – 0,3 3) Два триггера – 3 4) Один двоичный четырехразрядный счетчик – 4,2 5) 4 логических элементов – 0,2 Рассчитываем общую интенсивность отказов : = =0,5+0,3+3+4,2+0,2=8,2 10 -6 Находим вероятность безотказной работы за время : t=10:P(t)=1 - t =1-8,2 10 -6 = 0,9999918 Находим время безотказной работы : T ср = 121951,22ч 6. Заключение. В результате курсового проектирования : - проанализированы два варианта структурных схем устройства и выбран наиболее приемлемый и экономичный с точки зрения стоимости - проведен анализ логических выраже ний , определяющих принципиальную схему устройства - разработана принципиальная схема устройства - разработана конструкция устройства 7. Список литературы . 1. Г.И . Пухальский , Т.Я.Новосельцева . Цифровые устрой ства : учебное пособие для ВТУЗОВ . СПб .: Политехника , 1996г 2. Шило В.Л . Популярные микросхемы ТТЛ .- М .: "Аргус ". 1993г . Справочник. 3. Булычев А.П . и другие . Аналоговые интегральные схемы . Справочник . Минск "Беларусь " 1993г 4. Горбачев Г.Н ., Чаплыгин Е. Е . Промышленная электроника . М . Энергоатомиздат . 1988г 5. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике . Под ред . Файдулаева Б.Н . М . "Радио и связь ", 1986г