Генератор серий синхроимпульсов

Работа любой ЭВМ и любого цифрового устройства сопровождается передачей данных по тракту их обработки от предыдущих функциональных блоков и узлов к последующим. Взаимодействие этих блоков и узлов во времени организуется различными способами, рассмотренными в (1). Особо важную роль среди способов организации взаимодействия частей цифровых устройств и ЭВМ во времени играет синхронизация, осуществляемая с помощью специальных устройств синхронизации (синхронизаторов), сигналы от которых распределяются по всем частям ЭВМ. Эти сигналы разрешают прием и выдачу данных, а также тактируют процесс их обработки. Существуют однофазные и многофазные системы синхронизации. Многофазная синхронизация характеризуется наличием более чем двух серий (наборов) синхроимпульсов и применяется для увеличения быстродействия тактируемых устройств. Это осуществляется с помощью разбиения периода следования синхросигналов на несколько частей и использования в отдельных блоках ЭВМ или других цифровых устройств синхросигналов более высокой, чем основная, частоты. В данном случае необходимо разработать устройство синхронизации аналогичного назначения, формирующее четыре серии синхроимпульсов в соответствии с исходным ТЗ.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ РЕШЕНИЙ

1.1. Выбор и обоснование структурной схемы

Генератор может быть построен на основании четырехразрядного кольцевого счетчика и неполного линейного дешифратора, который можно реализовать на логических элементах, выполняющих функцию 2И.

Структурная схема генератора приведена на рис.1.1.

Рис. 1.1.Структурная схема генератора

СИ – тактовые синхроимпульсы

CT – кольцевой счетчик

DC – дешифратор

1.2. Разработка функциональных схем отдельных блоков устройства

На рис.1.2 приведена функциональная схема кольцевого счетчика, построенного на основе обычного сдвигового регистра со сдвигом вправо. В качестве разрядных триггеров использованы D – триггеры с прямым динамическим управлением. Благодаря тому, что триггеры имеют как прямой ( Q ), так и инверсный ( Q ) выход, на входе схемы дешифратора, подключенного к прямым и инверсным выходам счетчика, нет необходимости использовать дополнительные инверторы для получения парафазных кодов. Таблица состояний и временная диаграмма работы счетчика приведены соответственно в табл.1.1 и на рис.1.5.

На рис.1.3 приведена функциональная схема дешифратора, который представляет собой простой неполный линейный дешифратор. Работа дешифратора в статическом режиме полностью описывается с помощью таблицы состояний ( табл.1.1 ). Согласно этой таблице функциональная схема может быть реализована на основе следующих логических выражений:

Q1 = Q3 Ù Q2 (1)

Q2 = Q1 Ù Q0 (2)

Q3 = Q2 Ù Q3 (3)

Q4 = Q0 Ù Q1 (4)

Для реализации данных логических выражений достаточно воспользоваться четырьмя элементами, реализующих функцию 2И.

1.3 Алгоритм и временная диаграмма работы генератора и отдельных блоков

Временная диаграмма, иллюстрирующая работу как генератора в целом, так и его отдельных блоков, приведена рис. 1.3.

Таблица 1.1.

Таблица состояний счетчика

СИ

ВЫХОДЫ

Таблица 1.1.

Таблица состояний счетчика

ВХОДЫ

ВЫХОДЫ

Ф1

Ф2

Ф3

Ф4

Рис 1.2. Функциональная схема счетчика

Рис 1.3. Функциональная схема дешифратора

Функциональная схема задающего генератора ( G ) приведена на рис.1.4.

Рис 1.4. Функциональная схема генератора

1.4. Описание принципа действия

Так как после включения питания триггеры счетчика могут установиться в любое состояние ( ’’0’’ или ’’1’’), то перед началом работы необходимо установить все разрядные триггеры в нулевое состояние. Для этого на все входы установки в ''0'' разрядных триггеров ( R ) необходимо подать на короткое время сигнал низкого уровня, т.к. предложенные в задании триггеры имеют инверсный асинхронный вход установки в ''0''.

Длительность этого сигнала должна быть не меньше времени установки в ''0'' разрядных триггеров. Первый тактовый синхроимпульс, следующий после окончания сигнала ''сброс'', вызывает появление на выходе генератора первого фазового импульса Q1.

Работа генератора в статическом режиме полностью описывается таблицами состояний счетчика (табл. 1.1) и дешифратора (табл. 1.2). В динамическом режиме работа генератора осуществляется в соответствии с временной диаграммой, приведенной на рис. 1.5. Из этой временной диаграммы видно, что появляющийся на выходе дешифратора последовательно во времени импульсы управления с четырехфазным шаговым двигателем Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4 соответствуют временной диаграмме задания. Период следования и длительность импульсов Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 определяются частотой следования тактовых синхроимпульсов (СИ), поступающих от внешнего тактового генератора

Рис 1.5. Временная диаграмма работы генератора и его отдельных блоков

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

На основании структурной схемы генератора импульсных последовательностей, приведенной на рис. 1.1, а также функциональных схем отдельных блоков, разработанных в разд. 1.2, разработана принципиальная схема устройства, приведенная на черт. XXXXXXX.098033.010 Э3.

