42801

Разработка специализированного цифрового функционального узла

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Генератор чисел на базе счетчика Джонсона. Варианты построения счетчика Джонсона и выбор оптимального в соответствии с критерием оптимизации. Сигнал (R) имеет отрицательную полярность и длительность более Т и менее 1.5Т. В результате воздействия сигнала (R) генератор чисел должен установиться в исходное состояние и сформировать на своих выходах первое число из заданной последовательности.

Русский

2013-10-31

6.35 MB

5 чел.

--

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Московский Государственный Университет Леса

Факультет электроники и системотехники

Кафедра вычислительной техники

Курсовой проект по дисциплине:

«Схемотехника ЭВМ»

на тему:

«Разработка специализированного цифрового функционального узла»

 Работу выполнил:                              Руководитель:

 студент группы ВТ-32                   доцент Королёв А.П.

 Шаталов Н.В.

2011 год.

1. Техническое задание.

Разработать генератор чисел, формирующий при поступлении на его вход каждых N входных импульсов синхронизации на выходах Zi последовательность значений сигналов, приведенных в таблице 1.

Таблица 1.

Вариант

N

Номера импульсов, проходящих на выход генератора чисел

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

Z6

Z7

Z8

Z9

Z10

7.2.1

24

1,17

2,16, 20,22

3,15, 21,23

4,14, 24

5,13

6,12

7,11

8,10

9,18

19

Генератор чисел должен обеспечивать:

– мощность, потребляемую от источника питания, не превышающую 850 мВт. Напряжение источника питания +5V ± 5%;

– использование  в составе схемы микросхем и вспомогательных электрорадиоэлементов (разъемов, резисторов, конденсаторов) в количестве, не превышающем 65 шт.

Электрическая схема должна обеспечивать конструктивное выполнение модуля в виде ТЭЗ, на который сигналы питания, сигналы синхронизации (С) и начального сброса (R), а также сигналы (M1, …, Мn), служащие для задания режима, поступают через разъём. Через этот же разъём осуществляется снятие выходных сигналов (Z1, Z2, …, Zn) с генератора чисел.

Максимальная длительность периода следования сигналов синхронизации (Т) равна 80 нс. Длительность сигналов синхронизации равна Т/2 = 40 нс. В случае использования в качестве критерия оптимизации быстродействия должна быть обеспечена максимальная длительность выходных сигналов ГЧ. При расчете длительности сигналов считать минимальную задержку микросхем равной нулю. Длительность выходных сигналов ГЧ (tвых.) должна быть не меньше 5 нс.

Сигнал (R) имеет отрицательную полярность и длительность более Т и менее 1.5Т. В результате воздействия сигнала (R) генератор чисел должен установиться в исходное состояние и сформировать на своих выходах первое число из заданной последовательности.

Входные сигналы режима работы могут менять свое значение только в момент установки в ноль сигнала (R).

Для   обеспечения   высокой помехоустойчивости генератора чисел на цепи питания должны быть установлены высокочастотные фильтрующие конденсаторы из расчета по одному на каждый корпус микросхемы. Кроме этого должен быть установлен один электролитический конденсатор.

Логический уровень входных и выходных сигналов ГЧ должен быть стандартным для ТТЛШ-микросхем.

Нагрузка по току со стороны ГЧ на источники входных сигналов не должна превышать

IiH = 30 мкА, IiL = 1 мА, а нагрузочная способность по току выходов ГЧ должна быть не менее

IoH = 0,8мА, IoL = 16 мА.

Для построения схемы ГЧ допустимо использование только микросхем, принадлежащих к серии микросхем К1533.

В качестве критерия оптимизации выступают минимум аппаратных затрат (в количестве корпусов) схемы (при равенстве по этому критерию выбрать схему с минимальной потребляемой мощностью).

