Разработка формирователя сигналов: Методические указания к контрольной работе по дисциплине ''Вычислительная техника и информационные технологии''

Госкомитет России по связи и информатизации ПОВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к контрольной работе по дисциплине "ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

"РАЗРАБОТКА ФОРМИРОВАТЕЛЯ СИГНАЛОВ" Для студентов специальностей 200900, 201000, 201100 заочного факультета ускоренной подготовки

Авторы-составители:

ГОРЧАКОВА М. А., к.т.н., доцент КУЛЯС О. Л., к.т.н., доцент БЕДНЯК С. Г., ст. преподаватель

Самара 2004

СОДЕРЖАНИЕ Стр. ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………… 3 Рекомендуемая литература …………………………………………… 3 1. ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ…….. 4 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАТЕЛЯ СИГНАЛОВ НА ЖЕСТКОЙ ЛОГИКЕ …………………………………………….. 7 2.1. Определение цифровых последовательностей на входах ЦАП…. 8 2.2. Синтез преобразователя кода……………………………………… 9 2.3.Синтез счётчика импульсов ………………………………………. 10 2.4. Выбор схемы и расчет генератора тактовых импульсов ………. 13 2.5. Выбор схемы ЦАП ………………………………………………... 14 2.6. Составление полной принципиальной схемы формирователя … 16 3. ОФОРМЛЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ……………………… 16

3 ВВЕДЕНИЕ Методическая разработка предназначена для использования в качестве пособия при выполнении контрольной работы на заочном факультете ускоренной подготовки телекоммуникационных специальностей. Контрольная работа посвящена проектированию формирователя цифровых и аналоговых сигналов сложной формы на "жесткой логике" и позволяет студентам применить теоретические знания для решения задач синтеза цифровых устройств.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1.

Цифровая и вычислительная техника: Учебник для вузов/ Э. В. Евреинов, Ю.Т. Бутыльский, И. А. Мамзелев и др.; под ред. Э.В. Евреинова. –М.: Радио и связь, 1991. – 464 с. 2. Микропроцессорный комплект К1810: Структура, программирование, применение: Справочная книга/ Ю.М. Казаринов, В. Н. Номоконов, Г.С. Подклетнов и др.; под ред. Ю. М. Казаринова. – М.: Высш. Школа, 1990.- 269 с. 3. Григорьев В. Л. Программирование однокристальных микропроцессоров. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 288 с. 4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник. - М.: Металлургия, 1988. - 352 с. 5. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: справочник. - М.: Радио и связь, 1990. -304 с. 6. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. 120 с. 7. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -320 с. под 8. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник/ редакцией С.В. Якубовского. - М., Радио и связь, 1990. - 496 с. 9. Белецкий Я. Турбо Ассемблер: версия 2.0: Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Машиностроение, 1994, - 160 с. 10. Новиков Ю. В., Калашников О. А., Гуляев С. Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера IBM PC. Под общей редакцией Ю.В. Новикова. Практ. пособие. – М.: ЭКОМ., 1998. – 224 с. 11. Методические указания к лабораторным работам по курсу цифровая и вычислительная техника. Часть 1. - Самара, ПИИРС, 1992. - 66 с.

4 1. ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Необходимо разработать формирователь двух сигналов: периодического цифрового четырехразрядного сигнала M(i) = Q4Q3Q2Q1, имитирующего работу четырехразрядного двоичного счетчика с заданным модулем счета, и периодического аналогового напряжения сложной формы U(t), используя аппаратный и программно-аппаратный способ реализации. Обобщенная структурная схема формирователя, реализованного аппаратным способом на «жесткой логике», представлена на рис. 1.1. Q 4Q 3Q 2Q 1

CT ГТИ

Tc

ПК

Y1 Y2 Y3

Ц АП

U (t)

Y4 Y5 Y6 Y7 Y8

X1

X2

Рис.1.1. Обобщенная структура формирователя сигналов Устройство состоит из генератора тактовых импульсов (ГТИ), счетчика импульсов (СТ), преобразователя кодов (ПК) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Формирователь сигналов работает следующим образом: импульсы с выхода генератора с периодом следования Тс поступают на 4-х разрядный счетчик, который с каждым импульсом изменяет свое состояние на единицу. На выходах счетчика формируются заданные последовательности четырехразрядных сигналов Q4Q3Q2Q1. Затем, с помощью преобразователя кодов, эти последовательности преобразуются в восьмиразрядные последовательности сигналов Y8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1, которые управляют работой ЦАП. С выхода ЦАП снимается пропорциональное входным восьмиразрядным последовательностям аналоговое напряжение заданной величины и формы U(t), например такое, как на рис.1.2. Дополнительные входы счетчика предназначены: X1- для установки начального состояния счетчика. При активном уровне Х1 на

