Материал: 3 варіант частина 1

Міністерство освіти та науки України

Сумський державний університет

Факультет електроніки та інформаційних технологій

Кафедра наноелектроніки

Курсова робота

з дисципліни «Цифрова схемотехніка»

на тему «Проектування цифрового пристрою»

Варіант № 3

Виконав: студент групи ФЕ-31

Гапон В. І.

Перевірила: Протасова Т.А.

Суми – 2017

Зміст

Розділ 1. Літературний огляд. Аналіз методів вимірювання часових інтервалів.

Розділ 2. Розробка структурної та функціональної схем пристрою

1. Розробка структурної схеми пристрою

2. Розробка функціональної схеми пристрою

Розділ 3. Розробка принципової схеми пристрою

3.1 Вибір елементної бази

3.2 Проектування схем виділення фронтів часового інтервалу

3.3 Проектування генератора

3.4 Проектування розрахункового пристрою

3.5 Проектування блоку виводу в пристрій обробки

3.6 Проектування блоку індикації

3.7 Проектування блоку управління

Висновок

Список літератури

1. Літературний огляд. Аналіз методів вимірювання часових інтервалів

Рішення багатьох наукових і технічних проблем пов'язано з вимірюванням інтервалів часу, які розділяють два характерних моменту будь-якого процесу.

Розділ метрології, що займається вивченням методів і засобів вимірювання часу і інтервалів часу, називають хронометрією. Властивості часу як об'єкта вимірювань визначають його фізичним змістом. Головними з них є: одномірність, односпрямованість, нескінченність, однорідність і циклічність.

Вимірювання інтервалів часу необхідні при розробці та випробуванні всіляких схем затримки і синхронізації, при дослідженні цифрових систем, багатоканальних систем з тимчасовим поділом каналів, застосовуваних у техніці зв'язку і радіотелеметрії, пристроїв телекерування і автоматичної комутації, апаратури, використовуваної в ядерній фізиці, обчислювальної техніки і т . д. Подібні вимірювання особливо потрібні в приладобудуванні, оскільки в багатьох випадках використовуються в ній перетворення аналогових величин в цифровий код здійснюються в результаті проміжного перетворення вимірюваної фізичної величини в інтервал часу.

Розглянемо методи вимірювання інтервалів часу. За способом вимірювання та відображення інформації вимірювачі тимчасових інтервалів діляться на осцилографічні та цифрові.

Недоліком осцилографічних вимірювачів часових інтервалів є мала чутливість індикатора, яка обмежується мінімально допустимим рівнем зображення на екрані ЕПТ.

До числа найбільш відомих належать методи дискретного рахунку (перетворення інтервалу часу в цифровий код), тимчасових розгорток, нульовий і збіги.

При вимірюванні інтервалів часу цифровими методами використовують пристрої, які називаються цифровими лічильниками імпульсів.

Ці пристрої відносяться до інтегральних систем послідовного типу і реалізуються на основі тригерів.

Тригер (від англійського trigger) - спусковий пристрій з набором стійких станів, в яких воно може перебувати скільки завгодно довго.

Якщо таких стійких станів два, то такий тригер називається бістабільний.

Вплив зовнішнього сигналу переводить тригер в протилежний стан. Кожному стану тригера відповідають певні сигнали на виходах, що відрізняються високим або низьким рівнями.

Якщо у тригера більше двох стійких станів, то говорять про мультистабільні тригер. В основі електронного тригера лежить схема бістабільної осередки.

Кожна обчислювальна система містить кілька лічильників, призначених для підрахунку числа подій, часових інтервалів, а також упорядкування подій у хронологічній послідовності.

Лічильники імпульсів поділяють на дві групи: прості і реверсивні. Прості лічильники можуть бути сумуючими, покази яких збільшуються на одиницю з приходом кожного наступного імпульсу, і віднімальні, показання яких відповідно зменшуються на одиницю. Реверсивні лічильники можуть працювати одночасно як підсумовуючі так і віднімальні і є по суті комбінаціями цих лічильників.

Розглянемо найбільш поширені цифрові методи вимірювання інтервалів часу.

Вимірювання часових інтервалів

Процес вимірювання інтервалів часу можна здійснити багатьма методами.

Розглянемо деякі з них:

1) Метод послідовного рахунку. Суть методу послідовного рахунки полягає у поданні вимірюваного інтервалу τ у вигляді послідовності деякої кількості імпульсів, наступних один за одним через однакові еталонні проміжки часу.

Пристрій, що реалізовує цей метод, називають перетворювачем послідовного рахунку.

На часовий селектор надходять імпульси з генератора квантів послідовності. Часовий селектор управляється прямокутним імпульсом, тривалість якого дорівнює вимірюваній інтервалу τ. Керуючий імпульс формується блоком формування. При наявності керуючого імпульсу через селектор проходять імпульси, які потім реєструються лічильником.

2) Метод затриманих збігів. Нижче наведена функціональна схема. Схема має вимірюваний інтервал, який задається двома імпульсами.

Рисунок 1 - Функціональна схема методу затриманих збігів

У цьому випадку метод затриманих збігів використовується для обліку ділянки Δτ перетворювача послідовного рахунку.