На основании предъявляемых ТЗ требований можно сделать вывод, что для обеспечения работоспособности схемы, общее время переключения схемы по входу «С» (Tпер.С) не должно превышать T (80 нс), а время формирования выходных сигналов ГЧ (Тформ.С) не должно превышать (Т – tвых.), то есть 75 нс. Вместе с тем, общее время переключения схемы по входу «R» (Tпер.R) не должно превышать длительность этого сигнала (1,5T) , то есть 120 нс. А время формирования выходных сигналов ГЧ при подаче сигнала «R» не должно превышать (1,5Т – tвых.), то есть 115 нс.

Для построения схемы ГЧ допустимо использование только микросхем, принадлежащих к серии микросхем К1533.

2. Структура генератора чисел (ГЧ), как «чёрного ящика».

Генератор чисел (ГЧ) – это функциональный узел при подаче на вход которого серий синхроимпульсов на выходах формируется циклическая последовательность n-разрядных двоичных чисел. Структура ГЧ как «черного ящика» показана на рис.1.

ГЧ

G

С         Z1

             Z2

             Z3

             Z4

             Z5

             Z6

             Z7

             Z8

             Z9

    R         Z10

Рис.1. Структура генератора чисел.

ГЧ – генератор чисел;

G – генератор тактовых импульсов;

С – синхроимпульсы;

R – сигнал начальной установки;

Z1-10 – выходы ГЧ.

3. Временная диаграмма работы ГЧ, как «чёрного ящика».

Рис.2. Временная диаграмма работы генератора чисел.

Обозначения:

С – синхроимпульсы;

Z1-10 – выходы ГЧ.

Проанализировав полученную диаграмму, можно представить последовательность чисел, которую нужно реализовать при построении ГЧ. Эта последовательность имеет вид, представленный в таблице 2.

Таблица 2.

Последовательность

1-2-4-8-16-32-64-128-256-128-64-32-16-8-4-2-1-256-512-2-4-2-4-8


4. Методы и способы построения ГЧ.

4.1. Генератор чисел на базе счетчика Джонсона.

4.1.1. Варианты построения счетчика Джонсона и выбор оптимального в соответствии с критерием оптимизации.

В основе ГЧ должен лежать счетчик Джонсона, модуль пересчета которого равен длине последовательности чисел, т.е. 24.

2*n=N => n=12

где n – разрядность счётчика Джонсона,

N – количество считываемых значений счётчика (модуль пересчёта).

Таблица 3.

q11

q10

q9

q8

q7

q6

q5

q4

q3

q2

q1

q0

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

Z6

Z7

Z8

Z9

Z10

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

3

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

4

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

5

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

6

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

7

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

8

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

9

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

10

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

11

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

12

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

13

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

14

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

15

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

16

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

17

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

18

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

19

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

20

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

21

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

22

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

23

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

24

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

Упрощенная схема счетчика Джонсона на базе триггеров, использующих сдвиг вправо на рис.3.

q11

q10

q9

q8

q7

q6

q5

q4

q3

q2

q1

1

q0

Рис.3. Упрощенная схема счетчика Джонсона на базе триггеров.

4.1.1.1. Счетчик Джонсона на базе D-триггеров.

Для реализации понадобится 12 триггеров. При выборе микросхемы триггера, используемого для реализации в качестве базы, будем руководствоваться минимальными аппаратными затратами, необходимыми для удовлетворения ограничений ТЗ. Поэтому рассмотрим следующие микросхемы триггеров: КР1533ТМ7, КР1533ТМ8, КР1533ТМ9.

Выбираем мс КР1533ТМ8, т.к. у неё присутствуют инверсные выходы, что облегчит нам построение ПК (преобразователя кода) тем самым уменьшит аппаратные затраты, также присутствует вход начального сброса R что избавит нас от лишних аппаратных затрат, и также требуется меньший входной ток высокого уровня на вход С, чем у входа Е в мс КР1533ТМ7. Для реализации счетчика нам понадобится 3 мс КР1533ТМ8.