5 выходах формирователя должны появиться сигналы, соответствующие M(i) = M(0) и U(i) = U(0); X2 - для принудительной остановки работы. При активном уровне Х2 формирователь должен приостановить работу до получения дальнейших инструкций. U (t )

U (5) U (4)

2

U (3)

U (6)

U (2)

1

U (1)

U (7)

0

t

9 10

U (0)

1 2 3 4 5 6 7 8

0 1 2 3 4 5 6 7 8

U (8)

-1

9 10

0 1 2 3 4 5 6

U (9)

-2 U (10)

Рис.1. 2. Напряжение на выходе ЦАП Для выбора варианта задания необходимо рассчитать трехразрядный код варианта АВС, а затем по таблицам 1.1, 1.2 и 1.3 произвести выбор исходных технических данных на проектирование устройства. Значение буквы А (последняя цифра номера зачетной книжки) - определяет период повторения К формируемых сигналов и порядок смены кода счетчика М(i) в соответствии с табл.1.1, в которой i - порядковый номер выдаваемой кодовой комбинации. Табл. 1.1. Варианты задания разряда А П о р я д о к с л е д о в а н и я M ( i) A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

K 1 1 1 2 1 0 9 1 2 1 1 1 0 9 1 2 1 1

i= 0

i= 1

i= 2

i= 3

i= 4

i= 5

i= 6

i= 7

i= 8

i= 9

i= 1 0

i= 1 1

2 8 4 4 1 3 9 1 0 1 4 1 1

3 7 5 3 1 2 8 1 1 1 5 0 2

4 6 6 2 1 1 7 1 2 0 1 5 3

5 5 7 1 1 0 6 1 3 1 1 4 4

6 4 8 0 9 5 1 4 2 1 3 5

7 3 9 1 5 8 4 1 5 3 1 2 6

8 2 1 0 1 4 7 3 0 4 1 1 7

9 1 1 1 1 3 6 2 1 5 1 0 8

1 0 0 1 2 1 2 5 1 2 6 9 9

1 1 1 5 1 3

1 2 1 4

1 3

4 0 3

3 1 5

2

8 1 0

7 1 1

6

Кроме этого значения А определяют логический базис для проектируемого устройства и активные уровни сигналов Х1 и Х2: для четных значений А - базис И-НЕ, активные уровни Х1 и Х2 - "0"; для нечетных значений А - базис ИЛИ-НЕ, активные уровни Х1 и Х2 - "1".

6 Формируемый четырехразрядный код Q4Q3Q2Q1 определяется значениями М(i) с помощью выражения М(i) = 23* Q4 +22*Q3+21*Q2+20*Q1, т.е. он является двоичным эквивалентом кода счетчика. Например: для A = 0; Период повторения формируемых сигналов К = 11. Начальное значение кода счетчика М(0) = 2. Конечное значение кода счетчика М(10) = 12. С увеличением i значение кода M(i) увеличивается. Таким образом, первый из формируемых сигналов имитирует суммирующий счетчик с коэффициентом счета K=11(10). Определяем, формируемые четырехразрядные кодовые комбинации: M(0) = 2 = 23 *0 + 22 *0 + 21 *1 + 20 *0;

Q4Q3Q2Q1 = 0010;

Q4Q3Q2Q1 = 0011; M(1) = 3 = 23 *0 + 22 *0 + 21 *1 + 20 *1; --------------------------------------------Q4Q3Q2Q1 = 1100; M(10) = 12 = 23 *1 + 22 *1 + 21 *0 + 20 *0; Значение буквы В (сумма последней и предпоследней цифр зачетной книжки с отбрасыванием разряда десятков) - определяет величину формируемого ступенчатого аналогового напряжения на выходе ЦАП в соответствии с табл.1.2. Значения задаются в k равноотстоящих точках периода U(i), где i= 0,1,...,k-1, а между точками напряжение U(t) постоянно и определяется: U(t) = U(i), ti =< t < ti+1 где ti - момент переключения кода счетчика в i-тое состояние (см. рис. 1.2). Табл.1.2. Варианты задания разряда В Напряжение U(i) для различных состояний , В