Генератор тактовых импульсов построен на двух инверторах DD1.1 и DD1.2, охваченных цепью положительной обратной связи. Стабильность частоты генерируемых прямоугольных импульсов обеспечивается за счет кварцевого резонатора XT,включенного в цепь положительной обратной связи по постоянному току между двумя инверторами DD1.1 и DD1.2. Резисторы R1 и R2 предназначены для смещения рабочей точки на амплитудно – передаточных характеристиках (АПХ) инверторов DD1.1 и DD1.2 на границу линейной области.

Для построения кольцевого счетчика на основе сдвигового регистра использована интегральная микросхема (ИМС) DD2 типа 1533 ТМ8, содержащая четыре D – триггера с прямым динамическим управлением, общими цепями синхронизации (С) и установки в ноль (R). Внешним монтажом все разрядные триггеры соединены последовательно друг с другом.

Инвертор DD1.3 предназначен для создания синхровхода счетчика с обратным динамическим управлением. Для построения неполного дешифратора с выходами Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4 использована ИМС DD3 типа 1533 ЛИ1, содержащая четыре логических элемента, реализующих функцию 2И.

Выбор любой из четырех серий синхроимпульсов Ф1, Ф2, Ф3 или Ф4 осуществляется с помощью мультиплексора размерностью 4 ® 1, реализованного в микросхеме DD4.1 типа 1533 ИП2.

Выбор любого из четырех входных направлений 01, 02, 03 или 04 осуществляется с помощью двухразрядного адресного кода, подаваемого на соответствующие входы А1 и А2 мультиплексора. В ИМС 1533 КП2 содержится два идентичных мультиплексора с общими адресными входами. Выбор необходимого MUX осуществляется с помощью разрешающих входов Е0 и Е1 (Enable). Для этого на вход Е0 подан сигнал логического нуля.

3. Расчет основных параметров и характеристик

3.1. Расчет временных характеристик

Основная задача этого раздела – определение допустимых значений временных характеристик (минимальная длительность импульса) входных сигналов и как следствие, значений параметров, характеризующих быстродействие всего устройства в целом.

Составим таблицу, характеризующую параметры микросхем.

3.2. Расчет надежности

Интенсивность отказов l характеризуется отношением числа отказавших изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени:

l = m/Nt , (3.1)

где m – число изделий, отказавших за время t,

N – число исправно работающих изделий к началу промежутка времени.

Если предположить, что отказы различных элементов взаимно независимы и каждый отказ носит катастрофический характер, т.е. полностью нарушает работоспособность, то интенсивность отказов устройства равна сумме интенсивностей отказов элементов составляющих устройство.

, (3.2)

где li – интенсивность отказов элементов i-го типа;

Сi – количество элементов i-го типа, входящих в устройство.

Наработка на отказ равна:

Т = 1/l (3.3)

Интенсивность отказа элементов следующая:

Микросхемы 1533^й серии 0,85 * 10^-6 (1/ч);

Резисторы 0,9 * 10^-6 (1/ч);

Тогда,

l = (17·0,85+2·0,9)·10^-6 = 16,25 · 10^-6 1/ч,

Т = 1/16,25 ·10^-6 = 0,062 ·10^-6 = 6,2 · 10^-4 (ч).

Обозначение	Наименование	Количество

	Конденсаторы
С1	КМ – 6 – 9 - 0,47 +- 10% ОЖО 464. 023 ТУ	1
С2	К73 – 9 - 10 ОЖО 468. 030 ТУ	1
С3, С4	КМ – 6 – 9 - 0,068 +- 10% ОЖО 464. 023 ТУ	2
	Резисторы
R1, R2	МЛТ – 0,125 – 100 кОм +- 10%	2
	Микросхемы
DD1, DD3	КР1533 ЛН1	2
DD2	КР 1533 ТМ8	1
DD4	КР 1533 ЛП2	1
	Кварц
XT	РВ – 72 – 20 МГц ТУ 18 – 780 - 780	1

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА

4.1. Моделирование генератора

Моделирование устройства осуществлялось с использовани- ем пакета прикладных программ '' Electronics Workbench '' 4.0 (EWB 4.0). Была продемонстрирована работа основных блоков устройства – счетчика и дешифратора. Тактовые синхроимпульсы на С-вход счетчика подавались от внешнего генератора, имеющегося в библиотеке приборов пакета EWB 4.0.

Триггеры и логические элементы, необходимые для построения счетчика и дешифратора, были взяты из соответствующих библиотек элементов пакета EWB 4.0. В связи с тем, что моделирование осуществлялось на основе функциональных схем, разработанных в разд. 1.2, библиотеки интегральных микросхем пакета EWB 4.0 не использовались.

Контроль необходимых сигналов в соответствии с временной диаграммой, разработанной в разд. 1.3, осуществлялся с помощью восьмиканального логического анализатора из библиотеки приборов пакета EWB 4.0.

Результаты, полученные в процессе работы на логическом анализаторе совпадают с результатами, представленными на временной диаграмме работы генератора и отдельных его блоков.