Разработка схемы электронного коммутатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Широкое внедрение цифровой техники в отрасли связи связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции.

В результате на интегральных микросхемах стало возможным собирать сложнейшие устройства.

Цифровые методы передачи информации и цифровые устройства, реализованные на интегральных микросхемах, в том числе на микропроцессорных средствах, имеют широкие перспективы использования в цифровых системах передачи и приема информации. Их использование эффективно, прежде всего, в системах коммутации и системах передачи, а также в телевизионной, радиовещательной, радиоприемной и другой аппаратуре связи.

Цифровые способы обработки электрических сигналов, передачи и приема их в цифровой форме, обладают значительными преимуществами, такими как повышение помехозащищенности канала связи, уменьшение размеров оборудования, уменьшение потребления электроэнергии. Поэтому цифровые системы уже сейчас занимают главенствующее положение в технике связи, радиоэлектронной технике. Они состоят из импульсных и цифровых устройств осуществляющих усиление, генерирование, формирование, преобразование импульсных сигналов, используемых в системе. Цифровые устройства выполняют функции хранения и обработки цифровой информации, преобразование из аналоговой формы в цифровую и наоборот.

Независимо от функций выполняемых цифровыми устройствами, вводимую в них информацию и информацию выводимую из них представляют в форме кодовых комбинаций, элементами которых является логическая 1 и логический 0. В такой же форме циркулирует информация и внутри цифровых устройств. Таким образом, любая информация, включая и числа, в цифровых устройствах представляется последовательностью значений 0 и 1. При представлении чисел это приводит к необходимости отказа от десятичной системы счисления и использования таких систем счисления, в которых цифрами разрядов могли бы быть только 0 и 1.

Основная цель внедрения микропроцессорных средств вычислительной техники в связь заключается в повышении производительности труда работников отрасли, улучшении качества обслуживания абонентов и клиентуры, расширении видов предоставляемых услуг. К таким устройствам относится электронный коммутатор. Он используется в отраслях связи в основном как коммутатор абонентов. В настоящее время в телефонных системах коммутации широко используются электромагнитное рыле для коммутации сообщений, но в современных цифровых АТС и СП используется исключительно электронная коммутация, где основным элементом является электронный коммутатор. В связи с этим повысилась скорость коммутации и качество обслуживания абонентов.

1. Выбор и обоснование схемы структурной коммутатора

Структурная схема коммутатора содержит коммутатор входов, обеспечивающий выбор одного из 16 входов, при этом алгоритм коммутации в соответствии с вариантом 2 таблицы 1 задания, сигнал выхода 1 коммутатора поступает на коммутатор выходов n, который коммутирует на один из 16 выходов в соответствии с алгоритмом коммутации.

В качестве коммутатора входов используется мультиплексор на 16 входов, а в качестве коммутатора выходов демультиплексор на 32 выхода. Управление мультиплексором и демультиплексором осуществляется с помощью устройства управления, которое реализует заданный алгоритм коммутации. Алгоритм коммутации может быть реализован еще с помощью счетчиков и логической схемы, либо с использованием программируемой логической матрицы (ПЛМ), либо на базе постоянного запоминающего устройства, в котором запрограммирован алгоритм коммутации. Тактовый генератор осуществляет коммутацию с заданной частотой и синхронизирует работу всего коммутатора. Структурная схема разрабатываемого коммутатора приведена на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. Выбор серии ИМС

Выбираем в качестве наиболее вероятных для использования в схеме устройства следующие серии ИМС К155, К555, К561. В качестве критериев сравнения используем основные параметры выбранных серий ИМС:

тактовая частота;

- коэффициент разветвления по выходу;

- задержка распространения сигнала;

- номинальное напряжение питания;

- потребляемая мощность;

- стоимость.

Для каждого выбранного параметра устанавливаем весовой коэффициент Вj, соблюдая условие:

где j-номер выбранного параметра,

n-количество выбранных параметров(в данном случае n=6).

В соответствии с исходными данными максимальное значение весовых коэффициентов должно быть присвоено параметру тактовая частота. Установим значение весового коэффициента для этого параметра 0,5, а остальным 0,1.

Составим таблицу 1 сравниваемых параметров и их весовых коэффициентов.