Рассчитаем потребляемую мощность:

Р (КР1533ТМ8)=Ucc*(3*Icc(КР1533ТМ8) ) =5,5*(3*14)= 231мВт.

Как видно, потребляемая мощность, без сложения с потребляемой мощностью других микросхем, которые понадобятся для построения ПК, не будет превышать заданное ограничение ТЗ.

Схема полученного счетчика представлена на рис.4.

Рис.4. Счетчик Джонсона на базе D-триггеров.

Нагрузка по току со стороны источника  входного сигнала начальной установки:

IiH( R ) = 0,02*3 = 0,06мА,  IiL( R ) = 0,1*3 = 0,3мА.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала синхроимпульса:

IiH( С ) = 0,02*3 = 0,06мА,  IiL( С ) = 0,1*3 = 0,3мА.

По входным сигналам данная схема не удовлетворяет условиям ТЗ. Для того, что бы нагрузка по току на входные сигналы ГЧ удовлетворяла ТЗ, пропустим входные сигналы через ИМС КР1533ЛП16, которая представляет собой шесть буферных элементов с повышенной нагрузочной способностью. Полученная в результате схема представлена на рис.5.

 

Рис.5. Счетчик Джонсона на базе D-триггеров, согласованный по входному току.

Вычислим потребляемую мощность с учетом мс КР1533ЛП16:

Р = Ucc*(3*Icc(КР1533ТМ8) + Icc(КР1533ТМ8) ) = 5,5*(3*14+10,6) = 289,3мВт

Нагрузка по току со стороны источника  входного сигнала начальной установки:

IiH( R ) = 0,02мА,  IiL( R ) = 0,1мА.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала синхроимпульса:

IiH( С ) = 0,02мА,  IiL( С ) = 0,1мА.

Задержка переключения счетчика (Тпер.С) по входу «С» равна tзд.(КР1533ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «С» + время опережения установки информации по входу «D» относительно положительного фронта сигнала на входе «С» = 8+17+10 (нс) = 35нс.

Время формирования выходных сигналов счетчика (Тформ.С) по входу «С» равна tзд.(КР1533ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «С» = 8+17 (нс) = 25нс.

Задержка переключения счетчика (Тпер.R) по входу «R» равна tзд.(КР1533ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «R» + время опережения установки информации по входу «D» относительно положительного фронта сигнала на входе «С» = 8+23+10 нс = 41нс.

Время формирования выходных сигналов счетчика (Тформ.R) по входу «R» равна tзд(КР1533ЛП16) + tзд(КР1533ТМ8) по входу «R» = 8+23 нс = 31нс.

4.1.1.2. Счетчик Джонсона на базе JK-триггеров.

Для реализации понадобится 12 триггеров. В серии К1533 есть несколько мс JK-триггеров:

КР1533ТВ6, КР1533ТВ9, КР1533ТВ10, КР1533ТВ11, КР1533ТВ15. Все они имеют по два JK-триггера.

Для реализации счетчика Джонсона нам понадобится 6 таких микросхем.

Таким образом, рассматриваемый способ уступает по аппаратным затратам счетчику Джонсона на базе D-триггеров рассмотренному ранее в разделе 4.1.1.1. Поэтому подробное рассмотрение данного способа построения счетчика Джонсона не имеет смысла.

4.1.1.3. Счетчик Джонсона на базе СИС сдвигового регистра.

Разрядность счётчика равна 12. Для реализации такой разрядности счётчика потребуется 2 микросхемы КР1533ИР13. Это меньше чем у счетчика Джонсона на базе D-триггеров, но в мс КР1533ИР13 нету инверсных выходов, которые будут нужны при построении ПК (преобразователя кодов). Следует добавить 2 микросхемы КР1533ЛН8, которые представляют собой шесть логических элементов НЕ. В итоге для реализации счетчика требуется 4 микросхемы. Это равно количеству микросхем счетчика Джонсона на базе D-триггеров.

