КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по МДК 01.01 «Цифровая схемотехника»
ПМ 01 «Проектирование цифровых устройств»
тема
«Проектирование.................. »
Выполнил:
студент гр. КСК-306
Руководитель: Брызгалов С.А.
преподаватель cпецдисциплин
Г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.. 3
ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА
1.1 Работа десятичного счетчика. 5
1.2 Типы триггеров. 16
1.2.1Классификация триггеров. 17
1.2.2 Назначение входов триггера. 19
1.2.3 RS-триггер, или SR-триггер. 20
1.2.4 JK-триггер. 21
1.2.5 D-триггер. 22
1.2.6 T-триггер. 23
1.3 Генератор тактовых импульсов. 24
1.4 Цифровые индикаторы.. 27
1.5 Дешифраторы и шифраторы.. 29
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫУСТРОЙСТВА
ВВЕДЕНИЕ
В любой сфере человеческой деятельности - в науке, технике, производстве методы и средства вычислительной техники направлены на повышение производительности труда. Благодаря вычислительной технике почти каждый человек имеет компьютер, мобильный телефон и т.д. Взять ту же вычислительную машинку, в обиходе называемую «калькулятор», ведь это наиболее яркий пример того, где реализовано устройство, которое рассматривается в данной работе.
С помощью этого устройства человек способен посчитать большие числа за доли секунд, просто введя нужные ему цифры и нажав клавишу, за которой закреплена определённая операция. Как уже было сказано выше - существенно повышается производительность труда.
Следует так же обратить внимание на системы счисления. Ведь в зависимости от модели и назначения умножителя - различны и области его применения. Наряду с известной нам десятичной системой счисления существуют:
- двоичная;
- восьмеричная;
- шестнадцатеричная.
К примеру, в двоичной системе используется периодичность нолей и единиц. Эта система счисления наиболее распространена в вычислительной технике, ведь именно в ней информация и передаётся в виде данной последовательности.
Как же было сказано, умножитель двоичных чисел активно применяется в ЭВМ. Производительность ЭВМ в значительной степени определяется временем выполнения операции умножения. Программа реализации операции умножения двух чисел с помощью операции сдвига и сложения требует значительного времени. Наибольшее быстродействие достижимо в умножителях выполненных на основе КС.
В настоящее время применяемые умножители имеют высокое быстродействие и точность. А за счёт развивающихся науки и техники возможен дальнейший рост этих параметров, что в свою очередь приведёт к появлению более мощных, быстрых и дешёвых умножителей; которые будут активно внедряться в ЭВМ, увеличив тем самым её производительность.
Благодаря этому уменьшится количество ЭВМ, которые выполняют данную операцию, т.к. будет хватать меньшего количества компьютеров для выполнения возложенных на него задач. А это приведёт к уменьшению затрат на обслуживание данной техники.
ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА
Работа десятичного счетчика
Счетчиком называется последовательное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде.
Любые счетчики строятся на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит и TG и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггером.
Счетчик может выполнять следующие микрооперации над кодовым словом:
- установка в исходное состояние (запись нулевого кода)- установка в нулевое состояние;
- запись входной информации в параллельной форме;
- хранение информации;
- выдача хранимой информации в параллельной форме;
- инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу;
- декремент - уменьшение хранящегося кодового слова на единицу.
Основные параметры счетчика.
1) Модуль счета М – основной статический параметр, который характеризует максимальное число импульсов, после прихода которого счетчик устанавливается в исходное состояние.
2) Время установления выходного кода tk – основной динамический параметр, который характеризует временной интервал между моментом подачи входного сигнала и моментом установления нового кода на выходе.
Классификация счетчиков.
1) По значению модуля счета:
- двоичные, Мкот = целой степени числа 2 (М=2n);
- двоично-кодированные, в которых М может принимать любое неравное целой степени числа 3, значение.
2) По направлению счета:
- суммирующие, выполняющие микрооперацию инкремента над хранящимся входным словом;
- вычитающие, выполняющие микрооперацию декремента над хранящимся входным словом;
- реверсивные, выполняющие либо микрооперацию инкремента, либо декремента в зависимости от управляющего сигнала.
3) По способу организации межразрядных связей:
- счетчик с последовательным переносом, в котором
переключение триггеров разрядных схем происходит последовательно один за другим;
- счетчик с параллельным переносом, в котором переключение всех триггеров разрядных схем происходит одновременно по сигналу синхронизации С;
- счетчик с комбинированным последовательно-параллельным переносом, когда используются различные комбинации способов переноса.
Двоичные счетчики
Рассмотрим на примере счетчик с модулем счета М=8, для его построения необходимо, как минимум, три триггера.
Обратимся к таблице 1 трехразрядных двоичных чисел.
Таблица 1.
Таблица состояния счетчика
| C | Q2 | Q1 | Q0 |
Младший разряд Q0 изменяет свое состояние с приходом каждого импульса синхронизации С.
- Q1 – изменяет свое состояние с приходом каждого 2-го С.
