2015-07-04
4825
Детектор переднего фронта реализован на элементах И-НЕ. Схема детектора переднего фронта приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема детектора переднего фронтов
Детектор реализован на микросхема К555ЛА3. Микросхемы содержит четыре элемента И-НЕ. Элементы 
служат для задержки, причем m должно быть не парное. Длительность импульса на выходе 
определяется суммарным временем задержки .
Для нормального срабатывания D-триггера необходимо чтобы длительность импульса на выходе была 2 
, где - время срабатывания D-триггера. Триггер реализован на микросхеме К555ТМ2. Количество элементов линии задержки находим:
,
где 
- количество элементов задержки (не парное);
- время задержки распространения триггера;
- время задержки распространения элемента И-НЕ.
Параметры микросхем приведены в таблице 2
Таблица 2 – Параметры микросхем
| Номер | Тип |  , мВт
|  нс
|  МГц
|
| К555ЛА3 | 30 | 31 | 32 |
| К555ТМ2 | 40 | 25 | 25 |
Цоколевка микросхем провидена на рисунке 5
а) б)
Рисунок 5 – Цоколевка микросхем:
|
|
|
а – К555ЛП5;
б – К555ТМ2.
Временная диаграмма работы детектора переднего фронта на рисунке 6.
Рисунок 6 – Временная диаграмма работы детектора переднего фронта
Детектор заднего фронта реализован на элементах ИЛИ-НЕ. Схема детектора переднего фронта приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема детектора заднего фронтов
Детектор реализован на микросхема К555ЛЕ1. Микросхемы содержит четыре элемента ИЛИ-НЕ. Элементы 
служат для задержки. Длительность импульса на выходе 
определяется суммарным временем задержки 
.
Для нормального срабатывания D-триггера необходимо чтобы длительность импульса на выходе была 2 , где - время срабатывания D-триггера. Триггер реализован на микросхеме К555ТМ2. Количество элементов линии задержки находим:
,
где - количество элементов задержки (парное);
- время задержки распространения триггера;
- время задержки распространения элемента И-НЕ.
Параметры микросхем приведены в таблице 3
Таблица 3 – Параметры микросхем
| Номер | Тип | , мВт
| нс
| МГц
|
|
| К555ЛЕ1 | 40 | 23 | 25 |
Цоколевка микросхемы провидена на рисунке 7
Рисунок 7 – Цоколевка микросхемы К555ЛЕ1
Рисунок 8 – Временная диаграмма работы детектора фронтов
Рисунок 8 – Временная диаграмма работы детектора заднего фронта
2.3. Проектирование счетного устройства.
Для построения счетного устройства, которое будет считать тактовые импульсы в заданном коде, воспользуемся дискретными элементами: JK-триггерами и логическими элементами.
Данное счетное устройство будет состоять из двоично-десятичных четырехразрядных счетчиков.
|
|
|
Составим таблицу функционирования счетчика (таблица 4):
Таблица 4 – Таблица истинности счетчика
| № | Qt Q1Q2Q3Q4 | Qt+1 Q1Q2Q3Q4 | Р | J1 | K1 | J2 | K2 | J3 | K3 | J4 | K4 | D |
| 0 | 0000 | * | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 1 | 0001 | * | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 2 | 0010 | * | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 3 | 0011 | * | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 4 | 0100 | * | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 5 | 0101 | * | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 6 | 0110 | 0111 | 0 | 0 | * | * | 0 | * | 0 | 1 | * | 0 |
| 7 | 0111 | 1000 | 0 | 1 | * | * | 1 | * | 1 | * | 1 | 1 |
| 8 | 1000 | 1001 | 0 | * | 0 | 0 | * | 0 | * | 1 | * | 2 |
| 9 | 1001 | 1010 | 0 | * | 0 | 0 | * | 1 | * | * | 1 | 3 |
| 10 | 1010 | 1011 | 0 | * | 0 | 0 | * | * | 0 | 1 | * | 4 |
| 11 | 1011 | 1100 | 0 | * | 0 | 1 | * | * | 1 | * | 1 | 5 |
| 12 | 1100 | 1101 | 0 | * | 0 | * | 0 | 0 | * | 1 | * | 6 |
| 13 | 1101 | 1110 | 0 | * | 0 | * | 0 | 1 | * | * | 1 | 7 |
| 14 | 1110 | 1111 | 0 | * | 0 | * | 0 | * | 0 | 1 | * | 8 |
| 15 | 1111 | 0110 | 1 | * | 1 | * | 1 | * | 0 | * | 1 | 9 |
Минимизируем каждую из полученных булевых функций:
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 01 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 11 |  0
| 0 | 1 | 0 | |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * | * | * | * | |
| 01 |  *
| * | * | * | |
| 11 | * | 1 | * | * | |
