Синтез цифрового автомата 
p align="left">Разработка цифрового автомата по алгоритму функционированияРисунок 3. Элементы алгоритма На рисунке 3 изображены элементы алгоритма. Размер a выбирается из ряда 10, 15, 22 мм. Допускается увеличение размера а на число кратное 5. Размер b равен 2a. В этом разделе выполняется расчет и производится построение схемы цифрового автомата. Для этого требуется по заданному алгоритму функционирования определить множество внутренних состояний автомата, а множества выходных сигналов Y и входных сигналов X заданы алгоритмом. При практическом построении автомата обычно в начале задается его словесное описание с указанием конкретного объекта управления. Далее следует процесс формализации задачи. На этом этапе задание корректируется с учетом особенностей работы объекта, элементов, на основе которых будет построен автомат. В предлагаемой работе задание уже формализовано и представлено в виде алгоритма, где блок РЕШЕНИЕ указывает, какой входной сигнал (признак) определяет условие перехода, блок ПРОЦЕСС - какие выходные сигналы при данном переходе должен сформировать автомат. Исходное состояние цифрового автомата . Это значит, что автомат переходит в состояние в момент действия сигнала начальной установки. Выход из этого состояния происходит под действием внешнего сигнала, который в данной задаче не учитывается. 2 31 Рисунок 4. Алгоритм функционирования МПА 3. Разработка цифрового автомата по алгоритму функционирования 3.1 Определение состояний цифрового автомата по алгоритму Построение графаПо приведенному алгоритму (рис. 4) при выборе состояний необходимо учитывать следующие рекомендации:- исходное состояние соответствует заданию;- следующее состояние выбирается в порядке возрастания после каждого блока ПРОЦЕСС;- перед каждым блоком РЕШЕНИЕ, после каждой точки примыкания линии, указывающей направление перехода.На алгоритме состояние обозначается либо точкой, либо крестиком.По алгоритму функционирования определили, что схема цифрового автомата будет иметь 14 состояний , где - исходное состояние.Таблица 1. Кодирование состояний ЦА|
Состояние автомата | Двоичный код | | | | | | | | | 0 | 0 | 0 | 0 | | | 0 | 0 | 0 | 1 | | | 0 | 0 | 1 | 0 | | | 0 | 0 | 1 | 1 | | | 0 | 1 | 0 | 0 | | | 0 | 1 | 0 | 1 | | | 0 | 1 | 1 | 0 | | | 0 | 1 | 1 | 1 | | | 1 | 0 | 0 | 0 | | | 1 | 0 | 0 | 1 | | | 1 | 0 | 1 | 0 | | | 1 | 0 | 1 | 1 | | | 1 | 1 | 0 | 0 | | | 1 | 1 | 0 | 1 | | |
Для разработки ЦА используем микросхемы серии КР1531, для построения схемы памяти - D-триггер. Каждое из четырнадцати состояний автомата закодируем четырехразрядными двоичными числами. Хранение каждого разряда двоичного кода использует по одному триггеру, следовательно, блок памяти будет являться четырехразрядным параллельным регистром на D-триггерах.Таблица 2. Таблица переходов D-триггераПо алгоритму функционирования автомата построим граф. Состояние устройства в графе будет соответствовать вершинам (узлам графа), узлы соединяются дугами, показывающими направление перехода. На дугах записываются условия перехода и выходные сигналы.Читать граф следует так: автомат находится в исходном состоянии , затем под действием внешнего события он изменяет свое состояние на , при этом переходе должны быть сформированы выходные сигналы . Затем следует переход в состояние с формированием выходных сигналов . Из состояния переходим в , затем в . Из состояния возможен переход в состояние , либо . В состояние автомат перейдет, если внешнее условие (признак) равен 1 () с выдачей управляющих сигналов , а в состояние автомат перейдет, если этот же сигнал равен 0 () и т.д.2 31 Рисунок 5. Граф переходов автомата 3.2 Получение аналитических выражений, преобразование в заданный базисПосле построения графа переходим к заполнению таблицы функционирования комбинационного узла графа (см. Приложение 1 табл. 3). Предлагаемая таблица позволяет записать функции для любого числа переменных. Затем их следует внимательно проанализировать с целью возможного упрощения (минимизации) так как табличный способ не позволяет получить МДНФ или МКНФ. В этом случае оказывается достаточным к некоторым выражениям применить закон склеивания.