Разработка лабораторного макета для исследования мультиплексоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Разработка лабораторного макета для исследования мультиплексоров"

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Выбор и обоснование структурной схемы лабораторного макета

1.1 Выбор исследуемых параметров

1.2 Выбор структурной схемы

2. Разработка функциональной схемы лабораторного макета

2.1 Состав макета

2.2 Выбор элементной базы макета

3. Расчет электрических параметров схемы макета

4. Разработка принципиальной схемы лабораторного макета

4.1 Мультиплексор 4-1 на логических элементах

4.2 Мультиплексор 8-1 на интегральной схеме

4.3 Каскадное наращивание мультиплексоров

5. Конструкция макета

6. Разработка основных положений методических указаний для проведения лабораторной работы

6.1 Общие положения

6.2 Описание лабораторного макета

6.3 Порядок проведения работы

Заключение

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Мультиплексором называют устройство, предназначенное для передачи сигналов с любого из входов на одну общую выходную шину. Вход, с которого сигнал передается на выход, выбирают в зависимости от значения управляющего сигнала, задаваемого, например, в виде параллельного цифрового кода. Таким образом, задача, решаемая мультиплексором, по существу обратна задаче, которую решает распределитель.

Целью же данного курсового проекта является разработка лабораторного стенда для изучения работы таких устройств, как мультиплексоры.

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

1.1 Выбор исследуемых параметров

Работу любого мультиплексора всегда рассматривают относительно выхода У. Т.е. исследуют состояние этого выхода при подаче на входы логических сигналов различных уровней. Такими сигналами являются логический нуль - «0» и логическая единица - «1». Зависимость состояния выхода У от комбинации логических сигналов на входах легче всего показать в виде таблицы. Такую таблицу называют таблицей истинности. В эту таблицу заносятся все возможные комбинации логических сигналов на информационном и адресном входах мультиплексора и соответствующее им состояние выхода У.

Кроме того, работу мультиплексора можно также описать временными диаграммами. На эти диаграммы наносятся условно подаваемые на вход сигналы, распределенные во времени, и на их основе строится временная диаграмма, соответствующая состоянию выхода У.

В данном случае таблицы истинности и временные диаграммы будут являться основными исследуемыми параметрами.

1.2 Выбор структурной схемы

Для работы всего лабораторного стенда необходимо включить в схему макета блок питания, интегральные микросхемы не могут напрямую работать с напряжением сети 220В как с напряжением питания.

Т.к. для исследования работоспособности мультиплексора нам необходимо подавать на его входы различные комбинации логических сигналов, то в схему лабораторного стенда обязательно необходимо включить задатчики уровней логических сигналов. С их помощью мы сможем подать на входы мультиплексора логические сигналы и построить таблицу истинности либо описать работу регистра с помощью временных диаграмм.

Кроме того, для наблюдения за состояниями выхода мультиплексора и задаваемых уровней логических сигналов необходимо включить в макет блок индикационных устройств.

Таким образом, примерная структурная схема макета может иметь вид, показанный на рис.1.

Рисунок 1.1 - Структурная схема лабораторного макета

схема макет мультиплексор интегральный

2. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

2.1 Состав макета

В задании на данный курсовой проект не указана необходимость разработки принципиальных схем тактового генератора, блока питания, задатчика уровня логических сигналов и блока индикации. Поэтому данные устройства можно взять стандартными.

Поскольку уровни входных сигналов для мультиплексоров, точнее для элементов, на которых они построены, не превышают 5В, то блок питания для макета целесообразно взять на 5В. Этот выбор можно обосновать тем, что для подачи сигналов на входы мультиплексоров не придется прибегать к применению элементов снижающих напряжение, поступающее от блока питания на входы.

Исходя из вышесказанного, блок задатчика уровней логических сигналов можно реализовать на нескольких тумблерах и логических элементах непосредственно на макете, а не прибегать к использованию внешних источников с различными уровнями выходных сигналов.