Рассчитаем потребляемую мощность:

Р =Ucc*(2*Icc(КР1533ИР13) + Icc(КР1533ЛН8)) = 5,5*(2*40+4,2) = 463,1мВт.

Данный счетчик будет потреблять больше мощности, чем счетчик на базе D-триггеров.

Вывод: Счетчик Джонсона на базе СИС сдвигового регистра будет равен по аппаратным затратам счетчику на базе D-триггеров рассмотренному ранее в разделе 4.1.1.1., но уступает ему в потребляемой мощности.

4.1.1.4. Выбор способа построения счетчика Джонсона.

Вывод: В соответствии с условиями ТЗ наиболее оптимальным будет счетчик Джонсона на базе D-триггеров.

4.1.2. Построение генератора чисел на базе счетчика Джонсона и выбор оптимального в соответствии с критерием оптимизации.

4.1.2.1. Генератор чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на элементах «И-НЕ».

Таблица истинности счетчика Джонсона в таблице 4.

Таблица 4.

q11

q10

q9

q8

q7

q6

q5

q4

q3

q2

q1

q0

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

Z6

Z7

Z8

Z9

Z10

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

3

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

4

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

5

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

6

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

7

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

8

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

9

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

10

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

11

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

12

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

13

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

14

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

15

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

16

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

17

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

18

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

19

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

20

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

21

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

22

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

23

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

24

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

Минимизация функций от 12 переменных очень трудная задача, но используя особенность дешифраторов кода Джонсона, а именно, что все выходные функции представляют собой конъюнкцию двух переменных, мы можем минимизировать функции:

 

Переведем функции в базис И-НЕ (Шеффера):

 

Для реализации схемы потребуется 8 шт. КР1533ЛА3, 1 шт. КР1533ЛА1 и 1 шт. КР1533ЛА4.

Схема, генератора чисел на базе счетчика Джонсона и преобразователя кодов, представлена на рис.6.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала начальной установки:

IiH( R ) = 0,02мА,  IiL( R ) = 0,1мА.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала синхроимпульса:

IiH( С ) = 0,02мА,  IiL( С ) = 0,1мА.

Нагрузочная способность по току выходов ГЧ:

Io (Z1,Z2,Z3,Z5,Z6,Z7,Z8,Z9,Z10) = 15 мА.

Io (Z4) = 10 мА.

По выходным сигналам данная схема не удовлетворяет условиям ТЗ.

Заменим микросхемы, формирующие конечные выходные сигналы на более мощные аналоги.

Будем использовать мс 2 шт. КР1533ЛА23, 1 шт. КР1533ЛА22 и 1 шт. КР1533ЛА24

Схема, генератора чисел на базе счетчика Джонсона и преобразователя кодов, согласованная по выходному току представлена на рис.7.

Нагрузочная способность по току выходов ГЧ после согласования:

Io (Z1,Z5,Z6,Z7,Z8,Z9,Z10) = 100 мА.

Io (Z2,Z3,Z4) = 30 мА.

По выходным сигналам данная схема удовлетворяет условиям ТЗ.

Потребляемая мощность :

Р =Ucc*(6*Icc(КР1533ЛА3) + 2*Icc(КР1533ЛА23) + Icc(КР1533ЛА22) + Icc(КР1533ЛА24)) = 5,5*(6*3+2*7,8+3,9+5,8) = 238,15мВт.

Потребляемая мощность вместе со счетчиком Джонсона:

289,3 + 238,15 = 527,45мВт

Время формирования выходных сигналов ГЧ (Tформ.С) и время переключения схемы по входу «С» (Tпер.С) равно tзд.(КР1533ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «С» + tзд.(КР1533ЛА3) + tзд.(КР1533ЛА23)=8+17+11+33 (нс) = 69нс.

Длительность выходных сигналов ГЧ при переключении по входу «С» будет не менее Т - Тформ.С = 80 - 69 (нс) = 11нс.

Время формирования выходных сигналов ГЧ (Tформ.R) и время переключения схемы по входу «R» (Tпер.R) равно tзд.(КР1533ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «R» + tзд.(КР1533ЛА3) + tзд.(КР1533ЛА23)=8+23+11+33 (нс) = 75нс.

Длительность выходных сигналов ГЧ при переключении по входу «R» будет не менее 1,5Т-Тформ.R = 120 - 75 (нс) = 45нс.

Поскольку задержка микросхем КР1533ЛН22 и КР1533ЛА24 не превышает 33нс (что меньше задержки микросхемы КР1533ЛН23), задержка этих микросхем не сказывается на общей задержки схемы.

Таким образом, минимальная длительность выходных сигналов ГЧ равна 11нс.

Количество ИМС, использованных в составе схемы ГЧ – 14 шт., а общее количество корпусов, включая фильтрующие конденсаторы и разъем – 30 шт.

Схема удовлетворяет всем требованиям ТЗ.

Рис.6. Схема генератора чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на элементах «И-НЕ».

Рис.7. Схема генератора чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на элементах

«И-НЕ», согласованная по выходному току.

4.1.2.2. Генератор чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на «монтажном ИЛИ».

Воспользуемся минимизированными выходными функциями ГЧ, полученными ранее в разделе 4.1.2.1.

 

Переведем функции в базис, удобный для реализации на «монтажном ИЛИ»:

 

Воспользуемся для построения схемы преобразователя кодов на «монтажном ИЛИ» микросхемами КР1533ЛА23. Все функции проинвертируем на элементах НЕ микросхем КР1533ЛН8.

Полученная схема ГЧ, состоящая из счетчика Джонсона на базе D-триггеров и преобразователя кодов, на «монтажном ИЛИ» представлена на рис.8.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала начальной установки:

IiH( R ) = 0,02мА,  IiL( R ) = 0,1мА.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала синхроимпульса:

IiH( С ) = 0,02мА,  IiL( С ) = 0,1мА.

Нагрузочная способность по току выходов ГЧ:

Io (Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z8,Z9,Z10) = 30 мА.

Потребляемая мощность:

Р =Ucc*(Icc(КР1533ЛП16) + 6*Icc(КР1533ЛА23) + 3*Icc(КР1533ТМ8) + 2*Icc(КР1533ЛН8)) = 5,5*(10,6+6*7,8+3*14+2*12) = 678,7мВт.

Время формирования выходных сигналов ГЧ (Tформ.С) и время переключения схемы по входу «С» (Tпер.С) равно tзд.(КР1533ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «С» + tзд.(КР1533ЛА23) + tзд.(КР1533ЛН8) = 8+17+33+7 (нс) = 65нс.

Длительность выходных сигналов ГЧ при переключении по входу «С» будет не менее Т - Тформ.С = 80 - 65 (нс) = 15нс.

Время формирования выходных сигналов ГЧ (Tформ.R) и время переключения схемы по входу «R» (Tпер.R) равно tзд.(КР1533ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «R» + tзд.(КР1533ЛА23) + tзд.(КР1533ЛН8) = 8+23+33+7 (нс) = 71нс.

Длительность выходных сигналов ГЧ при переключении по входу «R» будет не менее 1,5Т-Тформ.R = 120 - 71 (нс) = 49нс.

Таким образом, минимальная длительность выходных сигналов ГЧ равна 15нс.

Количество ИМС, использованных в составе схемы ГЧ – 12 шт., а общее количество корпусов, включая фильтрующие конденсаторы, резисторы и разъем – 36 шт.

Схема удовлетворяет всем требованиям ТЗ.

Рис. 8. Схема генератора чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на «монтажном ИЛИ».

4.1.2.3. Генератор чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на элементах «И-ИЛИ-НЕ».

Воспользуемся минимизированными выходными функциями ГЧ, полученными ранее в разделе 4.1.2.1.

 

Преобразуем функции в удобный для реализации на элементах И-ИЛИ-НЕ вид:

 

Воспользуемся для построения схемы преобразователя кодов элементах И-ИЛИ-НЕ микросхемами КР1533ЛР11 и КР1533ЛР13. На незадействованные входы элементов И подаем логическую единицу. Для уменьшения нагрузки по току логической единицы пропустим её через буферный элемент микросхемы КР1533ЛП16. Также незадействованным останется целый элемент И. На его входы подаем логический ноль. Нагрузка по току на логический ноль будет в пределах условий ТЗ.

Выходную функцию ГЧ Z10 мы не можем представить в виде элемента И-ИЛИ-НЕ. На функцию Z10 нам в любом случае приходится использовать целую микросхему, т.к. свободных элементов в других микросхемах не остается. Мы можем использовать элемент И микросхемы КР1533ЛИ1 (Icc=4мА, tзд.=14нс, Io=10мА) или элемент ИЛИ-НЕ микросхемы КР1533ЛЕ1 (Icc=4мА, tзд.=12нс, Io=30мА). Выбираем КР1533ЛЕ1, т.к. у неё меньшая задержка и больший выходной ток. Также нам понадобятся 9 инверторов: 3-мя послужат оставшиеся элементы ИЛИ-НЕ микросхемы КР1533ЛЕ1, а еще 6 получим, включив в схему микросхему КР1533ЛН8.

Полученная схема ГЧ, состоящая из счетчика Джонсона на базе D-триггеров и преобразователя кодов, на элементах И-ИЛИ-НЕ представлена на рис.9.

Рис. 9. Схема генератора чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на элементах «И-ИЛИ-НЕ».

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала начальной установки:

IiH( R ) = 0,02мА,  IiL( R ) = 0,1мА.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала синхроимпульса:

IiH( С ) = 0,02мА,  IiL( С ) = 0,1мА.

Нагрузка по току со стороны источника входного сигнала логической единицы и логического нуля:

IiH = 0,02мА,  IiL = 0,4мА.

Нагрузочная способность по току выходов ГЧ:

Io (Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z8,Z9,Z10) = 30 мА.

Потребляемая мощность:

Р =Ucc*(Icc(КР1533ЛП16) + 3*Icc(КР1533ТМ8) + 3*Icc(КР1533ЛР11) + 3*Icc(КР1533ЛР13) + Icc(КР1533ЛЕ1) + Icc(КР1533ЛН8)) = 5,5*(10,6+3*14+3*2,8+3*1,6+4+12) = 449,9мВт.

Время формирования выходных сигналов ГЧ (Tформ.С) и время переключения схемы по входу «С» (Tпер.С) равно tзд.(КР1533 ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «С» + tзд.(КР1533ЛР13) + tзд.(КР1533ЛЕ1) = 8+17+20+12 (нс) = 57нс.

Длительность выходных сигналов ГЧ при переключении по входу «С» будет не менее Т - Тформ.С = 80 - 57 (нс) = 23нс.

Время формирования выходных сигналов ГЧ (Tформ.R) и время переключения схемы по входу «R» (Tпер.R) равно tзд.(КР1533 ЛП16) + tзд.(КР1533ТМ8) по входу «R» + tзд.(КР1533ЛР13) + tзд.(КР1533ЛЕ1) = 8+23+20+12 (нс) = 63нс.

Длительность выходных сигналов ГЧ при переключении по входу «R» будет не менее 1,5Т-Тформ.R = 120 - 63 (нс) = 57нс.

Поскольку задержка микросхемы КР1533ЛР11 одинакова с микросхемой КР1533ЛР13 (20нс), а задержка микросхемы КР1533ЛН8 меньше задержки микросхемы КР1533ЛЕ1, задержки этих микросхем не учитываются для общей задержки схемы.

