Проектування блоку відображення цифрового пристрою

В залежності від технології виготовлення ІМС підрозділяються на серії (сімейства), які відрізняються фізичними параметрами базових елементів, а також числом та функціональним призначенням. В наш час розроблено декілька десятків технологій виготовлення ІМС. Найбільш широке застосування знаходять ІМС побудовані по ТТЛ-, КМОН-, та п-МОН-технологіям.

При розробці пристрою використаємо мікросхеми серії КР1533. Швидкодіючі цифрові інтегральні мікросхеми КР1533 призначені для високошвидкісного обміну та обробки цифрової інформації, часового та електричного узгодження сигналів в обчислювальних системах. Мікросхеми серії КР1533 в порівнянні з відомими серіями логічних ТТЛ мікросхем володіють мінімальним значенням добутку швидкодії на розсіювану потужність.

Найбільш важливим параметром, який характеризує якість цієї серії ІМС є робота перемикання – середній час затримки сигналів в вентилі помножений на потужність споживання вентиля. Мікросхеми серії К1533 побудовані з використанням діодів Шотки, які попереджають режим глибокого насичення транзисторів, що значно збільшує швидкість перемикання вентилів. Конструктивно мікросхеми серії КР1533 виконані в 14-, 16-, 20- та 24-вивідних стандартних пластмасових корпусах типу 201. 14-1, 238. 16-1, 2140. 20-8, 2142. 24-2.

Використання цих мікросхем дозволило розробляти більш високочастотні цифрові пристрої при загальному зниженні використаної потужності.

Технічні характеристики:

Стандартні ТТЛ вхідні та вихідні рівні сигналів;

Напруга живлення 5, 0 В ±10%;

Затримка на вентиль 4нс;

Потужність споживання на вентиль 1. 2 мВт;

Тактова частота до 70 МГц;

Вихідний струм навантаження низького рівня до 24 мА;

Вихідний струм навантаження високого рівня до -15 мА;

Гарантовані статичні та динамічні характеристики при ємності загрузки 50 пф в діапазоні температур від -10۫С до +70۫۫С та напругою живлення 5В±10%;

Стійкість до статичної електрики до 200В.

Вільні входи необхідно підключати до джерела постійної напруги 5В±10%, джерела вихідної напруги високого рівня або заземляти.

 

 

Для підрахунку тактових імпульсів використаємо двійково-десятковий лічильник з кодом відповідним технічному завданню. Проведемо його синтез. Побудову лічильника будемо проводити на JK – тригерах.

Таблиця 2. 2. 1 – Таблиця комбінацій перемикання JK тригера

JK

000*

011*

10*1

11*0

Використовуючи таблицю комбінацій перемикання JK тригера та двійково-десятковий код передачі даних в пристрій обробки складемо таблицю функціонування нашого лічильника (таблиця 2. 2. 2).

Таблиця 2. 2. 2. – Таблиця функціонування лічильника

CrJ0K0

0000000*

1000100*

2011101*

310100*1

4010101*

510000*0

610010*0

711110*0

811000*0

911011*1

Використовуючи таблицю функціонування проведемо мінімізацію для переходів кожного тригера. Використаємо для цього карти Карно.

1) Сr=Q0Q1 2Q3

00011110

0000**

01*00*

11010*

1000*0

 

8) J3=1 9) K3=Q1

 

00011110

001

***

01****

111***

101**1

 

00011110

00*0**

01*

11*

11*11*

10*0**

Будуємо схему даного лічильника. В якості JKтригерів використаємо тригери KР1533 (рисунок 2. 2. 1)

Рисунок 2. 2. 1. – Принципова схема лічильника

 

 

Для побудови блоку відображення нам знадобиться регістр для збереження інформації, перетворювач (дешифратор) двійково-десяткового коду в код семисегментного індикатора та семисегментний індикатор.

Запис інформації в регістр відбувається синхронно по фронту тактового імпульсу під дією напруги логічного 0 на обох інверсних входах керування. Під дією напруги логічної 1 хоча б на одному зі входів регістр зберігає попередню інформацію.

Розробка кодоперетворювача (дешифратора) проводиться на основі таблиці функціонування як вузла з багатьма виходами й неповністю визначеними входами (10 вхідних наборів з 16).

Для кожного елемента відображення проведемо мінімізацію та складемо МДНФ та МКНФ для того, щоб в результаті побудувати кодоперетворювач на базисі Пірса чи Шеффера відповідно. Мінімізацію будемо проводити за методом карт Карно.

Для елемента а отримаємо:

 00011110

0010**

01*10*

11110*

1011*0

 МДНФ=Q0 2vQ1 2v 2 3

00011110

0010**

01*10*

11110*

1011*0

аМКНФ= 2Λ (Q0vQ1v 3)

Для елемента b отримаємо:

 

 00011110

0010**

01*01*

dМДНФ= 0Q1vQ0 2vQ0 1 dМКНФ= (Q0vQ1) Λ ( 0v 1v 2)

Для елемента g отримаємо: 

00011110

0010**

01*01*

11110*

1011*1

 

00011110

0010**

01*01*

11110

*

1011*1

gМДНФ= 3v 0Q2vQ0 2 gМКНФ= (Q0vQ2v 3) Λ ( 0v 1v 2)

Проведемо перетворення та запишемо отримані вирази в базисах Пірса та Шеффера.

