Ломов И.А. - Проектирование узлов цифровой электронной техники

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛОВЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИИздательство МГТУ им. Н.Э. БауманаМосковский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛОВЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИМетодические указания к выполнениюдомашних заданий по курсу«Электротехника и электроника»Под редакцией И.А. ЛомоваМоскваИздательство МГТУ им. Н.Э.

Баумана2009УДК 621.38ББК 32.85П78Рецензент С. А. ВасюковП78Проектирование узлов цифровой электронной техники :метод. указания по курсу «Электротехника и электроника» /[В. Н. Атаманов, Н. А. Гулова, А. Б. Красовский, В. С. Семенов ;под ред. И. А. Ломова]. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,2009. – 36 с.Приведены варианты домашних заданий по проектированиюкомбинационного и последовательностного устройств цифровойтехники на интегральных схемах малой и средней степени интеграции, а также по проектированию микропроцессорной системы,отвечающей функциональным потребностям автоматов управления процессами.

Представлены правила проектирования, необходимые справочные материалы и примеры выполнения заданий.Для студентов механико-технологических специальностейII курса факультета СМ и IV курса факультета РК.УДК 621.38ББК 32.85Учебное изданиеАтаманов Валерий НиколаевичГулова Неля АхтамовнаКрасовский Александр БорисовичСеменов Виктор СеменовичПроектирование узлов цифровой электронной техникиРедактор В.М. ЦаревКорректор М.А.

ВасилевскаяКомпьютерная верстка И.А. МарковойПодписано в печать 29.07.2009. Формат 60  84 1/16Усл. печ. л. 2,09. Тираж 1000 экз. Изд № 20. ЗаказИздательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 20092ВВЕДЕНИЕВажнейшим средством построения автоматов, управляющихразличными техническими и технологическими процессами, является электронная техника. Большими возможностями обладаетцифровая электронная техника, оперирующая с представлениеминформации в виде цифровых электрических сигналов.Основу элементной базы современной цифровой электроннойтехники составляют интегральные микросхемы (ИС) – типовыеузлы с определенными функциональными свойствами.

Такая элементная база определяет подход к разработке электронных устройств как к совокупности отдельных функциональных узлов.Рассматриваемые в домашних заданиях комбинационные ипоследовательностные устройства на ИС малой и средней степениинтеграции, а также микропроцессорная система являются основными типами объединения микросхем, отвечающих функциональным потребностям автоматов управления процессами.Цель выполнения домашних заданий – ознакомление с проектированием типовых устройств цифровой электронной техники.Представлены данные из каталогов цифровых микросхем, приведены правила выполнения работ по проектированию и основныетребования к оформлению конструкторской документации.ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯЗ а д а н и е 1.

Спроектировать комбинационное устройствоцифровой электронной техники для автомата управления технологической операцией.На вход устройства поступают однозарядные сигналы Х3, Х2,Х1 от датчиков. На выходе устройства формируется сигнал Р, используемый для управления некоторым исполнительным механизмом. Значение Р = 1 соответствует сочетаниям входных сигналов ХЗ, Х2, Х1, десятичные коды которых указаны в приложении(варианты заданий). Для остальных сочетаний Р = 0.При выполнении задания необходимо следующее.1. Изобразить проектируемое устройство как функциональныйблок, указать входные и выходные сигналы.

Составить таблицу3истинности связи сигналов. Записать соответствующее логическоеуравнение в совершенной дизъюнктивной нормальной форме(СДНФ).2. Минимизировать логическое уравнение. Рассчитать по этому уравнению значение Р для всех сочетаний входных сигналов.Изобразить логическую схему проектируемого устройства.3. Перевести минимизированное уравнение в базис И–НЕ.

Наоснове этого уравнения построить электрическую принципиальную схему.4. Определить быстродействие проектируемого устройства.5. Разработать печатную плату и выполнить ее чертеж.З а д а н и е 2. Спроектировать последовательностное устройство цифровой электронной техники для автомата управления технологическим процессом.Последовательностное устройство – счетчик с произвольнымпорядком счета.

На его вход сначала подается сигнал начальнойустановки (НУ), затем импульсы С, переводящие счетчик в последующие состояния. Выходными сигналами устройства являютсяQ3, Q2 и Q1. Их значения определяют положение (включенное иотключенное) трех органов производственного автомата на каждом такте выполнения технологической операции.Последовательность сочетаний сигналов Q3, Q2, Q1 как десятичных кодов задана в вариантах заданий. Первое сочетание должно устанавливаться после сигнала начальной установки.При выполнении задания необходимо следующее.1. Изобразить проектируемое устройство как функциональныйблок, указать входные и выходные сигналы. Составить таблицусостояний проектируемого устройства, в которой должны бытьпредставлены входные и выходные сигналы.

