Синтез дискретного устройства
дискретный импульс автомат триггер
Генератор импульсов
Генератором называется электронное устройство, способное вырабатывать на выходе электрическую величину, значение которой представляет собой некоторую периодическую функцию времени [1].
Для целей данного курсового проекта применяется генератор импульсов, содержащий резистор R1 сопротивлением 82 Ома, катушку индуктивности L1 индуктивностью 10 мкГн, конденсатор С2 емкостью 3000 нФ, конденсатор С1, емкость которого вычисляется исходя из формулы:
,
где F - частота импульсов, Сэ - эквивалентная емкость, вычисляемая по формуле: 
. Разрабатываемое дискретное устройство работает на частоте 100 кГц, следовательно конденсатор С1 имеет емкость 0.27 мкФ. Схема генератора импульсов приведена на рисунке 1, временная диаграмма приведена на рисунке 2.
Рис. 1 Схема генератора импульсов
Рис. 2. Временная диаграмма генератора импульсов
Достоинством данного генератора импульсов является то, что он содержит только один логический элемент.
Счетчик импульсов
Счетчиками называют последовательные цифровые электронные устройства, обеспечивающие хранение двоичного кода числа и выполнение над ним микрооперации счета, которая заключается в изменении числа в счетчике на 
[2].
По заданию необходимо разработать суммирующий двоично-десятичный счетчик импульсов с коэффициентом счета К=12. Информация на выходе счетчика представляется в коде 7421. Для синтеза схемы применяются D-триггеры и логические элементы базиса И-ИЛИ-НЕ. Минимизация функций алгебры логики производится с помощью карт Карно.
В связи с необходимостью повышения быстродействия всего дискретного устройства применяется синхронный счетчик с параллельным переносом.
Рассмотрим методику синтеза такого счетчика:
. Определяется необходимое число триггеров исходя из заданного К: 
. Составляется таблица функционирования счетчика на основе заданного порядка изменений его состояний, которая отражает двоичные коды всех предыдущих и последующих состояний счетчика.
. На основании таблицы функционирования счетчика составляются карты Карно для всех триггеров, в которых отражаются переходы последних из предыдущих состояний 
в последующие 
.
. Производится минимизация функций входов всех триггеров, которые полностью определяют структуру синтезируемого счетчика [3].
Для данного счетчика используется 
триггера для счета от 0 до 9 (код 7421) и один триггер для второго разряда десятичного числа.
Таблица 1. Выходы триггеров Входы триггеров
        D4D3D2D1
| ||||||||||||
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 | 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 | 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 | 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 | 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 | 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 | 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 | 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 | 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 | 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 | 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 | 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 |
Так как в данном счетчике не используются числа больше 9, следовательно, проводится минимизация не полностью заданных функций:
| ~ | |||
| ~ | ~ | ~ | |
| ~ | ~ | ||
На вход D5 должна подаваться логическая единица в момент, когда на выходах первых четырех триггеров будет записано число 9 (в коде 7421 - 1010), следовательно, 
.
Так как счетчик должен считать от 0 до 11, следовательно в момент, когда на выходах первых четырех триггеров будет записано число 1 (в коде 7421 - 0001) и на выходе пятого триггера - число 1 (в коде 7421 - 1), на входы установки нуля (R - входы) всех триггеров должна подаваться логическая единица. Таким образом, 
.
Итак все функции входов определены:
Схема счетчика (рисунок 3) строится с использованием шин для упрощения построения. Временная диаграмма счетчика представлена на рисунке 4.
Дополнительные выходы 
служат для взаимодействия с дешифратором и для упрощения схемы (нет необходимости в дополнительных инверторах).
Рис. 3. Схема счетчика импульсов
Рис. 4. Временная диаграмма счетчика импульсов
Дешифратор
Дешифратором называют комбинационное цифровое электронное устройство, предназначенное для распознавания различных кодовых комбинаций сигналов на его входах [2].
По заданию необходимо разработать дешифратор для преобразования числа из двоичной системы счисления (код 7421) в десятичную систему счисления. Для синтеза схемы применяются логические элементы базиса И-ИЛИ-НЕ.
Минимизация функций алгебры логики не производится, так как в устройстве происходит преобразование числа из одной системы счисления в другую.
Число входов дешифратора равно числу выходов счетчика импульсов (5), число выходов дешифратора равно коэффициенту счета счетчика импульсов (12).
Таблица 2. Выходы
| Y0 | Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | Y6 | Y7 | Y8 | Y9 | Y10 | Y11 | |
| Q1 | ||||||||||||
| Q2 | ||||||||||||
| Q3 | ||||||||||||
| Q4 | ||||||||||||
| Q5 |
Исходя из таблицы 2, получаем функции выходов:
Так как счетчик импульсов имеет выходы 
, следовательно, установка дополнительных инверторов не требуется. Дешифратор прямоугольный, двухступенчатый. Схема дешифратора (рисунок 5) строится с использованием шин для упрощения построения, временная диаграмма не приводится, так как дешифратор - это однотактное устройство.
Рис. 5. Схема дешифратора
Мультиплексор
Мультиплексором называют комбинационное цифровое электронное устройство с одним выходом, несколькими информационными и управляющими входами, логическое состояние на выходе которого повторяет сигнал на одном из информационных входов в соответствии с заданным цифровым кодом на управляющих входах [2].