- Q2 - изменяет свое состояние с приходом каждого 4-го С.
Данный алгоритм можно реализовать на асинхронных Т-триггерах (см. рис.1):
Рис. 1 Логическая схема счетчика
Синхронизация каждого следующего триггера производится выходным сигналом предыдущего триггера, а переключение первого триггера (формирующего Q0) – непосредственно последовательностью синхроимпульсов (рис. 2).
Рис. 2 Диаграмма работы счетчика
Переключение триггера должно происходить по спаду импульса.
Инкремент (сложение) реализуется на асинхронном Т-триггере с инверсным динамическим входом. Декремент (вычитание) реализуется на асинхронным Т –триггере с прямым динамическим входом.
Направление счета счетчика может изменяться путем изменения межразрядных связей: включается в состав каждой разрядной схемы MS (как в последовательно- параллельном или реверсивном RG, рис. 3)
Рис. 3 Задание направления счета
Сигнал V определяет направление счета:
V=1 суммирующий счетчик;
V=0 вычитающий счетчик.
Все рассмотренные выше счетчики являются счетчиками с последовательным переносом, т.к. переключение каждого последующего триггера происходит только после переключения предыдущего триггера.
Достоинство счетчика с последовательным переносом – простота внутренней структуры. Недостаток - счетчика с последовательным переносом – большое время установления выходного кода tk.
tk ≠ const, зависит от конкретного значения его выходного кода.
tк max будет в случае изменения выходного кода со значения 111….в 000….. или наоборот tк max=Ntkтр., где N – число разрядов в счетчике
tkтр – время переключения одного разряда счетчика.
Понизить tmax можно при условии, что все триггеры его разрядных схем будут переключаться одновременно. Для этого:
- используют синхронные триггеры;
- организуют сигналы, определяют порядок переключения триггеров до прихода сигнала С.
Пример реверсивного последовательного счётчика показан на рисунке 4.
Рис. 4 Последовательный реверсивный 3-х разрядный счетчик
Для реализации реверсивного счетчика необходимо объединить функции суммирующего счетчика и функции вычитающего счетчика. Схема данного счетчика приведена на рис. 4. Для управления режимом счета служат сигналы «сумма» и «разность». Для режима суммирования «сумма»=лог.1, «0»-кратковременный лог.0; «разность»=лог.0, «1»-кратковременный лог.0. При этом элементы DD4.1 и DD4.3 разрешают подачу на тактовые входы триггеров DD1.2, DD2.1 через элементы DD5.1 и DD5.2 сигналов с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 соответственно. При этом элементы DD4.2 и DD4.4 закрыты, на их выходах присутствует лог.0, поэтому действие инверсных выходов никак не отражается на счетных входах триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция суммирования. Для реализации операции вычитания на вход «сумма» подается лог.0, на вход «разность» лог.1. При этом элементы DD4.2, DD4.4 разрешают подачу на входы элементов DD5.1, DD5.2, а соответственно и на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1 сигналов с инверсных выходов триггеров DD1.1, DD1.2. При этом элементы DD4.1, DD4.3 закрыты и сигналы с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 никак не воздействуют на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция вычитания.
Для реализации данных счетчиков также можно использовать триггеры, срабатывающие по переднему фронту счетных импульсов. Тогда при суммировании на счетный вход старшего разряда надо подавать сигнал с инверсного выхода соседнего младшего разряда, а при вычитании наоборот – соединять счетный вход с прямым выходом.
Недостаток последовательного счетчика – при увеличении разрядности пропорционально увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.
Рис. 5 Схема реверсивного счетчика
Для счетных импульсов предусмотрены два входа: "+1" - на увеличение, "-1" - на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С.Между триггерами (DD1 и DD3) располагается элемент И-ИЛИ (DD2). Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.
Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый - четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины "+1" (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе - с шины "-1". Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.
Рис. 6 УГО четырехразрядного двоичного счетчика
На рисунке 6 приведено условно-графическое обозначение типичного счетчика с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный - СТ2/10. Входы D0 - D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 - D3, или разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С называется тактовым. На него подают импульсы. Треугольник означает (острой стороной к С), что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов к букве С (плоской стороной), то значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы содержат кружочек, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. для них рабочим является уровень логического 0.
Типы триггеров
Триггер (триггерная система) - класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам - их активные элементы (транзисторы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.
Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.
При включении питания триггер непредсказуемо принимает (с равной или неравной вероятностью) одно из двух состояний. Это приводит к необходимости выполнять первоначальную установку триггера в требуемое исходное состояние, то есть подавать сигнал сброса на асинхронные входы триггеров, счётчиков, регистров, и т.д. (например, с помощью RC-цепочки), а также учитывать, что ячейки ОЗУ, построенного на триггерах (память статического типа), содержат после включения произвольную информацию.
При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы. С появлением технологии производства микросхем малой и средней степени интеграции был освоен выпуск обширной номенклатуры триггеров в интегральном исполнении. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
Классификация триггеров
Триггерные схемы классифицируют по следующим признакам: