Материал: Проектирование цифрового универсального триггера

Проектирование цифрового универсального триггера

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Общие сведения об устройстве

1.2 Структура универсального триггера

1.3 Принцип действия устройства

2. Основная часть

2.1 Выбор и обоснование типов элементов

2.2 Корпусы микросхем, выбор в библиотеках DT

2.3 Проектирование триггера в САПР DipTrace

3. Технологический процесc

3.1 Проектирование технологического процесса

3.2 Документы технологического процесса

3.3 Маршрутная карта        

Заключение

Список литературы

Приложение А. Электрическая принципиальная схема универсального триггера

Приложение Б. Проектирование универсального триггера в САПР DipTrace

Приложение В. Глоссарий

Введение

триггер микросхема цифровой

Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания.

Поэтому для результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач.

Целью курсовой работы является приобретение практических навыков по проектированию простейших цифровых устройств.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

Систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений по общепрофессиональным и специальным дисциплинам;

Углубление теоретических знаний в соответствии с заданной темой;

Формирование умений применять теоретические знания при решении поставленных вопросов;

Формирование умений использовать справочную, нормативную и правовую документацию;

Развитие творческой инициативы, самостоятельности, ответственности и организованности.

Необходимо выделить следующие методы, которые применены при выполнении КП:

изучение научной литературы;

анализ логики работы схемы;

составление пакета технологических документов;

выполнение работ в ПО DipTrace.

1. Общая часть

.1 Общие сведения об устройстве

Триггер представляет собой устройство с двумя устойчивыми состояниями. Устойчивым называется состояние, в котором устройство в отсутствии внешних воздействий может прибывать сколько угодно долго. В общем случае триггер имеет два выхода: прямой и инверсный. Состояние триггера принято определять по значению потенциала на прямом выходе. Если на прямом выходе имеется потенциал равный логической единице, то триггер находится в единичном состоянии (при этом потенциал инверсного выхода равен логическому нулю). В противном случае триггер находится в нулевом состоянии. В основу классификации потенциальных триггеров, в которых имеется связь по постоянному току между входами и выходами, положены два основных признака: функциональный и способ записи информации в триггер.

.2 Структура универсального триггера

JK-триггеры являются самыми сложными из двоичных триггеров. Но они являются и универсальными. С помощью JK-триггера можно получить все другие типы триггеров. Но универсальность JK-триггеров ограничена. Так как JK-триггеры существуют только двухступенчатые, то, например, D-триггеры на JK-триггерах можно реализовать только непрозрачные. JK-триггер аналогичен RS-триггеру, но отличие от последнего, не имеет запрещенных состояний. Так, вход J JK-триггера соответствует входу S RS-триггера, а вход K - входу R. Но, если в RS-триггере одновременная подача логической единицы на оба входа (R и S) была запрещена, то в JK-триггере при подаче на оба входа единиц, триггер меняет свое состояние на противоположное. При подаче на вход J логической единицы на выходу устанавливается единица, при подаче на вход K логической единицы на выходе получаем ноль. Логическая схема JK-триггера изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 -Логическая схема JK-триггера

.3 Принцип действия устройства

JK-триггер работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. Вход J (от англ. Jump - прыжок) аналогичен входу S у RS-триггера. Вход K (от англ. Kill - отключение) аналогичен входу R у RS-триггера. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становится равным логическому нулю. JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещённых состояний на основных входах, однако это никак не помогает при нарушении правил разработки логических схем. На практике применяются только синхронные JK-триггеры, то есть состояния основных входов J и K учитываются только в момент тактирования, например по положительному фронту импульса на входе синхронизации.

На базе JK-триггера возможно построить D-триггер или Т-триггер. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединив входы J и К.

Рисунок 2 - Таблица истинности JK триггера

2. Основная часть

.1 Выбор и обоснование типов элементов

Важнейших этапом разработки печатных плат является выбор элементов, так как от правильного выбора зависит будет ли в конечном итоге устройство отвечать всем предъявленным к нему требованиям. Выбираем элементы в зависимости от эксплуатационных требований.

В схеме цифрового дешифратора используются такие типы элементов, как резисторы, конденсаторы, диоды и микросхемы. Резисторы имеют наиболее широкое применение в вычислительно аппаратуре их доля составляет от 16 до 50 процентов общего числа использования в вычислительной аппаратуре элементов. Все используемые резисторы подразделяются на следующие группы:

а) постоянные и переменные;

б) в зависимости от материала, применяемого в качестве резистивного элемента:

) проволочные с резистивным элементом, выполненным из литой проволоки с высоким удельным сопротивлением;

) непроволочные;

в) металлофольгированные с резистивным элементом, выполненным из фольги определённой конфигурации, нанесённой на изоляционное основание;

г) в зависимости от способа монтажа:

) Монтаж может быть навесным, печатным, и микромодульным.

) По конструктивному исполнению в зависимости от климатических факторов, воздействующих при эксплуатации в нормальном или тропическом варианте.

В схеме цифрового генератора используются резисторы С2-44.

Используемые в вычислительной аппаратуре конденсаторы разделяются на следующие группы:

а) по назначению конденсаторы могут быть общего и специального назначения;

б) по характеру изменения ёмкости постоянные конденсаторы, переменные и построчные;

в) по типу используемого диэлектрика могут быть органическими, не органическими, газообразными или оксидными;

г) по способу монтажа конденсаторы могут изготавливаться для навесного, печатного или микромодульного монтажа;

д) по степени защищенности от внешних воздействий конденсаторы бывают защищённые и не защищённые, изолированные и не изолированные, уплотнённые или герметизированные.

В устройстве используются конденсаторы типа К50-6, КМ5, КЛС, КТ4. Также в часах используются следующие элементы кварцевый резонатор используется цифровой дешифратор на частоту 32768 Гц, трансформатор типа ТН32. В качестве переключателей применяются кнопочный переключатель П2К и микрокнопка типа МПК.

В качестве транзисторов VII, УТ2 используются КТ315Г, их можно заменить на любые маломощные структуры с рабочим напряжением не менее ЗОВ. Транзисторы УТЗ и УТЗ должны быть составными структуры п-р-п серий КТ827, КТ829, КТ834, КТ972 с любыми буквенными индексами. В схеме взяты транзисторы КТ829Г. Транзисторы УТ4, УТ6 должны быть структуры р-п-р типа большой или средней мощности с коэффициентом передачи тока не менее пятидесяти это серии КТ814, КТ816, КТ818, КТ837 с индексами В, Е, К, Н, С, Ф. В устройстве взяты транзисторы КТ837Ф. Микросхема КР1157ЕН902А заменена на 78Ь09, а также на любой стабилизатор с напряжением 9В или на резистор сопротивлением 2,2 кОм и стабилизатором на напряжение 8-10В.

При замене двух цветных светодиодов на обычные для исключения пробоя в обратном направлении последовательно с каждым из них следует включить по кремневому диоду на напряжение не менее 50В.

В качестве цифровых микросхем применяются микросхемы серии К561 и К176 КМОП - логики, работающие на напряжении от пяти вольт до пятнадцати вольт.

.2 Корпусы микросхем, выбор в библиотеках DT

Корпус - это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями.(Dual In-line Package, также DIL) - тип корпуса микросхем, микросборок и некоторых других электронных компонентов для монтажа в отверстия печатной платы. Имеет прямоугольную форму с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Может быть выполнен из пластика (PDIP) или керамики (CDIP). Обычно в обозначении также указывается число выводов. Изображение корпуса представлено на рисунке 2.

Рисунок 3 - Тип корпуса DIPили просто SO (small-outline integrated circuit), а также SOP (Small-Outline Package) корпус микросхем , предназначенный для поверхностного монтажа, занимающий на печатной плате на 30-50% меньше площади чем аналогичный корпус DIP, а также имеющий на 50-70% меньшую толщину. Обычно в обозначении также указывается число выводов. Изображение корпуса представлено на рисунке 3.

Рисунок 4 - Тип корпуса SOIC

SIP (Single In-line Package) - плоский корпус для вертикального монтажа в отверстия печатной платы, с одним рядом выводов по длинной стороне. Обычно в обозначении также указывается число выводов. Изображение корпуса представлено на рисунке 4.

Рисунок 5 - Тип корпуса SIP

2.3 Проектирование универсального триггера в САПР DipTrace

Смоделируем принципиальную электрическую схему на базе рассмотренных в теоретической части микросхем. Основной критерий синтеза электрических схем аппаратуры на интегральных микросхемах - минимизация числа микросхем и их внешних соединений. Другой критерий - функциональная однородность, т.е. максимальное использование элементов с одинаковыми функциями. Это обуславливает унификацию схемы, что в свою очередь, ведет к снижению ее стоимости.