Рисунок 2. 2. 1 – Схема блоку відображення

 

 

 

До основних параметрів спроектованого пристрою відносяться швидкодія, споживана потужність (струм) і надійність.

Надійність спроектованого пристрою доцільно проводити по інтенсивності відмов λ і середньому часу наробітків на відмову – Т0, які обчислюються за формулами:

заг.. = ni * i (3. 1. 1)

де m-кількість типів радіоелектронних елементів;

λі – інтенсивність відмов і-го елементу;

nі – кількість елементів і-го типу.

Дані розрахунки доцільно представити у вигляді таблиць, у яких вказуються найменування типів елементів і їх кількість, інтенсивність відмов і споживана потужність, а також необхідні розрахунки.

При розробці будь-яких виробів у виробництві важливу роль грає розрахунок показників надійності. Це характерно тим, що виробник повинен правильно оцінювати можливості даних апаратур, тобто ефективність її роботи (надійності).

Надійність – властивість пристрою виконувати задані функції в заданих режимах й умовах застосування, обслуговування, ремонту, зберігання, транспортування в плині необхідного інтервалу часу.

Показники надійності:

1. Безвідмовність

2. Довговічність

3. Ремонтопридатність

4. Зберігання

Безвідмовність – властивість безперервно зберігати працездатність до настання граничного стану, після якого подальша експлуатація виробу економічно невигідна.

Ремонтопридатність – пристосованість пристрою до попередження відмов, можливим знаходженням несправностей, усунення їх, знаходження причин шляхом проведення ремонту й технічного обслуговування.

До термінів ремонтопридатності ставляться: відмова, зберігання.

Відмовою називається подія, що полягає в повній або частковій втраті працездатності.

Відмови бувають:

‒раптові (катастрофічні) – стрибкоподібна зміна параметрів робіт виробу;

‒постійні (параметричні) – постійна зміна одного або декількох параметрів із часом, які виходять за припустимі межі.

Зберігання – термін, протягом якого при дотриманні режиму зберігання виріб зберігає працездатний стан. Розрахунок надійності ділиться на три розділи:

1) визначення значення інтенсивності відмови всіх елементів за принциповою схемою;

2) визначення значення ймовірності безвідмовної роботи всієї схеми;

3) визначення середнього наробітку до першої відмови.

Інтенсивність відмови всіх елементів визначається по формулі:

заг. = ni * i (3. 1. 2)

де nі – кількість елементів у схемі

і – інтенсивність відмови і-того елемента

m – кількість типових елементів.

При розрахунку також потрібно враховувати інтенсивність відмов через пайки радіоелементів на друкованій платі.

Інтенсивність відмов елементів розраховується по формулі:

ел. = 0 * Ке * КР (3. 1. 3)

де 0 – інтенсивність відмов елементів у режимі номінального навантаження.

Ке – експлуатаційний коефіцієнт.

Кн – коефіцієнт навантаження.

Всі ці параметри беруться з довідника за розрахунками надійності.

Імовірністю безвідмовної роботи називають імовірність того, що за певних умов експлуатації в заданому інтервалі часу не відбудеться жодної відмови.

Імовірність безвідмовної роботи визначається за формулою:

Pi (t) = e - t (3. 1. 4)

де i = заг.

t – період, час.

За результатами розрахунків складаються таблиці й графіки.

Середній наробіток до першої відмови – це математично очікуваний час роботи до першої відмови.

Середній наробіток на відмову визначається по формулі:

TCр = 1/ заг. (3. 1. 5)

Розрахунок надійності виконується на комп'ютері типу ЕОМ РС, результати наведені далі (таблиця 3. 1. 1 та рисунок 3. 1. 1)

Рисунок 3. 1. 1 Залежність безвідмовної роботи від часу роботи пристрою

Таблиця 3. 1. 1. Таблиця розрахунку надійності

Тип елементаКількість елементів в пристрої, nІнтенсивність відмов елементів цього типу, λ, 1/годЕксплуатаційний коефіцієнт, КеКоефіцієнт навантаження,

КрМноження, λ*Ке*КрМноження n*λ (інтенсивність відмов всіх елементів цього типу) 

КР1533541, 00E-075, 00E-021, 00E+005, 00E-092, 70E-07

ОМЛТ161, 10E-071, 00E-011, 00E-011, 10E-091, 76E-08

2Б51ОА16, 90E-075, 00E-013, 40E-011, 17E-071, 17E-07

АЛЦ342Б20, 0000001111, 00E-072, 00E-07

Пайка4704, 00E-101, 00E+001, 00E+004, 00E-101, 88E-07

Підсумкова інтенсивність відмов пристроюλ1/ч7, 929E-07

Період безвідмовної роботиtч1, 00E+03

Середній наробіток до першої відмовиТ=1/λ1, 26E+06

Таблиця 3. 1. 2. Вихідні дані для побудови графіка