Таким образом, минимальная длительность выходных сигналов ГЧ равна 23нс.

Количество ИМС, использованных в составе схемы ГЧ – 12 шт., а общее количество корпусов, включая фильтрующие конденсаторы и разъем – 26 шт.

Схема удовлетворяет всем требованиям ТЗ.

4.1.2.4. Генератор чисел на базе счетчика Джонсона с преобразователем кода на мультиплексорах.

Воспользуемся минимизированными выходными функциями ГЧ, полученными ранее в разделе 4.1.2.1.

 

Будем использовать микросхемы КР1533КП2 и КР1533КП7. Сгруппируем функции по общим входящим в них сигналы счетчика:Z1 и Z5 (, Z6 и Z7(), Z8 и Z9 ().Каждая пара функций будет реализована на одной микросхеме КР1533КП2, которая представляет собой сдвоенный селектор-мультиплексор 4-1, а на адресные входы мы подадим их общие входящие сигналы счетчика. В случае, если на вход мультиплексора надо подать логический ноль, в целях уменьшения нагрузки по току на источник входного сигнала логического нуля, подадим одну из адресных переменных равную нулю. Если это невозможно, подадим логический ноль. Результат в таблице 5.

Таблица 5.

адрес.

инф.

ф

сигнал

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф.

сигнал

адрес.

инф

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф.

сигнал

адрес.

инф

ф

сигнал

q7

q0

q11

q8

Z1

 

 

Z5

 

 

q6

q1

q7

q0

Z6

 

 

q6

q1

q5

q2

Z7

 

 

q4

q3

q5

q2

Z8

 

 

q4

q3

q7

q6

Z9

 

 

0

0

0

0

1

nq11

0

q8

0

0

0

0

0

q7

0

0

0

0

0

q1

0

0

0

0

0

q5

0

0

0

0

0

q3

0

0

0

1

-

-

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

-

0

0

1

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

0

-

0

0

1

0

1

0

0

1

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

1

1

-

0

0

1

1

-

0

0

1

1

-

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

q7

0

q7

0

1

0

0

-

q7

0

1

0

0

-

q6

0

1

0

0

-

q4

0

1

0

0

0

q4

0

1

0

1

-

-

0

1

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

-

0

1

0

1

-

0

1

1

0

-

-

0

1

1

0

-

0

1

1

0

-

0

1

1

0

-

0

1

1

0

-

0

1

1

1

-

-

0

1

1

1

-

0

1

1

1

0

0

1

1

1

-

0

1

1

1

-

1

0

0

0

-

q0

-

q0

1

0

0

0

-

q1

1

0

0

0

1

q5q2  

1

0

0

0

-

q3

1

0

0

0

-

q7

1

0

0

1

-

-

1

0

0

1

-

1

0

0

1

-

1

0

0

1

-

1

0

0

1

-

1

0

1

0

-

-

1

0

1

0

0

1

0

1

0

0

nq5nq2

1

0

1

0

0

1

0

1

0

-

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

-

1

0

1

1

1

1

0

1

1

-

1

0

1

1

1

1

1

0

0

1

nq8

0

q11

1

1

0

0

-

nq0

1

1

0

0

-

0

1

1

0

0

-

nq2

1

1

0

0

0

nq7q6

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

-

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

0

-

-

1

1

1

0

1

1

1

1

0

-

1

1

1

0

1

1

1

1

0

-

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

0

Для выходной функции Z10 будем использовать элемент ИЛИ-НЕ микросхемы КР1533ЛЕ1. Преобразуем её в базис ИЛИ-НЕ:

Для каждой из функций Z4, Z3, Z2 будем использовать по микросхеме КР1533КП7, которая представляет собой селектор-мультиплексор на 8 каналов со стробированием. В таблицах 6 и 7 сигналы, подающиеся на адресные входы мультиплексоров, выбраны в соответствии с критерием минимальных аппаратных затрат.

