Комбинационная схема управляющая семисегментным индикатором

Введение

Микроэлектроника — это современная квинтэссенция электроники, в которой ее информационные свойства достигают максимума, то есть плотность потоков информации на единицу веса намного превосходят таковую в остальной электронике, а тем более в электротехнике. Задача микроэлектроники — сугубо обработка информации.

Также, как в свое время электроника выделилась из электротехники своими информационными функциями, — сначала лишь передачей информации (телеграфия XIX века, телефония на рубеже XIX — XX веков, радиотехника в первой половине XX века), а затем управлением (релейная техника, управление электрическими сетями и электроприводом), сбором и обработкой информации, так же и микроэлектроника выделилась из электроники, как ее передовая часть, с еще большим превалированием информационных потоков над энергетическими и вещественными. Микроэлектроника родилась не сразу, а эволюционно, в течение многих десятилетий.

Рассматривая это развитие в ключе электронного конструктива и монтажа, можно выделить следующие этапы развития.

На первом этапе технология электроники опиралась на навесной радиотехнический монтаж: навесные детали, паяные соединения монтажным проводом, клеммники, разъемы. Этот этап длился около столетия — с середины XIX века по середину XX века.

В 1940;х годах появилась новая технология — печатные платы. Их изготовляли методом фотолитографии с последующим травлением фольгированных диэлектрических листов, печатных плат. Новая технология позволила сократить затраты ручного труда на пайку и монтаж. Появились автоматизированные монтажные линии, осуществлявшие автоматическую сборку деталей на печатных платах и пайку волной, то есть кратковременным погружением в кювету с припоем. Электронные устройства стали более миниатюрными, модульными, легкими, устойчивыми к механическим воздействиям, более надежными благодаря замене навесных проводов печатными проводниками, плотно приклеенными к основанию платы.

В связи с изобретением точечного германиевого транзистора в 1948 году в лаборатории Bell Telephone Laboratories и созданием плоскостных кремниевых транзисторов в 1953 году на фирме Texas Instrument Incorporation и налаживанием их группового производства, которые в отличие от электронных ламп не рассеивали большого количества тепла, в 1950;х годах появилась технология микромодульного монтажа, когда сложный интегральный модуль собирался в виде этажерки отдельных микромодулей — маленьких печатных плат стандартного размера. При этом достигалась высокая плотность упаковки электронных компонентов. Однако эта технология быстро изжила себя в связи с появлением следующего поколения монтажа, но впоследствии возродилась в виде многослойных печатных плат.

В 1960;х годах появились первые микросхемы — гибридные интегральные схемы на основе тонкопленочной технологии, когда проводники изготавливались напылением металла на тонкие диэлектрические (обычно стеклянные) пластинки — подложки. На них пайкой монтировались бескорпусные электронные компоненты: транзисторы, диоды, емкости и резисторы. Последние часто изготавливались напылением резистивного слоя на стеклянную подложку.

После создания первой интегральной схемы на основе монокристаллической полупроводниковой технологии в 1961 году на фирме Fairchild Semiconductor, представляющей собой триггер, состоящий из четырех биполярных транзисторов и двух резисторов, началось развитие настоящих полупроводниковых микросхем, которые вначале часто использовались как электронные компоненты гибридных микросхем. Таким образом, в 1970;х годах произошел поворот электронной промышленности к разработке всё более сложных микросхем, использующих лишь единственный кристалл кремния («чип»).

1. Общая часть

1.1 Назначение устройства На рисунке в виде «черного ящика» показана комбинационная схема (КС) управляющая семисегментным индикатором.

На вход схемы подаются различные комбинации двоичных сигналов X1 — X4. На индикатор предполагается выводить лишь отдельные цифры из множества шестнадцатеричных цифр. На выходе Y должна быть единица, если соединенный с этим выходом сегмент должен загореться при отображении цифр (для функциональной схемы).

Требуется:

1. Составить совмещенную таблицу истинности для X1 — X4, комплект карт Карно для функции Y, провести минимизацию в СДНФ и записать логические формулы, выражающие Y через X1 — X4, выполнить преобразование этих формул к виду, обеспечивающему минимально возможную реализацию КС в системе логических элементов ТТЛ серии типа К155 или К555;

2. Выполнить принципиальную электрическую схему устройства.

3. Провести расчет быстродействия и мощности.

4. Выполнить расчет надежности.