Заполняется таблица 3 по графу перехода автомата. Пример заполнения первой строки: исходное состояние , которое закодировано как «0000», переходит в состояние с кодом «0001». Этот переход безусловный. Мы видим, что , а в новом состоянии . По таблице переходов D-триггера, чтобы получить , на вход в столбце «Сигналы управления триггерами» нужно подать 1, а на остальные подать 0. При данном переходе должны сформироваться сигналы . Аналогично заполняются остальные строки.По таблице функционирования комбинационного узла цифрового автомата составим аналитические выражения в СДНФ для выходных сигналов , а также сигналов управления триггерами . СДНФ функции представляет собой дизъюнкцию элементарных конъюнкций.Выходной сигнал должен быть сформирован, если автомат находится в состоянии , или в , или в , или , или , или , или в состоянии и признак = 1, или в состоянии и признак = 0. Аналогично записываются функции для остальных выходных сигналов и сигналов управления триггерами. |
| (5) | | | (6) | | | (7) | | | (8) | | | (9) | | | (10) | | | (11) | | | (12) | | | (13) | | | (14) | | | (15) | | |
Формулы (8), (13), (14) и (15) были упрощены с помощью закона склеивания. Используя законы двойного отрицания и формулы де Моргана, исходные выражения из базиса И, ИЛИ, НЕ преобразуем в базис И, НЕ.Остальные формулы преобразуются аналогично. 4. Выбор микросхем, их учет и расчет мощности, потребляемой цифровым автоматомКомбинационными схемами (далее - КС) называют логические схемы, у которых значения выходных сигналов полностью определяются входными в любой момент времени. Любую КС можно представить в виде схемы из базисных логических функций, например, в булевом базисе. Далее будут рассмотрены примеры синтеза типовых КС из логических элементов (ЛЭ).В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностями выпускается широкий ассортимент интегральных микросхем (ИМС), реализующих стандартные КС: дешифраторы, мультиплексоры, сумматоры и пр. Применение ИМС позволяет значительно сократить затраты и время на проектирование цифровых схем по сравнению с проектированием на ЛЭ.Следует отметить, что микросхемы различных серий, имеющие одинаковые названия, имеют одинаковые функциональное назначение, логику работы и расположение выводов (из этого правила существуют редкие исключения).В ряду ИМС технологий ТТЛ и ТТЛШ это серии 130, 131, 133, 134, 136, 155, 158, 530, 531, 533, 555, 1530, КР1530, 1531, КР1531, 1533 и КР1533. То есть, если известно функционирование ИМС, например, 155КП7, то аналогично работают ИМС 533КП7, 1533КП7 и т.д. (если они имеются в составе этих серий).Следует иметь в виду, что одинаковой будет у этих ИМС лишь таблица истинности, т.е. логика работы, другие же параметры (быстродействие, потребляемая мощность, входные и выходные токи и т.д.) будут другими.Из полученных расчётов можно сказать что наиболее удобно использовать следующие микросхемы: К555ЛА1, К555ЛА2, К555ЛАЗ, К555ЛА4, К555ИД6, К555ТМ8. Микросхема К555ЛН1, изображенная на рисунке. 6, содержит шесть логических элемента НЕ и является одной из самых распространенных в цифровой схемотехнике. Рисунок 6. Условно графическое обозначение К555ЛН1Микросхема К555ЛАЗ, изображенная на рисунок 7, содержит 4ЛЭ 2И-НЕ. Принцип работы этой микросхемы аналогичен с элементами К555ЛА4, К555ЛА2, К555ЛА1.Рисунок 7. Условно графическое обозначение К555ЛАЗМикросхема К555ЛА2 изображенная на рисунок 8, имеет 1ЛЭ 8И-НЕ. Рисунок 8. Условно графическое обозначение К555ЛА2Микросхема К555ИД3 представляет собой двоично-шестнадцатеричный дешифратор, у которого 4 входа и 16 выходов. Он образует лишь на одном из выходов сигнал низкого уровня, а на остальных высокого. Эта микросхема может дешифровать числа от 0 до 15, т.е. от состояния а0 до состояния а13, остальные выходы не используются.Рисунок 9. Условно графическое обозначение К555ИД3Микросхема К555ТМ8 представляет собой 4 Д - триггера с инверсными и прямыми входами, и вход К - установка в 0. Этот вход инверсный, и поэтому в рабочем состоянии необходимо поддерживать на входе логическую 1. Входы ^ - информационные. Вход С - прямой динамический, то есть переключение происходит при изменении синхросигнала с нулевого на единичное значение. Схема дешифратора необходима для того, чтобы преобразовать информацию с выходов триггеров в значение состояния а. Т.к. выходы инверсные, то соответственно полученные состояния а, на выходе будет формироваться логический 0. То есть выход Q0 соответствует D0, Q1 D1, Q2D2, QD3.Таблица 5. Таблица истинности микросхемы К555ТМ8|