Таблица 1 - сравниваемые параметры и их весовые коэффициенты

Серия ИМС	Параметры
	Тактовая Частота, МГц	Коэфф. Разветвл. по выходу	Задержка Распростр, нс	Номинальное напряжение питания, В	Потребляемая мощность, мВт	Средняя стоимость (относительная)
К155	10,0	10	12	5,0	40,0	0,4
К555	10,0	10	10	5,0	3,7	0,5
К561	2,0	20	50	5--15	0,1	0,2
Весовой коэф-нт	0,3	0,1	0,1	0,1	0,1	0,3

Составляем матрицу параметров выбранных серий ИМС вида Х

Для рассматриваемого примера матрица Х принимает вид

Преобразуем матрицу вида Х в матрицу вида Y. При этом параметры матрицы Х приводим к такому виду, чтобы большему числовому значению параметра соответствовало лучшее качество серии ИМС. Параметры, не удовлетворяющие этому условию, пересчитаем по формуле:

В матрице Х необходимо пересчитать столбцы 3, 5, 6. Таким образом, матрица Y, будет иметь вид:

Составляем матрицу А путём нормирования матрицы Y. Нормирование каждого параметра производится по формуле

Таким образом матрица А будет иметь вид

Произведём расчёт величины оценочной функции для каждой серии ИМС по формуле:

где Bj-весовой коэффициент j-го параметра,

аij-значение элемента матрицы А, соответствующее определённой серии ИМС.

Расчёт оценочных функций для выбранных серий ИМС даёт следующие значения:

Q155=0*0,3+0,5*0,1+0,17*0,1+0,5*0,1+0,9975*0,1+0,5*0,3=0,32

Q555=0*0,3+0,5*0,1+0*0,1+0,5*0,1+0,973*0,1+0,6*0,3=0,377

Q561=0,8*0,3+0*0,1+0,8*0,1+0*0,1+0*0,1+0*0,3=0,367

Минимальное значение имеет оценочная функция для серии ИМС К155, следовательно, эта серия является оптимальной для построения разрабатываемого устройства.

3. Выбор схемы электрической принципиальной и описание ее работы

Разработка схемы электрической принципиальной производится в следующей последовательности:

· разработка схемы электрической принципиальной коммутатора входов;

· разработка схемы электрической принципиальной коммутатора выходов;

· разработка схемы электрической принципиальной устройства управления.

При выборе серии ИМС для построения коммутатора входов и коммутатора выходов необходимо учитывать какой вид сигнала надо коммутировать: аналоговый или цифровой. Для коммутации цифрового сигнала можно использовать любую серию цифровых ИМС. Для коммутации аналогового сигнала рекомендуется использовать ИМС серии 155, выполненные по ТТЛ технологии. При выборе серии ИМС необходимо учитывать функциональный состав серии, быстродействие, нагрузочную способность, потребляемую мощность.

3.1 Разработка схемы электрической принципиальной коммутатора входов

Для построения коммутатора входов используем мультиплексор, который позволяет осуществить коммутацию одного из входов с выходом. Для этих целей используем мультиплексор К155КП1.

электронный коммутатор цифровой мультивибратор



Рисунок 2 - Схема мультиплексора К155КП1

Микросхема К155КП1 содержит четыре адресных входа 1,2,4,8; шестнадцать информационных входов D0 - D15 и стробированный вход S. Выход у этой микросхемы только инверсный.

Принцип работы микросхемы. При подаче на адресные входы 1,2,4,8 двоичного кода цифры 2 мультиплексор соединяет сигнал с входа D1 с выходом; при подаче двоичного кода цифры 5 - мультиплексор соединяет сигнал с входа D4 с выходом и т.д.

При подаче на вход стробирования S логической 1, на выходе будет 0 независимо от сигналов на других входах.