| 10 | * | 0 | * | * |
P= 
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * | * | 0 | 0 | |
| 01 | * | * | 0 | 0 | |
| 11 | * |  *
| 1 | 0 | |
| 10 | * | * | 0 | 0 |
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * | * | 1 | 1 | |
| 01 | * | * | * | * | |
| 11 | * | * | * | * | |
| 10 |  *
| 1 | 1 | 1 |
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| * | * | 0 | * | ||
| * | * | 0 | * | ||
 *
| 1 | 1 | * | ||
| * | 0 | 0 | * |
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * | * | 0 | 0 | |
| 01 |  *
| * | 1 | 1 | |
| 11 | * | * | * | * | |
| 10 | * | * | * | * |
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * | * | * | * | |
| 01 |  *
| * | * |  *
| |
| 11 | * | 1 | 0 | 1 | |
| 10 | * | 0 | 0 | 0 |
| Q3Q4 | Q1Q2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * | * | 0 | 1 | |
| 01 | * | * | * | * | |
| 11 | * | * | * | * | |
| 10 | * | * | * | 1 |
 | ||||||
 | ||||||
 | ||||||
 | ||||||
Строим схему данного счетчика (рис. 10). В качестве JK-триггеров используем триггеры К555ТВ6. Их основные характеристики приведены в таблице 3. Управление по входам J и K осуществляется следующим образом:
— при J = K = 0 происходит хранение информации;
— при J = K = 1 триггер переключается в противоположное состояние каждым синхроимпульсом;
— при J = 1, K = 0 триггер перейдет в единичное состояние из Q = 0 или хранит 1;
— при J = 0, K = 1 триггер перейдет в нулевое состояние из Q = 1 или хранит 0.
Элементы «И» Реализованы на микросхеме К555ЛИ1, К555ЛИ6. К555ЛИ1 содержит четыре двухвходовых логических элемента, К555ЛИ6 – два четырьохвходовых. В качестве элементов «ИЛИ» используем микросхему К555ЛЛ1. Она содержит четыре двухвходовых логических элемента «ИЛИ».
Таблица 5 – Параметры К555ТВ6
| Номер | Тип | , мВт
| нс
| МГц
|
| К555ТВ6 | 40 | 20 | 30 |
| К555ЛИ1 | 45 | 24 | 40 |
| К555ЛИ6 | 22 | 24 | 40 |
| К55ЛЛ1 | 49 | 22 | 45 |
Цоколевка микросхемы представлена на рисунке 9:
а) б)
в) г)
Рисунок 9 – Цоколевка микросхемы:
а – К555ТВ6
б – К555ЛИ1
в – К555ЛИ6
г – К555ЛЛ1
Рисунок 10 – Схема двоично-десятичного счетчика
2.4. Проектирование блока индикации
Для построения блока индикации нам понадобятся регистр для хранения информации, преобразователь (дешифратор) двоично-десятичного кода 5-4-2-1 в код семисегментного индикатора и семисегментный индикатор.
В качестве регистра хранения используем регистр К531ТМ8. Он состоит из четырех D-триггеров и предназначен для хранения четырехбитного слова. Для обнуления регистра необходимо на вход R подать напряжение логического 0, состояние входов D, С при этом безразлично. Основные параметры микросхем приведены в таблице 7.
Запись информации в регистр производится синхронно по переднему фронту тактового импульса при действии напряжения логической 1 на инверсных входах сброса R.
Синтезируем дешифратор двоично-десятичного кода 5-4-2-1 в код семисегментного индикатора. Для этого составим таблицу его функционирования (таблица 6):
Таблица 6 – Таблиц истинности дешифратора
|
|
|
| № | 
| 
| 
| 
| D | 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | * | * | * | * | * | * | * | * | * |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 126 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 24 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 55 |
| 9 | 1 | 0 | 0 | 1 | 3 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 61 |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 0 | 4 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 89 |
| 11 | 1 | 0 | 1 | 1 | 5 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 109 |
| 12 | 1 | 1 | 0 | 0 | 6 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 111 |
| 13 | 1 | 1 | 0 | 1 | 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 81 |
| 14 | 1 | 1 | 1 | 0 | 8 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 127 |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 | 9 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 125 |
Минимизируем каждую из полученных булевых функций. Сему дешифратора будем реализовать на элементах Шеффера, по этому функцию минимизируем по единицам.