Для построения принципиальной электрической схемы воспользуемся пакетом прикладных программ Novarm DipTrace, приложением Schematic.

Программа DipTrace имеет свои билиотеки, в которых находятся более 40 тысяч микросхем и элементов от различных зарубежных производителей. Так как данная схема состоит только из отечественных микросхем, то для построения соответствующей печатной платы нам необходимо найти зарубежные аналоги отечественных микросхем. Также, нам необходимо будет разобраться с соответствием выводов зарубежных микросхем выводам отечественных.

Программный пакет DipTrace представляет собой полнофункциональную систему для разработки принципиальных схем и печатных плат. Включает в себя четыре программы:- проектирование плат с удобной интерактивной и автоматической трассировкой.- создание принципиальных схем с последующей возможностью перевода их в платы.- редактор корпусов для печатной платы.- редактор компонентов. Рисование символов схемотехники и связка их с корпусами.

Основой печатной платы, далее (ПП), является подложка из стеклотекстолита - диэлектрика, представляющего собой спрессованные листы стеклоткани, пропитанной эпоксидным компаундом (смолой). На поверхности стеклотекстолита находится токопроводящий слой медной фольги (проводник). Типовая толщина проводника - 0,035 и 0,018мм. Этот слой является обязательным для всех классов ПП. После проведения определенных технологических операций, остаются только нужные элементы этого проводника (токопроводящие "дорожки", контактные площадки).

В зависимости от того, сколько таких слоев имеет ПП, она может попадать в один из трех нижеприведенных классов:

односторонние (однослойные). Проводник присутствует только на одной стороне ПП.

двухсторонние (двухслойные). Проводник присутствует на обеих сторонах ПП.

многослойные. Они представляют собой как бы слоеный пирог из двухсторонних плат, между которыми проложены прокладки из стеклоткани, пропитанной в эпоксидной смоле.

Как правило, на ПП наносится паяльная маска (она же "зеленка") - слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает основную часть поверхности ПП и оставляет открытыми только контактные площадки, которые будут использоваться в дальнейшем при монтаже (пайке), радиоэлектронных компонентов на эту ПП. Кроме паяльной маски на ПП наносят маркировку.

Маркировка наносится краской на поверхность ПП, специализированным методом, называемым сеткография или фотопроявление.

Применяется для удобства монтажа (пайки) радиоэлектронных компонентов на ПП. Она может нести в себе следующую информацию: контур компонента, его сокращенное название и позиционное расположение на ПП, а также другую техническую информацию.

Большую часть элементов современных электронных устройств размещают на печатных платах, представляющих собой диэлектрическое основание с отверстиями и проводящим рисунком. Это не относится к крупногабаритным элементам (силовым трансформаторам, радиаторам мощных транзисторов, электронно-лучевым трубкам), а также к элементам, которые требуется устанавливать на передней панели аппаратуры (цифровые и сигнальные индикаторы, органы регулирования, электромеханические стрелочные приборы).

Печатные платы выполняют обычно из фольгированного стеклотекстолита - пластика на основе стекловолоконной ткани, покрытого с одной или двух сторон медной фольгой. Толщина диэлектрика составляет 0,8-3 мм, а толщина фольги 0,02 - 0,1 мм. Рисунок печатной платы, определяющий конфигурацию проводникового и диэлектрического материалов и подготовленный конструктором, переносят на поверхность печатной платы методом фотолитографии. Для этого поверхность платы покрывают светочувствительным слоем (фоторезистом), который засвечивают через фотошаблон, полученный при фотографировании рисунка печатной платы. Затем фоторезист проявляют, его незасвеченные участки удаляют и фольгу, находящуюся под этими участками, стравливают специальным раствором. Засвеченные участки, соответствующие проводящему рисунку, защищены слоем фоторезиста и поэтому не стравливаются. Затем в печатной плате просверливают отверстия диаметром 0,6 - 1,5 мм для установки навесных элементов (интегральных схем, транзисторов, резисторов, конденсаторов) механического крепления печатной платы, а также электрического соединения элементов печатной платы, нанесенных на ее противоположных сторонах. Стенки отверстий металлизируют сначала химическим, а затем электрохимическим способом. Таким образом, получают проводящий рисунок с одной (односторонняя печатная плата) или двух (двусторонняя печатная плата) сторон. Гибкие выводы навесных элементов запаивают в монтажных отверстиях, к которым подходят печатные проводники, и получают печатный узел.