Первый мультиплексор:

Инф. вход	Вход S	Вход А1	Вход А2	Вход А3	Вход А4	Инф. вход	Вход S	Вход А1	Вход А2	Вход А3	Вход А4
D0	0	0	0	0	0	Нет соединения	1	0	0	0	0
D1	0	1	0	0	0		1	1	0	0	0
D2	0	0	1	0	0		1	0	1	0	0
D3	0	1	1	0	0		1	1	1	0	0
D4	0	0	0	1	0		1	0	0	1	0
D5	0	1	0	1	0		1	1	0	1	0
D6	0	0	1	1	0		1	0	1	1	0
D7	0	1	1	1	0		1	1	1	1	0
D8	0	0	0	0	1		1	0	0	0	1
D9	0	1	0	0	1		1	1	0	0	1
D10	0	0	1	0	1		1	0	1	0	1
D11	0	1	1	0	1		1	1	1	0	1
D12	0	0	0	1	1		1	0	0	1	1
D13	0	1	0	1	1		1	1	0	1	1
D14	0	0	1	1	1		1	0	1	1	1
D15	0	1	1	1	1		1	1	1	1	1

Таблица 1. Таблица истинности для коммутатора входов

3.2 Разработка схемы электрической принципиальной коммутатора выходов

Рисунок 3- Схема демультиплексора

Для построения коммутатора выходов используем дешифратор, который позволяет соединить вход с одним из выходов, адрес которого задан кодовой комбинацией на адресных входах, нам подходит микросхема К155ИД3

Дешифратор имеет четыре адресных входа 1,2,4,8, шестнадцать информационных входов D0 - D15 и 2 стробированных входа S. Выход у этих микросхем только инверсный.

Первый дешифратор:

Инф. Вход	Вход S	Вход А1	Вход А2	Вход А3	Вход А4	Инф. вход	Вход S	Вход А1	Вход А2	Вход А3	Вход А4
D0	0	0	0	0	0	Нет соединения	1	0	0	0	0
D1	0	1	0	0	0		1	1	0	0	0
D2	0	0	1	0	0		1	0	1	0	0
D3	0	1	1	0	0		1	1	1	0	0
D4	0	0	0	1	0		1	0	0	1	0
D5	0	1	0	1	0		1	1	0	1	0
D6	0	0	1	1	0		1	0	1	1	0
D7	0	1	1	1	0		1	1	1	1	0
D8	0	0	0	0	1		1	0	0	0	1
D9	0	1	0	0	1		1	1	0	0	1
D10	0	0	1	0	1		1	0	1	0	1
D11	0	1	1	0	1		1	1	1	0	1
D12	0	0	0	1	1		1	0	0	1	1
D13	0	1	0	1	1		1	1	0	1	1
D14	0	0	1	1	1		1	0	1	1	1
D15	0	1	1	1	1		1	1	1	1	1

Второй дешифротр:

нф. вход	Вход S	Вход А1	Вход А2	Вход А3	Вход А4	Инф. вход	Вход S	Вход А1	Вход А2	Вход А3	Вход А4
D16	0	0	0	0	0	Нет соединения	1	0	0	0	0
D17	0	1	0	0	0		1	1	0	0	0
D18	0	0	1	0	0		1	0	1	0	0
D19	0	1	1	0	0		1	1	1	0	0
D20	0	0	0	1	0		1	0	0	1	0
D21	0	1	0	1	0		1	1	0	1	0
D22	0	0	1	1	0		1	0	1	1	0
D23	0	1	1	1	0		1	1	1	1	0
D24	0	0	0	0	1		1	0	0	0	1
D25	0	1	0	0	1		1	1	0	0	1
D26	0	0	1	0	1		1	0	1	0	1
D27	0	1	1	0	1		1	1	1	0	1
D28	0	0	0	1	1		1	0	0	1	1
D29	0	1	0	1	1		1	1	0	1	1
D30	0	0	1	1	1		1	0	1	1	1
D31	0	1	1	1	1		1	1	1	1	1

Таблица 2 таблица истинности для коммутатора выходов

3.3 Разработка схемы электрической принципиальной устройства управления

Устройство управления должно обеспечивать заданный алгоритм коммутации входов с выходами. Разработка устройства будет произведена в следующей последовательности:

· разработка схемы управления, реализующей алгоритм коммутации входов;

· разработка схемы управления, реализующей алгоритм коммутации выходов;

· обеспечение совместной работы разработанных устройств управления в соответствии с алгоритмом коммутации.

Рассмотрим построение устройства управления, реализующего алгоритм коммутации 16 входов и 20 выходов в соответствии с вариантом 2, приведенного в таблице 3.