| x3 x4 | x1 x2 | 00 |  01
| 11 | 10 |
| 00 | * | * | 1 | 0 | |
| 01 | * | * | 0 | 0 | |
| 11 | * | 0 |  1
| 1 | |
| 10 | * |  1
| 1 | 1 |
| x3 x4 | x1 x2 | 00 |  01
| 11 | 10 |
| 00 |  *
| * | 1 | 1 | |
| 01 | * | * |  1
| 1 | |
| 11 | * | 0 | 1 | 1 | |
| 10 | * |  1
| 1 | 0 |
| x3 x4 |  x1 x2
| 00 | 01 | 11 | 10
|
| 00 | * | * | 0 | 1 | |
| 01 |  *
| * | 1 | 1 | |
| 11 | * |  1
| 1 | 0 | |
 10
| * | 1 | 1 |  1
|
| x3 x4 | x1 x2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * |  *
| 1 | 0 | |
| 01 |  *
| * | 1 | 1 | |
| 11 |  *
| 1 | 1 | 1 | |
| 10 | * | 1 | 1 | 1 |
| x3 x4 | x1 x2 | 00 |  01
| 11 | 10 |
| 00 | * | * | 1 | 0 | |
| 01 | * | * |  1
| 1 | |
| 11 | * | 0 | 1 | 1 | |
| 10 | * |  1
| 1 | 0 |
| x3 x4 | x1 x2 | 00 |  01
| 11 | 10 |
| 00 | * | * | 1 | 0 | |
| 01 | * | * | 0 | 0 | |
| 11 | * | 0 | 0 | 0 | |
| 10 | * |  1
| 1 | 0 |
| x3 x4 | x1 x2 | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 00 | * | * |  1
| 0 | |
| 01 | * | * |  1
| 1 | |
| 11 | * | 0 |  1
| 1 | |
| 10 | * | 0 | 1 | 1 |
Для полученных функций 
перейдем в базис Шеффера:
;
;
;
;
;
Строим схему дешифратора (рис. 12) по найденным функциям , учитывая что некоторые слагаемые входят в несколько функций одновременно. В схеме используются микросхемы: К555ЛА3 – содержит четыре двухвходовых элемента И-НЕ, К555ЛА4 – содержит три трехвходовых элемента И-НЕ, К555ЛА1 – содержит два четырехвходовых элемента И-НЕ. Основные характеристики микросхем приведены в таблице 7. Цоколевка микросхем – рисунок 11.
Таблица 7 – Параметры использованных микросхем
|
|
|
| Номер | Тип | , мВт
| нс
| МГц
|
| К555ЛА3 | 30 | 31 | 32 |
| К555ЛА4 | 17 | 20 | 50 |
| К555ЛА1 | 15 | 21 | 45 |
а) б)
в)
Рисунок 11 – Цоколевка микросхем:
а – К555ЛА3;
б – К555ЛА4;
в – К555ЛА1.
Для индикации данных будем использовать индикаторы типа АЛС324Б — это знаковые индикаторы желто-зеленого свечения. Iпр. max = 25 мА; Uпр = 3,6 В; Uобр. max = 5 В; P = 720 мВт; высота знаков 7,5 мм; масса 2 г. Для нормальной работы с дешифратором необходимо в схему поставить резисторы 330 Ом
2.5 Проектирование регистров сдвига
Для преобразования параллельного кода в последовательный с последующей передачей в линию будем использовать регистры сдвига. Регистр реализует параллельную загрузку информации с регистров хранения (К531ТМ2) с последующим сдвигом информации на его выходах вправо, по положительному перепаду тактовых импульсов. Регистр имеет несколько входов 
- параллельные информационные воды, SI – последовательный информационный вход, PE – вход разрешения параллельной загрузки, 
- информационные выходы, 
- вход асинхронного сброса.
При подаче на вход PE напряжения высокого уровня регистр переходит в режим параллельной загрузки, при низком уровне данные загружаются из параллельного входа SI.
При подаче на вход напряжения низкого уровня триггер сбрасывается в ноль независимо от входов то остальных входов. В режиме сдвига и загрузки информации на входе должно быть напряжение высокого уровня.
Регистр сдвига реализован на D-триггерах К555ТМ2, элементах И-НЕ К555ЛА3. Параметры микросхем приведены в таблице 8, цоколевка – рис.12.
Таблица 8 – Параметры использованных микросхем
| Номер | Тип | , мВт
| нс
| МГц
|
| К555ЛА3 | 30 | 31 | 32 |
| К555ТМ2 | 40 | 25 | 25 |
Рисунок 12 – Цоколевка микросхемы К555ТМ2
Таблиц истинности блока управления регистра приведена в таблице 9.
Таблица 9 – Таблиц истинности блока управления регистра сдвига
| D1 | SI | PE | f |
| 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 |
Запишем полученную функцию по конституэнтам единицы:
Минимизируем полученную функцию методом карт Карно:
| PE | D1SI | 00 | 01 | 11 | 10 |
| 0 | 0 |  1
| 1 | 0 | |
| 1 |  1
| 1 | 0 | 0 |
Перейдем к базису Шеффера:
Схема регистра сдвига приведена на рисунке 13.
