Устройство формирования импульсно-временной кодовой группы

Министерство образования Российской Федерации

Государственный университет аэрокосмического приборостроения

Кафедра №41

Курсовой  проект

защищен с оценкой:

Преподаватель:        Жаринов О.О.

                                                                                                                    

Устройство формирования импульсно-временной кодовой группы

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине "Электроника"

41.ЭУ.2201.01.КП

Проект выполнил                                                                         Цейко П.В.          студент гр. 4841

Санкт-Петербург

2000 г

        Содержание                                                  

ВведениетАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж5

1.        Разработка и выбор функциональной схемы

устройства формирования ИВКГтАж.тАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.6

1.1.        Структурная схема на основе дешифраторов и ФИтАжтАжтАжтАж....6

1.2.                Структурная схема с использованием ПЗУ.тАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.8

2.        Выбор элементной базытАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.10

3.        Разработка принципиальной схемы устройства

формирования ИВКГтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж12

4.        Разработка конструкции устройства формирования ИВКГтАжтАжтАж13

5.        Расчет надежности устройства формирования ИВКГтАжтАжтАжтАжтАж.14

6.        ЗаключениетАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж..15

7.        ЛитературатАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж16

                               Задание на курсовое проектирование.

Требуется 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 поступает одиночный импульс, что и показано на рис.1.

            U1        

                                                         t1        

               U2                                                

U3

                                                              t2        

                                 

Рис.1  Временная диаграмма устройства.

Список принятых буквенных обозначений

ИВКГ тАУ импульсно-временная кодовая группа

СК тАУ согласующий каскад

Сч тАУ счетчик импульсов

СУ-  суммирующий усилитель

ФИ тАУ формирователь импульсов

                       

Введение

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 амплитуды, 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 параметрами 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 проектирования, 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 ограничения 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 устройства 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 некоторые выводы:

  1. длительности всех формируемых импульсов и пауз между ними   кратны 1 мкс;
  2. общая длительность ИВКГ равна 16 мкс;
  3. ИВКГ состоит из 5 временных  интервалов: 2,3,3,4,4.

Для реализации устройства, формирующего данную ИВКГ, могут быть предложены следующие структурные схемы:

  • 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, разрешает прохождение на вход i импульсов с выхода ГТИ.

    Генератор тактовых импульсов вырабатывает последовательность импульсов с высокостабильным периодом повторения.

    На выходе i формируется цифровой код, соответствующий числу поступивших на его вход импульсов ГТИ. Код, соответствующий поступлению первого импульса, вызывает срабатывание ДШ1, который запускает ФИ1, формирующий первый импульс ИВКГ. Срабатывание ДШ2 и запуск ФИ2 произойдут в тот момент, когда выходной код счетчика будет равен интервалу между первым 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 счетчика 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 структурной схемы:

    • высокая стабильность формируемой ИВКГ;
    • относительная простота при простых ИВКГ;

             

    Рис.2 Структурная схема формирователя ИВКГ на дешифраторах и ФИ(a) и временная диаграмма ее работы(б)

    Недостатки:

    • невозможность изменения характеристик ИВКГ в процессе эксплуатации устройства;
    • нестабильность момента начала формирования ИВКГ в пределах одного периода ГТИ.
  • 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 многоразрядного счетчика (i ) 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 выбора 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 устройства.

    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.

    Достоинства такой структурной схемы заключаются в следующем:

    • можно легко создать ИВКГ значительной сложности путем соответствующего программирования ПЗУ;
    • возможна выработка одновременно нескольких различных ИВКГ, формируемых программированием нескольких разрядов ПЗУ;
    • 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 использованием ПЗУ.

    Временные диаграммы, поясняющие работу этой схемы, показаны на рис.3.

    U1

     

                                                                            t1                                U2                                                                                                                                                                                                                                                                                          t2                        

    U3

     

                                                                              t3

    U4

     

                                                                            t4                

    U5

     

                                                                            t5        

    U6

    Рис.4 Временные диаграммы, поясняющие работу  схемы

    с использованием ПЗУ

    1. 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.

    1. Разработка принципиальной схемы формирования ИВКГ.

    Изучив рис.1 с заданной ИВКГ, можно сделать вывод, что вся последовательность   укладывается    в    периодов 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-го 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 структурной схемой на рис.3):

    • триггер (D)
    • генератор тактовых импульсов (ГТИ)
    • схема совпадений (И)
    • счетчик импульсов (i)
    • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

    Эта таблица истинности (или таблица функционирования) разрабатываемого цифрового автомата приведена ниже. Там буквой обозначен сигнал снимаемый с инверсного выхода триггера, а буквой T - со входа триггера .

    Табл.1 Прошивка ПЗУ для заданного устройства.  

    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 тАУ 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 устройства 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 тАУ 2,5мм.
    2. Размер печатной платы может быть 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 H0В0=100100 мм по смешанной системе мер. Размер выбирается кратно U=44,45мм в соответствии с выражением:

                Н=Н0+nU,

                где n=0,1,2,3тАжтАж

         Размер В выбирается в соответствии с выражением:

                В=В0+n⋅60,

                где n=0,1,2,3тАжтАж

    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 СНО51, 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 А4 . Элементы 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.

    1. Расчет надежности устройства формирования ИВКГ.
    Для проведения расчета  необходимо знать: типы элементов, интенсивность отказов λi элементов различных типов и количество элементов Ni каждого типа, входящих в систему. Учет эксплуатационных условий сводится к выбору типов элементов, способных работать в заданных условиях. Расчет выполняют по следующей схеме:
    1. все элементы разбивают на группы с одинаковой интенсивностью отказов внутри группы и подсчитывают количество элементов в группе
    2. по таблицам находят средние интенсивности отказов элементов каждой группы
    3. вычисляют произведение Niλi
    4. рассчитывают общую интенсивность отказов по всем группам элементов:

                       Λ=λi

    1. определяют вероятность безотказной работы за время t=10

             P(t)=1-tλ

    Значения интенсивности отказов элементов по группам : (λ ⋅10-6)

    1. логические элементы тАУ 0,05
    2. счетчик К155ИЕ4 - 4,2
    3. резистор тАУ 0,25
    4. кварцевый резонатор тАУ 0,3
    5. динамический D триггер тАУ 1,5

    Расчет:

    Вычисляем произведение Niλi для каждой из групп:

    (λ ⋅10-6)

    1. 2 резистора  тАУ 0,5
    2. Один кварцевый резонатор тАУ 0,3
    3. Два триггера тАУ 3
    4. Один двоичный четырехразрядный счетчик тАУ4,2
    5. 4 логических элементов тАУ 0,2

    Рассчитываем общую интенсивность отказов:

    Λ=λ=0,5+0,3+3+4,2+0,2=8,2 ⋅10-6

    Находим вероятность безотказной работы за время:

    t=10:P(t)=1 - tλ=1-8,2⋅10-6= 0,9999918

    Находим время безотказной работы:

    Tср=121951,22ч

    6. Заключение.

           В результате курсового проектирования:

    1. проанализированы два варианта структурных схем устройства и выбран наиболее приемлемый и экономичный с точки зрения стоимости
    2. проведен анализ логических выражений, определяющих принципиальную схему устройства
    3. разработана принципиальная схема устройства
    4. разработана конструкция устройства

    7. Список литературы.      

    1. Г.И. Пухальский, Т.Я.Новосельцева. Цифровые устройства: 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

           

    Вместе с этим смотрят:

    Устройство цифровой записи речи
    Фазовый и частотный методы измерения дальности
    Физико-математическая основа радиоэлектронных систем
    Физико-топологическое моделирование структур элементов БИС