Вход	Выход
1	1
1	2
1	3
…	…
1	20
2	1
2	2
2	3
…	…
2	20
…	…
16	1
16	2
16	3
…	…
16	20

Таблица 3 Схема алгоритма соединения коммутаторов(2 вариант)

Чтобы обеспечить заданную последовательность коммутации входов, надо подавать на адресные входы мультиплексора последовательность кодовых комбинаций в соответствии с работой суммирующего счетчика с коэффициентом пересчета равным 16. Для этой цели выбираем счетчик типа К155ИЕ4.

Рисунок 4 Схема управления коммутатором входов

Построим устройство управления, реализующего алгоритм коммутации выходов в соответствии с вариантом 2. Анализ алгоритма показывает, что эта последовательность может быть реализована с помощью вычитающего счетчика с коэффициентом пересчета на 16. В качестве счетчика выбираем счетчик К155ИЕ7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 Схема управления коммутатором выходов

Входы +1 и -1 служат для подачи тактовых импульсов, +1 - при прямом счете, -1 - при обратном. Вход R служит для установки счетчика в 0, вход L - для предварительной записи в счетчик информации, поступающей по входам D1 - D8.Установка триггеров счетчика в 0 происходит при подаче лог 1 на вход R, при этом на входе L должна быть лог. 1. Для предварительной записи в счетчик любого числа от 0 до 9 его код следует подать на входы D1 - D8 (D1 - младший разряд, D8 - старший), при этом на входе R должен быть лог 0, и на вход L подать импульс отрицательной полярности Режим предварительной записи можно использовать для построения делителей частоты с перестраиваемым коэффициентом деления для учета фиксированной частоты (например, 465 кГц) в цифровой шкале радиоприемника Если этот режим не используется, на выходе L должен постоянно поддерживаться уровень лог 1 Первый импульс установки в 0 устанавливает все триггеры счетчика в 0. Три следующих импульса, поступающих на вход +1, переводят счетчик в состояние 3, которому соответствуют лог. 1 на выходах 1 и 2 и лог 0 - на 4 и 8. Если на входах D1 - D4 лог. 0, на входе D8 лог. 1, импульс на входе L устанавливает счетчик в состояние 8 Следующие

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 Схема устройства управления электронным коммутатором

4. Расчет тактового генератора

4.1 Принцип работы автоколебательного мультивибратора

Рассмотрим принцип работы мультивибратора, схема которого изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема трехэлементного мультивибратора

После включения питания какой-то из логических элементов примет одно из двух возможных состояний и тем самым повлияет на состояние других элементов. Предположим, что это будет элемент DD1.2, который оказался в единичном состоянии. Через элементы DD1.1 и DD1.2 заряжается конденсатор и элемент DD1.1 оказывается в нулевом состоянии. В таком же состоянии оказывается и элемент DD1.3, поскольку на его входах уровень логической единицы. Такое положение неустойчиво, поскольку на выходе элемента DD1.3 уровень логического 0, и конденсатор начинается разряжаться через резистор R1 выходной каскад элемента DD1.3. По мере разрядки положительное напряжение на входе элемента DD1.1 уменьшается. Как только оно станет равным пороговому значению, этот элемент переключается в единичное состояние, а элемент DD1.2 - в нулевое. Конденсатор начнет разряжаться через элемент DD1.3 (на его выходе теперь уровень логической 1), резистор R1 и элемент DD1.2. вскоре напряжение на входе первого элемента превысит пороговое, и все элементы переключаются в противоположное состояние. Так формируются электрические импульсы на выходе мультивибратора.

Двухэлементный мультивибратор изображен на рисунке 8.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 Схема двухэлементного мультивибратора

В принципе работа двухэлементного мультивибратора не отличается от работы трехэлементного.

Когда, к примеру, элемент DD1.1 находится в единичном состоянии, а элемент DD1.2 в нулевом, конденсатор заряжается через резистор, выход первого элемента и выход второго. Как только напряжение на входе первого элемента достигнет порогового, оба элемента переключаются в противоположное состояние, и конденсатор начнет разряжаться через выходную цепь второго элемента, резистор и выходную цепь первого элемента. Когда напряжение на входе первого элемента упадет до порогового значения, элементы вновь переключаться в противоположное состояние.