Рисунок 13 – Схема регистра сдвига
2.6 Проектирование тактовых генераторов
С помощью ТТЛ схем можно спроектировать автогенераторы, у которых выходная частота колебаний превышает 30 МГц. Чтобы генератор быстро возбуждался во всем диапазоне внешних воздействий, лежащая в его основе усилительная линейка должна быть инвертирующей с большим коэффициентом усиления 
, который по возможности необходимо стабилизировать.
В нашем случае мы будим использовать генератор на трех инверторах. Третий элемент – буферный, для уменьшения влияния нагрузки на генератор. На рисунке 14 приведена схема генератора, в которой положительная обратная связь через конденсатор охватывает два элемента 
, при чем 
выведен в линейный, усилительный режим с помощью резистора отрицательной обратной связи 
Ом.
Рисунок 14 – Схема генератора тактовых импульсов
Для нашего тактового генератора необходима частота 100 Гц. Найдем необходимую емкость 
:
отсюда
мкФ
Для преобразования параллельного кода в последовательный с последующей передачей в линию с помощью регистров сдвига нам понадобится еще один тактовый генератор. Его частота равна частоте передач (9,6 кГц). Найдем необходимую емкость конденсатора 
:
нФ
2.7. Проектирование блока управления.
Для согласования отдельных узлов устройства необходима схема управления. В ее функции входит следующее:
— начальная установка всех регистров и счетчиков при включении;
— управление записью данных в регистры хранения и регистры сдвига;
— управление сдвигом данных записанных в регистры сдвига;
— индикация переполнения и обнуления счетчиков;
Анализ вышесказанного, позволяет сделать следующие выводы о необходимых компонентах схемы управления:
1) для управлением начала и конца измерения необходим ключ на триггере;
2) для управления записью информации в регистры хранения и управлением передачей последовательного кода необходим электронный ключ на триггере;
3) для управления регистром сдвига необходим счетчики с коэффициентом пересчета равным 10 и 6;
4) для согласования по времени процессов записи информации и обнуления счетчиков необходимы элементы задержки.
Схема блока управления приведена в приложении 3.
Использованные микросхемы приведены в таблице 10
Таблица 10 – использованные микросхемы
| Номер | Тип |
| К555ТМ2 |
| К555ЛЕ1 |
| К555ЛА3 |
| К555ЛА1 |
| К555ЛЕ4 |
| К555ЛИ6 |
Таблица 11 – параметры микросхем
| Номер | Тип | , мВт
| нс
| МГц
|
|
| К555ЛЕ1 | 40 | 24 | 25 |
|
| К555ЛЕ4 | 40 | 25 | 25 |
|
| К555ЛИ6 | 21 | 24 | 25 |
А) б)
в)
Рисунок 15 – Цоколевка микросхем:
а – К555ЛЕ1;
б – К555ЛЕ4;
в – К555ЛИ6.
Блок управления работает следующим образом. Во время начальной установке при включении питания все триггера и счетчики сбрасываются в ноль. При появлении отрицательного фронта измеряемого импульса на выходе детектор фронтов появится импульс который переключит триггер в единичное состояние. При этом поступившая единица на вход элемента И-НЕ разрешит прохождение счетных импульсов на счетное устройство.
По приходу положительного фронта измеряемого импульса триггер переключится в нулевое состояние, тем самым запрещая подсчет импульсов. По положительному фронту импульса с выхода 
триггера информация запишется в регистры хранения. Этот же импульс пойдя линию задержки 40 Нс обнулит счетное устройство. Поскольку время записи информации в регистры хранения составляет 14 Нс было принято решение отказаться от стробирования дешифратора кода. Вывод информации на индикатор статический.
Также по положительному фронту импульса на выходе триггера , триггер 
перейдет в единичное состояние, тем самым запретив прохождение импульсов генератора на счетное устройство и одновременно разрешив работу регистров сдвига (
) и блока управления регистрами сдвига. При этом информация продолжает хранится и выводится на индикатор.
Блок управления регистрами сдвига состоит из асинхронного счетчика построенного по принципу дешифрации состояний. Счетчик имеет коэффициент пересчета равный 13. На нулевом такте блок формирует сигнал параллельной загрузка информации в регистры сдвига (элементы 
), который подается на вход РЕ регистров. Следующие 12 тактов информация передается в линию. На тринадцатом такте счетчик обнуляется и переводит триггер в нулевое состояние, тем самым разрешая подсчет импульсов и запрещая работу регистров сдвига. При приходе отрицательного фронта измеряемого импульса все повторяется снова.
При переполнении счетчика на его выходе Р сформируется сигнал, который обнулит счетчик и переведет триггер а нулевое состояние. При этом информация на индикаторе не изменится. Переполнение отображается на индикаторе светодиодом красного цвета.
Рис.16 Схема кодопреобразователя на основе дешифратора и шифратора 
Рис. 17 Временная диаграмма устройства.