Блок индикации можно реализовать на светодиодах, установленных непосредственно на значимых выходах соответствующих мультиплексоров, либо выделить их в отдельную линейку, к которой при помощи проводов с разъемами подключать выходы исследуемых устройств.

Коммутацию отдельных элементов при исследовании мультиплексоров на логических элементах и интегральных микросхемах целесообразно выполнять при помощи проводов с разъемами. Их также можно использовать для подачи сигналов на исследуемое устройство от задатчика уровней логических сигналов.

Согласно заданию для проекта, макет также должен содержать схемы для исследования работоспособности мультиплексора 4-1 на логических элементах и мультиплексор на интегральных микросхемах (ИМС).

Таким образом, функциональная схема лабораторного макета будет иметь вид, показанный на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема лабораторного макета

2.2 Выбор элементной базы макета

В настоящее время наиболее широко применяются микросхемы ТТЛ-типа, так как их параметры соответствуют требованиям разнообразной электронной аппаратуры. ТТЛ ИМС обладают сравнительно высоким быстродействием при относительно большой потребляемой мощности, высокой помехоустойчивостью и большой нагрузочной способностью.

Промышленность выпускает несколько разновидностей ТТЛ ИМС, в том числе ИМС с диодами Шоттки (ТТЛШ) повышенного быстродействия (но большей мощности потребления) и маломощные (но с меньшим быстродействием).

Микросхемы ЭСЛ-типа являются наиболее быстродействующими. Это обусловлено, в частности, тем, что транзисторы элемента работают в активном режиме, чем исключается время выхода из насыщения; перезаряд нагружающих выход емкостей происходит достаточно быстро через малое выходное сопротивление эмиттерных повторителей.

Наряду с высоким быстродействием и большой нагрузочной способностью ЭСЛ-элемент отличается меньшей, чем ТТЛ-элемент, помехоустойчивостью (ввиду того, что для его переключения достаточен небольшой перепад входного напряжения), а также относительно большим потреблением мощности (за счет работы транзисторов в активном режиме и малых сопротивлений резисторов, дополнительно обеспечивающих быстродействие), что повышает требования к источникам питания и системе охлаждения.

Микросхемы КМДП-типа отличаются исключительно малым потреблением мощности, за счет чего температура кристалла не превышает допустимой при весьма большом количестве компонентов на нем. Это позволяет изготовлять большие интегральные схемы (БИС) КМДП-типа с наивысшей в настоящее время степенью интеграции. Малая потребляемая мощность позволяет использовать аппаратуру на КМДП ИМС при ограниченных возможностях источников питания. Вместе с этим КМДП ИМС отличают высокая помехозащищенность и большое входное сопротивление, следствием чего является весьма высокая нагрузочная способность (большой коэффициент разветвления по выходу). Наряду с этим КМДП-элемент имеет ограниченный коэффициент объединения по входу. Это связано с тем, что число входов равно числу нагрузочных транзисторов; за счет значительного падения напряжения на большом количестве отпертых нагрузочных транзисторов напряжение U1 логической 1 на выходе может существенно снизиться. По быстродействию микросхемы КМДП-типа уступают микросхемам ЭСЛ- и ТТЛ-типов.

Заметим, что в ряде случаев цифровое устройство приходится выполнять на микросхемах разных типов (например, ТТЛ и ЭСЛ). При этом для согласования уровней логических 1, а также логических 0 применяют преобразователи уровней.

Промышленность выпускает микросхемы и других типов; в частности, диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и резисторно-транзисторной логики (РТЛ). ДТЛ ИМС представляют собой комбинацию диодной схемы И, и транзисторного инвертора. РТЛ ИМС -- комбинация резисторной схемы ИЛИ, и транзисторного инвертера. РТЛ и ДТЛ-типы микросхем относятся к ранним разработкам, не обладают необходимыми параметрами и выпускаются для ремонта аппаратуры, изготовленной ранее.