По заданию необходимо разработать мультиплексор для коммутации одного из информационных входов. Для синтеза схемы применяются логические элементы базиса И-ИЛИ-НЕ.
Минимизация функций алгебры логики не производится. Число информационных входов мультиплексора равно числу выходов дешифратора (12).
Работу данного мультиплексора можно описать с помощью таблицы 3.
Таблица 3
| Управляющие входы | Выход | ||||
| Q4 | Q3 | Q3 | Q1 | Z | Информационные входы |
| Y0 | |||||
| Y1 | |||||
| Y2 | |||||
| Y3 | |||||
| Y4 | |||||
| Y5 | |||||
| Y6 | |||||
| Y7 | |||||
| Y8 | |||||
| Y9 | |||||
| Y10 | |||||
| Y11 |
Исходя из таблицы 3, получаем функцию выхода:
Схема мультиплексора (рисунок 6) строится с использованием шин для упрощения построения, временная диаграмма не приводится, так как мультиплексор - это устройство, у которого состояние выхода зависит от состояния входа.
Для работы управления мультиплексором необходим дополнительный делитель частоты, в качестве которого используется последовательный суммирующий двоичный счетчик с коэффициентом счета K=12. Для данного счетчика необходимо 4 D-триггера (16 состояний). Для исключения состояний счетчика больших 12 применяется логический элемент И. В момент, когда на выходах счетчика будет число 11 (в коде 8421 - 1011), логический элемент И подаст сигнал на входы установки логического нуля всех триггеров. На вход счетчика подается сигнал с генератора импульсов. Данный счетчик имеет дополнительные выходы 
для взаимодействия с мультиплексором и для упрощения схемы (нет необходимости в дополнительных инверторах), а так же выход К12, предназначенный для регистра сдвига.
Рис. 6. Схема мультиплексора
Рис. 7. Схема счетчика (делителя частоты)
Регистр сдвига
Регистрами называют последовательные цифровые электронные устройства, служащие для записи и хранения многоразрядных чисел, выполнения над ними поразрядных логических операций и вывода хранимой информации. Регистром сдвига называют регистр с последовательным вводом и выводом информации [2].
По заданию необходимо разработать регистр сдвига, в который последовательно записывается информация (12 бит). Для синтеза схемы применяются D-триггеры и логические элементы базиса И-ИЛИ-НЕ.
Для данного регистра сдвига требуется 12 D-триггеров. Для преобразования последовательного кода в параллельный служат логические элементы И: в момент, когда с делителя частоты (рассмотренного в предыдущем разделе) поступает сигнал К12 (один раз в 12 тактов), на выходах логических элементов И будет записано число, находящееся в регистре. Обнуление регистра не предусмотрено, так как за 12 тактов все триггеры изменят свое состояние в соответствии с поступающей информацией.
Для синхронизации работы на синхронизирующие входы всех триггеров подается сигнал с генератора импульсов.
Схема регистра сдвига (рисунок 9) строится с использованием шин для упрощения построения, временная диаграмма не приводится, так как регистр сдвига - это устройство, у которого состояния триггеров зависит от поступающей на вход информации.
Пример прохождения числа 110011101001 через заданный регистр сдвига можно продемонстрировать с помощью таблицы 4.
Таблица 4
| Выходы | |||||||||||||||||||||||||||
| Q0 | Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | Q5 | Q6 | Q7 | Q8 | Q9 | Q10 | Q11 | ||||||||||||||||
| Такты | |||||||||||||||||||||||||||
Рис. 9. Схема регистра сдвига
Описание схемы электрической принципиальной дискретного устройства
Генератор импульсов формирует импульсы с частотой 100 кГц. Эти импульсы подаются на входы счетчика импульсов и делителя частоты, а также на синхронизирующий вход регистра сдвига.
Делитель частоты формирует на своих выходах 12 комбинаций (числа от 0 до 11 в коде 8421) и сигнал, соответствующий двенадцатой комбинации (1011), который подается на вход регистра сдвига, разрешающий чтение (К12). Сформированные делителем частоты 12 комбинаций подаются на управляющие входы мультиплексора.
Счетчик импульсов считает в двоично-десятичном коде (двоичный код - 7421) от 0 до 11. Числа 10 и 11 образуются комбинацией чисел 0 и 1 в двоичном коде на выходах первых четырех триггеров и единицей на выходе пятого триггера.
Число в двоично-десятичном коде подается со счетчика импульсов на дешифратор, выполняющий преобразование поступающих чисел в десятичную систему счисления.
В соответствии с поступающими с делителя частоты сигналами на управляющие входы мультиплексора, мультиплексор коммутирует один из выходов дешифратора на свой выход.
Далее происходит последовательная запись 12 бит информации в регистр сдвига. На двенадцатый такт работы регистра (поступление сигнала К12 от делителя частоты) число, записанное в регистре, передается на его выходы.
Схема электрическая принципиальная приведена в приложении 1.
Для построения дискретного устройства применяются микросхемы транзисторно-транзисторной логики серии К555. Спецификации элементов схемы приводятся в приложении 2.