Входы | Выходы | | С | К | ^ | 5 | 9 | | 0 | 1 | X | 0 | 0 | | __/----- | 1 | 1 | 1 | 0 | | __/---- | 1 | 0 | 0 | 1 | | X | 0 | X | 0 | 1 | | |
Рисунок 10. Условно графическое обозначение К555ТМ8По таблице 5 видим, что для записи 0 на В вход нужно подавать 0, для 1 подавать 1. Если на вход К подать сигнал 0 то триггер сохранит предыдущее состояние. Если синхросигнал равен 0, то триггер примет исходное состояние. Если на вход синхронизации будет подан сигнал по фронту, то на выходе триггера установиться состояние, которое было подано на информационный вход. Дадим характеристики токов, напряжений и мощности микросхем и рассчитаем общую мощность данной микросхемы. Параметры и характеристики даны в таблице.Таблица 6. Таблица микросхем для построения ЦА|
№ по порядку | Тип микросхемы | Номера микросхем | Кол-во лог. элем. | Кол-во микросхем | Примечание | | 1 | К555ТМ8 | DD1 | 4 | 1 | Синхр. Д-триггер | | 2 | К555ИД3 | DD2 | 1 | 1 | Дешифратор 4x16 | | 3 | К555ЛН1 | DD3-DD6 | 6 | 4 | 6 ЛЭ Не | | 4 | К555ЛАЗ | DD7-DD9 | 4 | 3 | 4 ЛЭ 2И-Не | | 5 | К555ЛА2 | DD10- DD20 | 11 | 11 | 1 ЛЭ 8И-Не | | |
Таблица 7. Электрические параметры микросхем.|
Тип микросхем | u0, B | u1, B | I°nom uA | Ilnom, MA | Inom, MA | Pnno мВт | Pnom. общ, мВт | | К555ТМ8 | <0,5 | >2,7 | <0,4 | <20 | <18 | 94,4 | 94,4 | | К5553ИД3 | <0,5 | >2,7 | <0,4 | <20 | <13 | 68,2 | 68,2 | | К555ЛН1 | <0,5 | >2,7 | <2,2 | <0,8 | <1,5 | 7,88 | 31,52 | | К555ЛАЗ | <0,5 | >2,7 | <4,4 | <1,6 | <3 | 15,75 | 47,25 | | К555ЛА2 | <0,5 | >2,7 | <у | <0,5 | <0,8 | 4,2 | 46,2 | | Итог потребляемой мощности ЦА | | | | | | | 287,57 | | |
Вывод: Рпот. общ. 287,57 мВтДля проверки работы схемы цифрового автомата выполнен переход управляющего устройства. Проверка показывала, что схема цифрового автомата работает в соответствии с заданным алгоритмом. 5. Исследование цифрового автомата на переходеДля проверки работы схемы цифрового автомата ВЫПОЛНЯЮ переход управляющего устройства из состояния а5 в состояние а6, которое происходит при наличии признака х3=0. В процессе этого перехода управляющее устройство должно сформировать на выходах у следующие уровни: y1=0, у2=0, у3=О, у4=1, у5=1, у6=0, у7=0. Так как новое состояние управляющего устройства й6 было закодировано через состояние триггеров 10000, то на входах триггеров должны быть сформированы следующие уровни: D4=1, D3=0, D2=0, D1=0.Таким образом, проверка показывает, что схема цифрового автомата работает в соответствии с заданным алгоритмом. ЗаключениеВ курсовом проекте была разработана схема управляющего устройства, принцип работы которого был определен алгоритмом функционирования. Схема цифрового автомата построена с использованием микросхем серии К555 имеющей достаточно высокое быстродействие. Комбинационный узел построен на логических элементах базиса И-Не. Общее количество микросхем 20, потребляемая мощность 287,57 - Вт.Работа схемы соответствует принципу функционирования заданному алгоритму. Список литературы1. Баранов С.Н. Автоматы и программируемые матрицы. - Москва. 1983 г.2. Калабеков Б.А., Мамзелов И.А. Цифровые устройства и процессорные системы. - Москва. Радио и связь. 1987 г.3. Основы дискретной автоматики: учебно-методическая разработка. Министерство связи СССР. МЗТС - Москва. Радио и связь. 1981 г.4. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. - Москва. Радио и связь. 1981 г.5. Помпелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. - Москва. Энергия. 1968 г.
Страницы: 1, 2
|
|