В табл. 1 сведены усредненные параметры элементов наиболее рассмотренных в общем использовании.

Таким образом, выбираем микросхемы ТТЛ серии К531, т.к они дают возможность подключать нагрузку с большей емкостью, обладают более высокими уровнями выходного тока низкого уровня, дают на выходе напряжение, необходимое для работы других логических устройств.

Из этой серии нам понадобятся следующие типы микросхем.

Микросхема КР531ЛН1 содержит 6 инверторов.

Рисунок 2.1 - УГО микросхемы КР531ЛН1

Микросхема КР531ЛИ3 содержит 3 логических элемента «3И»

Рисунок 2.2 - УГО микросхемы КР531ЛИ3

Микросхема КР1533ЛЛ1 содержит 4 логических элемента «2ИЛИ»

Рисунок 2.3 - УГО микросхемы КР1533ЛЛ1

Эти микросхемы понадобится нам для построения мультиплексора 4-1 на логических элементах.

Микросхема КР531КП15.

Микросхема содержит полный двоичный дешифратор для выбора одного из восьми источников данных, а также два дополняющих выхода с тремя состояниями. Наличие выходов с тремя состояниями позволяет использовать микросхему в системах с шинной организацией данных. Оба выхода устанавливаются в высокоимпедансное состояние при высоком уровне напряжения на входе управления Е.

Рисунок 2.4- УГО микросхемы КР531КП15

Микросхема КР531КП2.

Микросхема представляет собой сдвоенный селектор-мультиплексор 1 из 4 с общими входами выбора данных и раздельными входами стробирования.



Рисунок 2.4- УГО микросхемы КР531КП2

3. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАКЕТА

Поскольку в техническом задании на данный курсовой проект не было указано на необходимость расчета таких составных частей макета как блок питания, то нам остается лишь рассчитать номиналы сопротивлений для блока индикации.

Для индикации различных одиночных сигналов высокого уровня выбираем светодиоды типа АЛ336Б. Максимальный ток для такого диода равен 10мА. Максимальное напряжение 2В. Напряжение нашего блока питания составляет 5В. Таким образом, по закону Ома (см. рис. 3.1) величина сопротивления в цепи светодиода вычисляется следующим образом.

Рисунок 3.1 - Цепь светодиода для блока индикации

Ом.

Таким образом, резисторы для блока индикации выбираем типа МЛТ-0,5-300 Ом.

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

4.1 Мультиплексор 4-1 на логических элементах

Схема мультиплексора показан на рис. 4.1. Здесь х_г-- х₄ -- входные шины, на которые поступают одноименные входные сигналы. Код управляющего сигнала принят двухразрядным; он передается по шинам / и 2. На каждой из этих шин значение сигнала может соответствовать либо уровню логического «О», либо уровню логической «1». Двухразрядным кодом можно передавать четыре комбинации сигналов на шинах 1 и 2: [00] (0 -- на шинах 1 и 2), [01], [11] \ и [10]. Сигналы, передаваемые по шинам 1 и 2, должны управлять конъюнкторами У₃--У₆ выходного дешифратора. Поскольку при логическом «0» на входе выходной сигнал конъюнктора не может принимать значение логической «1», то в схеме мультиплексора приходится предусматривать инверторы У₁ и У₂ вырабатывающие логическую «1» на выходе при логическом «0» на соответствующей шине управляющего кода. Пусть при управляющем коде [00] сигнал на выходную шину у должен передаваться с сигнальной шины х₁ при управляющем коде [01]-- с сигнальной шины х₂ и т. д. Такая передача сигнала обеспечивается благодаря следующим переключениям в мультиплексоре: при управляющем коде [00] логический «0» присутствует на втором (втором сверху на рис. 9.15) входе конъюнктора У₆, втором и третьем входах конъюнктора Уь и третьем входе конъюнктора У₄. Если логический «0» присутствует хотя бы на одном входе конъюнктора, то согласно табл. 4.2 на его выходе не может быть логической «1» независимо от сигналов на остальных входах конъюнктора. Поэтому на выходы конъюнкторов У₄--У₆ логическая «1» передаваться не может. Однако при указанном коде [00] на выходах инверторов У₁ и У₂ сигнал равен логической «1». Соответственно логическая «1» подается на второй и третий входы конъюнктора У₃. Если на шине x_t действуют входные импульсы, то они через конъюнктор У₃ передаются на выход у. При смене кода, например, на [01] сигналы на выход поступают через конъюнктор У₄ со входной шины х₂ и т. д.