Рахунок ділянки Δτ можна здійснити також за допомогою методу затриманих збігів, але для цього існують спеціальні методи.

Імпульси з генератора квантів послідовності через схему збігу СС, керовану тригером, надходять одночасно на лічильник і лінію затримки JI31 Л32, ..., Л3n з часом затримки кожної секції τ0 / n. Виводи від кожної секції лінії приєднані до одного з входів схем збігів CC1, СС2, ..., ССn. Другі входи схем збігів з'єднані з одним з виходів тригера.

При надходженні стартового імпульсу відкривається схема збігу і лічильник реєструє імпульси з його виходу. При цьому схеми збігів закриті низьким потенціалом, що знімається з тригера. З приходом стопового імпульсу припиняється рахунок імпульсів, що надходять зі схеми збігу. Перепад напруги тригера відкриває схеми збігів. При цьому якщо стоповий імпульс приходить в момент часу, коли останній імпульс збігів знаходиться в m-й секції лінії затримки, то імпульси з'являться на виходах схем від СС1 до ССn. Імпульси збігу надходять далі на пристрій дешифрування і індикації.

3) Ноніусний метод застосовується в техніці вимірювання інтервалів часу в якості засобу зменшення похибки перетворювачів послідовного рахунки, також застосовується і в якості самостійного методу побудови деяких вимірювальних пристроїв. На рисунку 3 наведена функціональна схема вимірювача інтервалів часу ноніусним методом зменшення похибки Δτ2 і з синхронізацією стартового імпульсу (Δτ1 = 0).

Рисунок 2 - Функціональна схема вимірювача по ноніусному методу

Імпульси з генератора квантів послідовності надходять на входи схем збіги і на вхід дільника частоти. Дільник частоти формує імпульси. Одночасно імпульси подільника відкривають схему збігу, вихідні імпульси якого реєструються лічильником грубого відліку. Генератор ноніусних імпульсів запускається стоповим імпульсом. Генеруються їм імпульси з періодом τ=(n-1)/n. Через деякий проміжок часу, що залежить від тривалості ділянки τ0 - Δτ2, відбудеться збіг імпульсів квантів і ноніусної послідовностей. Імпульс схеми збігу блокує генератор ноніусних імпульсів. Очевидно, що кількість імпульсів, зареєстрованих лічильником, пропорційна тривалості ділянки τ0 - Δτ2.

Істотним недоліком ноніусного методу є незручність відліку результатів вимірювань за кількома табло з подальшими обчисленнями.

4) Методи з проміжним перетворенням

Розглянемо цей метод на прикладі його застосування в перетворювачі послідовного рахунку з метою врахування ділянки Δτ2. Для простоти, приймаємо, що стартовий імпульс синхронізований з імпульсами квантової послідовності.

Рисунок 3. Функціональна схема вимірювального пристрою з проміжними перетвореннями

Імпульси квантуючої послідовності з генератора надходять на перші входи схем збігу 1 і 2, які за другим входів управляються тригером. З приходом стартового імпульсу тригер перекидається, при цьому відкривається схема збігу 2 і закривається схема збігу 1. Починає працювати схема грубого вимірювання часу, що складається з схеми збігу 2 і лічильника.

Стоповий імпульс повертає тригер в вихідне положення, закривається схема збігу 2 і відкривається схема збігу 1. Стоповий імпульс одночасно надходить на перетворювач час - амплітуда і запускає його. Перший імпульс з виходу схеми збігу 1 припиняє роботу перетворювача. На виході перетворювача при цьому виникає імпульс, амплітуда якого пропорційна тривалості інтервалу між двома імпульсами - стоповим і першим імпульсом з виходу схеми збігу 1, тобто пропорційна ділянці Δτ2.

5) Вимірювання методом порівняння тимчасових інтервалів.

 Вимірювач часових інтервалів призначений для вимірювання часових інтервалів періодичних процесів мікросекундного діапазону тривалостей. В основу роботи приладу покладено компенсаційний метод вимірювання часових інтервалів. Вимірюваний інтервал порівнюється з відомим, при цьому відомий часовий інтервал задається джерелом тимчасових зрушень, а момент компенсації вимірюваного тимчасового інтервалу зразковим фіксується за допомогою осцилографічного індикатора.

Рисунок 4 - Структурна схема

Процес вимірювання часових інтервалів зводиться до наступного: початок вимірюваного інтервалу, що подається на вхід системи вертикального відхилення індикатора, суміщають з візирної відміткою на екрані. Потім зміною затримки імпульсу, що запускає розгортку індикатора, кінець часового інтервалу суміщають з тією ж позначкою. Вимірюваний інтервал дорівнює значенню зміни затримки. Джерело тимчасових зрушень дозволяє отримати два імпульси з регульованим тимчасовим зрушенням між ними: пусковий імпульс - для запуску досліджуваного пристрою; затриманий імпульс - для запуску чекає розгортки електронно-променевого індикатора.

У цій роботі ми будимо використовувати метод послідовного рахунку, цей метод є більш універсальним і інші методи є пов'язаними з методом послідовного рахунку.