B U(0)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 -1 2 2 3 -3 4 1,5 0 1,5

U(1)

U(2)

0,5 1 -2 -3 1,5 1 2 2 -1 3 -1,5 0 3,5 2 3 4,5 -1 -2 -1,5 -2

U(3)

U(4)

1,5 2 -4 -3,5 0,5 0 0 -1 -1 0 -1,5 2 1,5 0 4,5 3,5 -2,5 -3 -3 1

U(5)

U(6)

2,5 1,5 -3 -2,5 3 2,5 -2 -2 0 0 2 2 0 1,5 2,5 2 -4 -4,5 1,5 2

U(7)

U(8)

U(9)

0,5 -0,5 -1,5 -2 -1,5 -1 2 1,5 1 -2 0 1 0,5 1 -1,5 1,5 0 -1,5 2 2 2,5 1,5 -1,5 -2 -2 -2 -1 2,5 3 2

U(10) U(11)

-2,5 -0,5 0,5 2 -3 -3 3 -2,5 -0,5 1,5

-2 0 0 2 -3,5 -3,5 4 -3 -0,5 0,5

Значение буквы С (целая часть результата деления последней цифры зачетной книжки на 2) - задает длительность одной ступеньки аналогового напряже-

7 ния Тс, а также минимальное Umin и максимальное Umax напряжения на выходе ЦАП, в соответствии с таблицей 1.3. Табл.1.3. Варианты заданий разряда С C

Т с , м с

U m in , B

U m a x ,B

0 1 2 3 4

0 ,5 1 2 3 1 ,5

-

5 6 7 8 9

5 6 7 8 9

Полученные в результате выбора варианта исходные данные можно свести в таблицу, подобную табл. 1.4. (Два правых столбца этой таблицы заполняются значениями, рассчитанными в разделе 2.1).

А=0

В=0

i

M(i)

Порядковый номер кодовой комбинации

Значение кода счетчика DEC

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.

1. 2. 3.

Табл. 1.4. Исходные данные для проектирования С =0 Х1,Х2= лог.базис Umin=-5В, Umax=5B Тс =0,5мс "0" И- НЕ Q4Q3Q2Q1 U(i), В Y8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1 Y(i) Код счетчика

Напряжение на выходе ЦАП

BIN

0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1

0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1

1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

Значение кода на входе ЦАП

Код на входе ЦАП

DEC

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 1,5 0,5 -0,5 -1,5 -2,5

128 140 153 166 179 192 166 140 115 89 63

BIN

1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0

0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1

0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1

0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1

0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1

0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1

0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАТЕЛЯ СИГНАЛОВ НА «ЖЕСТКОЙ» ЛОГИКЕ

Проектирование формирователя включает в себя следующие этапы: Определение цифровых последовательностей на входах ЦАП; Синтез преобразователя кодов; Синтез счетчика импульсов;

4. 5. 6. 7.

8 Выбор и расчет схемы генератора тактовых импульсов; Выбор схемы цифро-аналогового преобразователя; Составление полной принципиальной схемы формирователя; Расчет задержки прохождения сигналов и потребляемой формирователем мощности. 2.1. Определение цифровых последовательностей на входах ЦАП

Для того, чтобы ЦАП мог формировать аналоговые напряжения необходимой величины U(i), на его цифровые входы необходимо подавать пропорциональные этим напряжениям двоичные коды Y(i) (см. рис. 1.1). Для определения этих кодовых комбинаций найдём напряжение ΔU , соответствующее единице младшего значащего цифрового разряда на входе ЦАП, как

U min + U max , (2.1) n 2 где Umin и Umax - минимальное и максимальное напряжения на выходе ЦАП, n - разрядность используемого ЦАП. Для всех вариантов задания будем считать, что разрядность ЦАП равна 8, а значения Umin и Umax выбираются по таблице 1.3. Значения цифрового кода Y(i) вычисляются по формуле: ΔU =

⎡ U (i )

Y ( i ) = int ⎢

⎢⎣ Δ U

+

U min U min

+ U max

⎤

n 2 ⎥,

⎥⎦

(2.2)