Данный мультиплексор нетрудно сделать синхронным, используя конъюнкторы У₃--У₆ с дополнительными (четвертыми) входами, которые следует подключить к источнику синхронизирующих импульсов.

Рисунок 4.1 - Схема электрическая принципиальная мультиплексора на логических элементах.

4.2 Мультиплексор 8-1 на интегральных микросхемах

Мультиплексор 8-1 в интегральном исполнении можно выполнить на базе микросхемы КР531КП15. Ее условно - графическое обозначения и назначения выводов приведено на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - УГО микросхемы КР531КП15

4.3 Каскадное наращивание мультиплексоров

Расширить разрядность мультиплексора можно включая их так как показано на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3- Схема электрическая принципиальная увеличения разрядности мультиплексоров.

Таким образом, принципиальная схема лабораторного макета примет вид, показанный на чертеже в графической части проекта.

5. КОНСТРУКЦИЯ МАКЕТА

На основании структурной схемы лабораторного макета, показанной на рис. 1.1, а также разработанной принципиальной схемы макета можно схематически представить вид передней панели макета.

Детальная схема расположения основных устройств на панели макета будет приведена в графической части проекта.

Рисунок 5.1 - Вид передней панели лабораторного макета

6. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Целью данной лабораторной работы будет:

- экспериментальное подтверждение материала, полученного на лекционных занятиях

- исследование работоспособности мультиплексоров

- приобретение навыков самостоятельного построения мультиплексоров на логических мэлементах и интегральных микросхемах.

6.1 Общие положения

Мультиплексором называют устройство, предназначенное для передачи сигналов с любого из входов на одну общую выходную шину. Вход, с которого сигнал передается на выход, выбирают в зависимости от значения управляющего сигнала, задаваемого, например, в виде параллельного цифрового кода. Таким образом, задача, решаемая мультиплексором, по существу обратна задаче, которую решает распределитель.

Мультиплексор 4-1 на логических элементах .

Схема мультиплексора показан на рис. 4.1. Здесь х_г-- х₄ -- входные шины, на которые поступают одноименные входные сигналы. Код управляющего сигнала принят двухразрядным; он передается по шинам / и 2. На каждой из этих шин значение сигнала может соответствовать либо уровню логического «О», либо уровню логической «1». Двухразрядным кодом можно передавать четыре комбинации сигналов на шинах 1 и 2: [00] (0 -- на шинах 1 и 2), [01], [11] \ и [10]. Сигналы, передаваемые по шинам 1 и 2, должны управлять конъюнкторами У₃--У₆ выходного дешифратора. Поскольку при логическом «0» на входе выходной сигнал конъюнктора не может принимать значение логической «1», то в схеме мультиплексора приходится предусматривать инверторы У₁ и У₂ вырабатывающие логическую «1» на выходе при логическом «0» на соответствующей шине управляющего кода. Пусть при управляющем коде [00] сигнал на выходную шину у должен передаваться с сигнальной шины х₁ при управляющем коде [01]-- с сигнальной шины х₂ и т. д. Такая передача сигнала обеспечивается благодаря следующим переключениям в мультиплексоре: при управляющем коде [00] логический «0» присутствует на втором (втором сверху на рис. 9.15) входе конъюнктора У₆, втором и третьем входах конъюнктора Уь и третьем входе конъюнктора У₄. Если логический «0» присутствует хотя бы на одном входе конъюнктора на его выходе не может быть логической «1» независимо от сигналов на остальных входах конъюнктора. Поэтому на выходы конъюнкторов У₄--У₆ логическая «1» передаваться не может. Однако при указанном коде [00] на выходах инверторов У₁ и У₂ сигнал равен логической «1». Соответственно логическая «1» подается на второй и третий входы конъюнктора У₃. Если на шине x_t действуют входные импульсы, то они через конъюнктор У₃ передаются на выход у. При смене кода, например, на [01] сигналы на выход поступают через конъюнктор У₄ со входной шины х₂ и т. д.