1.2 Составление таблицы истинности работы устройства Для создания электрической принципиальной схемы выстраиваем таблицу истинности работы устройства по следующему набору комбинаций 1,2,3,5,7,9,A, B, С.

1.3 Минимизация логической функции Карты Карно представляют собой специально организованные таблицы соответствия, на которых удобно осуществляются операции склеивания при упрощении функции на пути к минимальным формам. Столбцы и строки таблицы соответствуют всевозможным наборам значений переменных, причем эти наборы расположены в таком порядке, что каждый последующий отличается от предыдущего только одной из переменных. Благодаря этому соседние ячейки по горизонтали и вертикали отличаются значением только одной переменной. Ячейки, расположенные по краям таблицы, также считаются соседними и обладают этим свойством.

Составление СДНФ по таблице, построение карт Карно и минимизирование их.

1.4 Выбор и обоснование функциональной схемы устройства

Построение схемы на основе карт Карно

1.5 Выбор и обоснование элементной базы проектируемого устройства Синтез электрической принципиальной схемы в базисе «И-НЕ» можно сделать путем преобразования следующих формул:

Я сделал это потому что в базисе «ИЛИ» нету 4-х и 5-ти ходовых микросхем серии К155 и К555.

В результате получаем схемы отрицания:

Для проектирования устройства было предложено выбрать элементы ТТЛ серий К155 и К555.

В таблице показано сравнение главных характеристик выбранных микросхем К155 и К555 серий.

После сравнения характеристик этих двух серий я выбрал К555 серию, так как:

1. Коэффициент разветвления у неё в два раза больше, чем у 155 серии, что в дальнейшем даст возможность не использовать дополнительные резисторы на входе схемы;

2. Элементы К555 серии потребляют меньше мощности в отличие от серии 155, так как при незначительном отличии в быстродействии, разница в энергопотреблении очень существенна.

Потребляемая мощность — значение мощности, потребляемой микросхемой от источников питания в заданном режиме;

Время задержки — интервал времени между входным и выходным импульсами.

Коэффициент разветвления — число единичных нагрузок, которые можно подключить одновременно к выходу микросхемы.

В моей схеме используется микросхемы серии К555: ЛА1, ЛА2, ЛА4, ЛН1.

В качестве индикатора выбран семисегментный индикатор АЛС113Е, так как у него низкая потребляемая мощность как и у микросхем серии К555, что подходит под эту серию микросхем.

Элементная база устройства

Цифровой индикатор АЛС113Е.

2. Специальная часть

2.1 Ориентировочный расчет быстродействия и потребляемой мощности устройства Расчет быстродействия устройства:

Ток индикатора равен 5мА, а напряжение равно 2 В. Из этого следует, что мощность индикатора равна Р = I * U :

Pинд = 5 * 2 = 10мВт Расчет мощности устройства:

2.2 Расчет вероятности безотказной работы устройства сравнения и среднего времени наработки на отказ семисегментный индикатор электрический схема Данные для расчета надежности устройства показаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Расчет надёжности устройства:

Расчет времени наработки до отказа:

Расчет Р (t) производится по общей формуле .

Имея значения P (t) в десяти точках, можно построить графически зависимость P (t).

Заключение

В данном курсовом проекте я разработал электрическую принципиальную схему управления семисегментного индикатора.

По заданию, я составил таблицы истинности и минимизировал логическую функцию. Затем получил сигналы которые поступят на индикатор, пройдя инверсию. Преобразовав полученные формулы и выделив повторяющиеся блоки, оптимизировал работу схемы. В схеме используются микросхемы серии К555, так как во-первых они новее чем серия К155, а во-вторых они потребляют меньше мощности. Также рассчитывал быстродействие, потребляемую мощность, вероятность безотказной работы устройства. Затем графически показал зависимость P (t).

1. Мышляева И. М. «Цифровая схемотехника: Учебник для сред. проф. Образования / Ирина Михайловна Мышляева. — М.: Издательский центр „Академия“, 2005. — 400с.»

2. Голомедова А. В. «Полупроводниковые приборы, диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/А.Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В Мокряков и др.; Под ред. А. В. Голомедова — М: Радио и связь, 1988 — 592 с.: ил»

3. Нефедов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Серии К544-К564.-М.; KУбК-а, 1997г

4. http://alnam.ru/book_spre.php?id=16

5. http://bourabai.kz/toe/ic0.htm