Временная диаграмма работы двухэлементного мультивибратора приведена на рисунке 9.



Рисунок 9 Временная диаграмма

В заключении надо отметить, что расчет параметров трехэлементного и двухэлементного мультивибраторов одинаковый. Однако, трехэлементный мультивибратор работает более устойчиво особенно на низких частотах и форма импульсов лучше (более прямоугольная).

4.2 Электрический расчет генератора

4.2.1 Определение длительностей основных стадий переходного процесса.

Произведем расчет по формулам 9 и 10.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где U0 - напряжение логического нуля;

U1 - напряжение логической единицы;

Uп - пороговое напряжение;

I1вх - входной ток при Uвх > Un;

Rвх - входное сопротивление микросхемы.

Таблица 2 - Типовые данные интегральных микросхем

Параметр	Серия микросхемы
	ТТЛ (155,555,1555)	КМОП (561,1561,564)
Uвх, В	0,2	0,5
U1, В	3,5	8,5
Uп, В	1,4	3,5
Rвх, Ом	1200	100000
R1 (выбирается)	240 Ом - 4,1 кОм	1 кОм - 1 МОм
I1вх, А	0,00001	0,000001

В качестве постоянного резистора используем резистор с сопротивлением 1200 Ом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

4.2.2 Определение периода колебаний производим по формуле (11).

Размещено на http://www.allbest.ru/

где t0 - период колебаний.

Размещено на http://www.allbest.ru/

4.2.3 По заданному значению частоты (f0) в соответствии с выражениями (12) и (13) определим емкость конденсатора.

t0 = 1/f0

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

С1=4,36 *10-10 Ф

4.2.4 Рассчитываем значение частоты по выражению (14) при выбранных значениях резистора R1 и конденсатора С1. Допустимая погрешность частоты 10%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

f=789624 Гц

Рассчитаем погрешность по формуле (15).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Так как погрешность расчетов не превышает допустимые значения (10%), следовательно, расчетные элементы можно использовать для построения на их основе генератора.

5. Моделирование электронного коммутатора

Моделирование электронного коммутатора производилось с помощью программы моделирования электронной схемы на компьютере, таких как: ВАРИАНТ, Micro Cap, Electronics Workbench.

Заключение

В результате курсового проекта был разработан коммутатор на 32 входа; 16 выходов; с частотой коммутации 850 кГц, в соответствии с 3 вариантом коммутации.

В разделе «Введение» было объяснено зачем используют электронные приборы и какую роль они играют в жизни человека.

В разделе «Выбор серии ИМС» выбрали микросхему среди многих других, которая удовлетворяет нашим потребностям по многим показателям.

В разделе «Выбор схемы электрической принципиальной» разработали схему электрическую принципиальную и описали ее работу.

В разделе «Расчет тактового генератора» выбрали тактовый генератор, описали принцип ее работы и рассчитали значения емкости и сопротивления для частоты коммутации необходимой нам по заданию.

В разделе «Моделирование электронного коммутатора» были предоставлены программы моделирования, в которых было произведено проектирование схемы электронного коммутатора и проверка ее работоспособности.

В разделе «Графическая часть» выполнена схема электрическая принципиальная.

В результате проверки было выявлено, что данная схема соответствует условию задания.

Разработанная схема электронного коммутатора позволяет осуществить передачу информации с нескольких адресов по мультиплексорной шине и дальнейшего их распространения к каждому выходу по заданному алгоритму коммутации.

Данная схема может быть использована для организации связи. Она компактна, надежна и обладает высоким быстродействием.

Список литературы

1. Данилов Р.В., Ельцова С.А. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике. - М.: Радио и связь, 1988

2. Дьяконов В.П. Расчет нелинейных и импульсных устройств на программируемых микрокалькуляторах. - М.: Радио и связь, 1984

3. Бирюков С.А. Применение микросхем ТТЛ и КМОП. - М.: ДМК,1999

4. Калабеков В.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М.: Радио и связь, 2000

5. Казаринова Ю.М. Проектирование импульсных и цифровых радиотехнических устройств. - М.: Высшая школа, 1985

6. Тарабрина Б.В. Справочник по интегральным микросхемам. - М.: Радио и связь, 1996

Размещено на Allbest.ru