Данный мультиплексор нетрудно сделать синхронным, используя конъюнкторы У₃--У₆ с дополнительными (четвертыми) входами, которые следует подключить к источнику синхронизирующих импульсов.

Мультиплексор 8-1 на интегральных микросхемах

Мультиплексор 8-1 в интегральном исполнении можно выполнить на базе микросхемы КР531КП15. Ее условно - графическое обозначения и назначения выводов приведено на рисунке 4.2.

6.2 Описание лабораторного макета

В центральной части макета расположен мультиплексор на интегральной схеме, слева от него мультиплексор на логических элементах, спарава - схема наращивания разрядности мультиплексоров. Студенты на основе полученных ранее теоретических знаний должны подключить мультиплексор согласно заданию, используя этот набор.

Для подачи сигналов на входы мультиплексоров необходимо задействовать задатчики уровней логических сигналов в левой части макета, а в качестве синхронизирующего сигнала рекомендуется применить сигнал от тактирующего генератора.

Для наблюдения за переключением выхода мультиплексора рекомендуется подключать их к светодиодному табло в верхней части макета.

6.3 Порядок выполнения работы

Опыт 1.

1. Собрать схему мультиплексора на логических элементах, предварительно отключив питание макета.

2. Подключить выход мультиплексора к индикационному табло.

3. Подавая на входы мультиплексора сигналы с задатчика уровней сигналов получить таблицу истинности данного мультиплексора.

Опыт 2.

1. Произвести проверку работоспособности интегрального мультиплексора.

2. Повторить действия 2-3 из опыта 1

Опыт 3.

1. Собрать схему наращивания разрядности мультиплексоров, предварительно отключив питание макета.

2. Подключить выход мультиплексора к индикационному табло.

3. Подавая на входы мультиплексора сигналы с задатчика уровней сигналов получить таблицу истинности мультиплексора 16-1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного проектирования был разработан лабораторный макет для проведения лабораторных работ по предмету «Элементы и устройства ЭВТ». В состав макета входит довольно широкий набор исследуемых устройств, что позволяет досконально изучить мультиплексоры, были приведены подробные описания их функционирования, приведены схемы включения, таблицы истинности.

Также были разработаны методические указания к проведению лабораторной работы по исследованию мультиплексоров, даны подробные сведения по каждому из проводимых опытов.

В графической части проекта приведены принципиальная схема, а также чертеж передней панели макета.

Таким образом, в целом, данный проект полностью удовлетворяет заданию на курсовое проектирование.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника - М.: Высшая школа, 2003, 320 с.

2. Мальцева Л.А. и др. Основы цифровой техники - М.: Радио и связь, 1987, 128 с.

3. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики - М.: Энергоатомиздат, 1988, 320 с.

4. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на ИМС: Справочник - М.: Радио и связь, 1990, 304 с.

5. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник - М.: Радио и связь, 1989, 352 с.

6. Конспект лекций по предмету «Элементы и устройства вычислительной техники и связи»

ПРИЛОЖЕНИЕ

Размещено на Allbest.ru