Обосновать количество необходимых для построения триггеров JK или D, как указано в вариантах заданий.2. Выполнить проектирование, для чего построить таблицыпереходов счетчика и управляющих сигналов триггеров. Осуществить минимизацию для построения комбинационных схем управления триггерами.3. Записать уравнения функционирования счетчика.4. Рассчитать по уравнениям и представить в таблице значениявходных и выходных сигналов триггеров после сигнала начальной4установки и всех заданных импульсов перехода к последующимсостояниям.

Построить соответствующие графики.5. Изготовить комплект конструкторской документации напроектируемое устройство как на сборочную единицу: спецификацию, сборочный чертеж, электрическую принципиальную схему,чертеж платы.ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫЭлектрические схемы (их несколько видов) определены ГОСТ2.701–84. Электрическая принципиальная схема включает в себя всеприменяемые в рассматриваемом устройстве электрические элементы и линии связи между ними. Правила выполнения описаны вГОСТ 2.702–75.

Электрические схемы для устройств цифровойэлектронной техники также представлены в ГОСТ 2.751–73.Выполнение электрической принципиальной схемы завершаетэтап электротехнического проектирования и служит основой длясоставления конструкторской документации на проектируемое изделие.В электрической схеме применяемые изделия указывают в условных графических обозначениях. Если они для включенного иотключенного состояний различны, то в схеме их указывают дляотключенного состояния. Условные графические обозначенияэлементов и их размеры определены стандартами ЕСКД, изделийцифровой электронной техники – ГОСТ 2.743–82.

Некоторые изних приведены в табл. 1.Допускается все обозначения пропорционально уменьшатьили увеличивать, поворачивать на угол 90° или изображать зеркально по отношению к приведенному в стандарте.Всем элементам схемы присваивают позиционные обозначения по ГОСТ 2.710–81. Например, R – резистор, С – конденсатор,S-ключ, Х-разъем, V-полупроводниковый прибор, DА – микросхема аналоговая, DD – микросхема цифровая, логическая.

Позиционное обозначение указывает на вид элемента и содержит его порядковый номер в схеме, например DD5.5Таблица 1Условные графические изображенияОбозначениеНаименованиеЛогические элементы и интегральные микросхемыГОСТ2.743–82Указатели выводов:Прямой статическийИнверсный статический2.743–82Вход управления поВход управления поВывод, не несущий логической информацииЛиния групповой электрической связи62.751–73Порядковые номера элементам присваивают, начиная с единицы, последовательно преимущественно слева направо и сверхувниз. Позиционные обозначения проставляют на схеме около условного обозначения элемента над ним или с правой стороны.Линии связи между элементами изображают, как правило, горизонтальными и вертикальными отрезками с расстоянием междуними не менее 3 мм.

Количество изломов и пересечений должнобыть минимальным. Рекомендуемая толщина линий связи и графических обозначений составляет 0,3–0,4 мм.Если линии связи затрудняют чтение схемы, их можно оборвать, закончив стрелкой. При этом необходимо указать обозначение или наименование, присвоенное этой линии, или номер вывода элемента.При изображении схем цифровой электронной техники поГОСТ 2.751–73 используют линии групповой связи. Они обозначают группу линий связи, не соединенных между собой электрически. Эти линии выполняют вдвое толще одиночных линий связи.Каждой линии, входящей в линию групповой связи, на обоих концах (при разветвлении на всех концах) присваивают один номер.Все линии схемы подразделяют на входные и выходные. Дляобщей схемы входные линии изображают с левой стороны листаили сверху, выходные – на правой стороне или внизу.

Для элементов входные преимущественно слева, выходные – справа.Условные графические обозначения элементов цифровыхэлектронных устройств и их выводов приведены в табл. 1. Примеры изображения их по каталогу представлены на рис. 1 и 2.Все надписи на схеме, на линиях связи, около условных графических обозначений и внутри них выполняют основным шрифтом по ГОСТ 2.304–81.Электрическая принципиальная схема должна сопровождатьсяперечнем по ГОСТ 2.702–75. При большом числе элементов ихперечень элементов представляет собой текстовый документ.

Перечень элементов можно помещать в виде таблицы на самой электрической принципиальной схеме. Часто его выполняют как сопроводительную надпись к схеме внизу или справа. В перечне элементов указывают позиционное обозначение, номер по каталогу инаименование.