Курсовая работа: Разработка арифметико-логического устройства

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Описание основных параметров используемой серии логических элементов

1.2 Особенности использования выбранной серии логических элементов

2.Расчётная часть

2.1 Составление минимизированного логического выражения для формирования выходного сигнала А

2.2 Разработка функциональной схемы для формирования выходного сигнала А

2.3 Разработка принципиальной схемы для формирования выходного сигнала А

2.4 Разработка логического выражения и функциональной схемы для формирования выходного сигнала В

2.5 Разработка принципиальной схемы для формирования выходного сигнала В

2.6 Разработка принципиальной схемы для формирования выходного сигнала С

2.7 Расчёт и выбор элементов входных и выходных УСО

2.7.1 Расчёт и выбор элементов входных УСО

2.7.2 Расчёт и выбор элементов выходного УСО

2.8 Описание работы устройства

3. Конструкторская часть

3.1 Разработка чертежа принципиальной схемы. Выбор элементов схемы

3.2 Разработка сборочного чертежа. Выбор вариантов установки элементов схемы

Заключение

Введение

В настоящее время для повышения производительности труда и других параметров технологических процессов, а также для облегчения труда людей и количества занятых рабочих в процессе производства автоматизация этих процессов. С развитием техники, в частности с появлением интегральных микросхем значительно увеличились возможности реализации автоматизированных систем, уменьшились их габариты, стоимость, увеличилась надежность.

В современной технике наиболее широко используются интегральные микросхемы на основе логик ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем, которые характеризуются общими технологическими и схемотехническими решениями, уровнями электрических сигналов и напряжением питания. Каждая серия микросхем содержит самые разнообразные цифровые устройства, характеризующих набором параметров, дающих подробное представление об этой серии. При определении параметров ориентируются на логические элементы - простейшие устройства серии микросхем. Выбор производится не по параметрам серии логических элементов, а по параметрам логических элементов данной серии. К наиболее важным параметрам относятся: быстродействие - время распространения сигнала, напряжение питания, входные и выходные напряжения высокого и низкого уровня.

Цель курсового проекта - разработать функциональную и принципиальную схемы для арифметико-логического устройства, выполненного в виде печатной платы, при минимальном количестве логических элементов КМОП и простоте конструкции.

1. Теоретическая часть 1.1 Описание основных параметров используемой серии логических элементов

Основные параметры микросхем на основе КМОП - логики представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные параметры микросхем на основе КМОП - логики

Наименование

Параметры КМОП серий К561 и 564

1. Напряжение питания, UПИТ, В

2. Напряжение уровня логической единицы, U1, В

3. Напряжение уровня логического нуля,

U0, В

4. Выходной ток нуля и единицы, I0,1, мА

5. Нагрузочная способность N

6. Потребляемый ток IПОТР, А

7. Время срабатывания tСРАБ, нс

8. Рассеиваемая мощность на элемент РРАС, мкВт

3 … 15

≥ 0,7 UПИТ

≤ 0,3 UПИТ

≥ 100

IПОТР = IВЫХ

200 … 20

0,4

1.2 Особенности использования выбранной серии логических элементов

Быстродействие микросхем КМОП растет пропорционально увеличению напряжения питания. Входы КМОП не должны оставаться не присоединенными. Статическая рассеиваемая мощность составляет - 0,4 мкВт на элемент. Помехоустойчивость для элементов КМОП достаточно велика, так как допустимо снижение напряжения уровня логической единицы U1 до 30% от напряжения питания. Микросхемы КМОП могут работать от сигналов ТТЛ при подключении резисторов утечки от хода КМОП на питание ТТЛ 5В. Импульсная помехоустойчивость растет, если длительность входных импульсов помехи меньше, чем среднее время задержки распространения сигнала в микросхеме. Высокое быстродействие логических элементов КМДП-типа обеспечивается тем, что паразитные емкости перезаряжаются через открытые транзисторы.

Необходимые меры защиты элементов КМОП:

1. Все входные сигналы не должны выходить за пределы напряжения питания UПИТ.

2. Нельзя соединять выходы элементов непосредственно, так как произойдет замыкание одного из каналов на источник питания.

3. Недопустимо применение емкости нагрузки СН > 5000 пФ, поскольку незаряженный конденсатор равнозначен перемычке.

4. Не допускается замыкание выходов элементов КМОП с повышенным выходным током на проводе питания.

Достоинства КМОП микросхем по сравнению с ТТЛ микросхемами:

1. Малая потребляемая мощность в статическом режиме;

2. Очень высокое входное сопротивление;

3. Большая нагрузочная способность (> 100);

4. Большой диапазон напряжения питания (3 - 15В);

5. Малая зависимость характеристик от температуры.

Недостатки КМОП микросхем:

1. Повышенное выходное сопротивление;

2. Большие времена задержки (200 нс);

3 Большой разброс всех параметров.

2. Расчётная часть 2.1 Составление минимизированного логического выражения для формирования выходного сигнала А

Состояние выходного сигнала А в зависимости от входных сигналов a,b,c,d определяется по таблице истинности представленной в таблице 2.

Таблица 2 - Таблица истинности выходного сигнала

a	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1
b	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1
c	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1
d	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1
A	1	1	0	1	Х	0	0	0	1	1	0	1	1	1	0	1

Более компактно таблицу истинности можно представить с помощью карты Карно. Контуры составляются по единицам. Карта представлена на рисунке 1. (X - принимаем 1.)

Рисунок 1 - Карта Карно

По полученным контурам составляется минимизированное логическое выражение для сигнала А.

Полученные логические выражения приводится к одной элементной базе на элементах И-НЕ при помощи правил Де Моргана.

. (1)

. (2)

2.2 Разработка функциональной схемы для формирования выходного сигнала А

По выражению (2) составляется функциональная схема для формирования выходного сигнала А, которая представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема для формирования выходного сигнала А

В полученной функциональной схеме на рисунке 2 используются одинаковые логические элементы. Функциональная схема, реализованная на элементах И-НЕ.

2.3 Разработка принципиальной схемы для формирования выходного сигнала А

Для реализации принципиальной схемы для формирования выходного сигнала А используются один корпуса микросхем К561ЛА7 и один корпус К561ЛА9. Для создания сигналов d, b и c используются соответственно нормально замкнутый контакт, нормально разомкнутый и перекидной контакт. С учётом их особенностей составляется принципиальная схема.

Рисунок 3 - Принципиальная схема для формирования выходного сигнала А

2.4 Разработка логического выражения и функциональной схемы для формирования выходного сигнала В

Состояние выходного сигнала В задано циклограммой, которая приведена на рисунке 4.