где int[a] - целая часть числа a , n - разрядность ЦАП. Второе слагаемое учитывает начальное смещение цифрового кода, так как последний является только положительным, а напряжение на выходе ЦАП может иметь различную полярность. Для заданных значений Umin, Umax и n= 8 его значение постоянно и равно 128. Для определения цифровых последовательностей Y8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1 необходимо воспользоваться соотношением: Y(i) =27*Y8 +26*Y7 +25*Y6 +24*Y5 +23*Y4 +22*Y3 +21*Y2 +20*Y1, (2.3) т.е. перевести значения цифрового кодаY(i) в двоичную систему счисления. Пример : Для вариантов задания с В = 0 имеем: в соответствии с (2.1) напряжение младшего значащего разряда ΔU = 10 / 256 = 0,039В . По выражениям (2.2) и (2.3) вычисляем значения цифровых кодов Y(i) в десятичном и двоичном эквиваленте:

9

⎤ ⎡ 0 + 128 ⎥ = 128 = 10000000 ; Y ( 0 ) = int ⎢ 10 2 ⎣ 0, 039 ⎦ ⎤ ⎡ 0 ,5 + 128 ⎥ = 140 = 10001100 ; Y (1) = int ⎢ 10 2 ⎣ 0,039 ⎦ ------------ --------------------------------------------------⎡ − 2 ,5 ⎤ Y (10 ) = int ⎢ + 128 ⎥ = 63 = 001111111 ; 10 2 0 , 039 ⎣ ⎦ Заполним полученными значениями кодов на входах ЦАП Y(i) два правых столбца таблицы 1.4. Эта таблица является таблицей исходных данных для дальнейшего проектирования формирователя сигналов. 2.2. Синтез преобразователя кода Согласно схеме, показанной на рис.1.1, восьмиразрядные кодовые комбинации Y(i) формируются преобразователем кода из четырехразрядных кодовых комбинаций Q4Q3Q2Q1, получаемых на выходе счетчика. Таблица 1.4 связывает сигналы на входе преобразователя кода Q4Q3Q2Q1 с выходными сигналами Y8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1 и является таблицей истинности КЦУ с четырьмя входами и восемью выходами. В процессе синтеза преобразователя кода необходимо: • минимизировать логические функции Y1=f(Q4,Q3,Q2,Q1), Y2=f(Q4,Q3,Q2,Q1), ... , Y8=f(Q4,Q3,Q2,Q1) методом карт Карно, используя покрытие единиц или нулей карты. При этом следует иметь в виду, что эти функции являются не полностью определенными. • - преобразовать минимизированные логические выражения в базис ИНЕ для четных и ИЛИ-НЕ для нечетных вариантов (значение буквы А в коде выбора варианта). • - построить функциональную и принципиальную схемы преобразователя кодов, выбрав для реализации логических функции такие варианты, которые требуют минимального числа корпусов интегральных микросхем (ИМС) ТТЛ серий К155, К555, К1533. Недостающие сведения о синтезе подобных КЦУ можно найти в [ 1 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 8 ], [ 11 ]. 2.3.Синтез счётчика импульсов

10 В качестве счётчика импульсов целесообразно использовать интегральную микросхему К555ИЕ7, обозначение и схема включения которой показана на рис. 2.1. Это четырехразрядный асинхронный реверсивный счётчик с возможностью предустановки. Модуль счета счетчика 16, т.е. при работе в режиме счета он последовательно переходит из одного состояния в другое начиная с состояния 010 = 00002 и заканчивая состоянием 1510 = 11112. Выводы счетчика имеют следующее назначение: Входы "D1", "D2", "D4" и "D8" предназначены для предварительной установки состояния счетчика. На эти выводы подается четырехразрядная кодовая комбинация, которую можно загрузить в счетчик. Вход "L" -вход разрешения предустановки. При подаче логического "0" установленная на входах предустановки комбинация записывается в триггеры счетчика и появляется на выходах. Входы "+1" и "-1" - суммирующий и вычитающий входы счетчика соответственно. Срабатывание счетчика происходит при положительном перепаде напряжения на одном из входов. При этом на неиспользуемый вход должен подаваться уровень логической "1". Вход "R" - асинхронный вход сброса всех триггеров счетчика в состояние 0. Сброс осуществляется подачей логической "1". Выходы "1", "2", "4", "8" - прямые выходы разрядов счетчика. На выходах ">=15" и "