Таблица 6.

z4

z3

адрес.

инф.

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф

сигнал

q8

q11

q0

q1

q10

q9

Z4

 

 

q8

q11

q0

q1

q10

q9

Z4

 

 

q4

q10

q2

q9

q3

q1

Z3

 

 

q4

q10

q2

q9

q3

q1

Z3

 

 

0

0

0

0

0

0

0

q8

1

0

0

0

0

0

-

q11

0

0

0

0

0

0

0

q1

1

0

0

0

0

0

-

q10

0

0

0

0

0

1

-

1

0

0

0

0

1

-

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

0

0

1

-

0

0

0

0

1

0

-

1

0

0

0

1

0

-

0

0

0

0

1

0

-

1

0

0

0

1

0

-

0

0

0

0

1

1

-

1

0

0

0

1

1

-

0

0

0

0

1

1

-

1

0

0

0

1

1

-

0

0

0

1

0

0

-

1

0

0

1

0

0

-

0

0

0

1

0

0

-

1

0

0

1

0

0

-

0

0

0

1

0

1

-

1

0

0

1

0

1

-

0

0

0

1

0

1

-

1

0

0

1

0

1

-

0

0

0

1

1

0

-

1

0

0

1

1

0

-

0

0

0

1

1

0

-

1

0

0

1

1

0

-

0

0

0

1

1

1

-

1

0

0

1

1

1

-

0

0

0

1

1

1

-

1

0

0

1

1

1

-

0

0

1

0

0

0

1

nq1

1

0

1

0

0

0

-

q10

0

0

1

0

0

0

-

q3

1

0

1

0

0

0

-

q9

0

0

1

0

0

1

-

1

0

1

0

0

1

-

0

0

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

-

0

0

1

0

1

0

-

1

0

1

0

1

0

-

0

0

1

0

1

0

-

1

0

1

0

1

0

-

0

0

1

0

1

1

-

1

0

1

0

1

1

-

0

0

1

0

1

1

1

1

0

1

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

-

1

0

1

1

0

0

-

0

0

1

1

0

1

-

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

-

1

0

1

1

0

1

-

0

0

1

1

1

0

-

1

0

1

1

1

0

-

0

0

1

1

1

0

-

1

0

1

1

1

0

-

0

0

1

1

1

1

-

1

0

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

-

1

0

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

0

0

q9

1

1

0

0

0

0

-

q0

0

1

0

0

0

0

1

nq9

1

1

0

0

0

0

-

q2

0

1

0

0

0

1

-

1

1

0

0

0

1

-

0

1

0

0

0

1

-

1

1

0

0

0

1

-

0

1

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

0

-

0

1

0

0

1

0

-

1

1

0

0

1

0

-

0

1

0

0

1

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

-

1

1

0

0

1

1

-

0

1

0

1

0

0

-

1

1

0

1

0

0

-

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

1

-

1

1

0

1

0

1

-

0

1

0

1

0

1

-

1

1

0

1

0

1

-

0

1

0

1

1

0

-

1

1

0

1

1

0

-

0

1

0

1

1

0

-

1

1

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

-

1

1

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

-

1

1

0

1

1

1

-

0

1

1

0

0

0

-

q8

1

1

1

0

0

0

-

0

0

1

1

0

0

0

-

q4

1

1

1

0

0

0

-

0

0

1

1

0

0

1

-

1

1

1

0

0

1

-

0

1

1

0

0

1

-

1

1

1

0

0

1

-

0

1

1

0

1

0

-

1

1

1

0

1

0

-

0

1

1

0

1

0

-

1

1

1

0

1

0

-

0

1

1

0

1

1

-

1

1

1

0

1

1

-

0

1

1

0

1

1

-

1

1

1

0

1

1

-

0

1

1

1

0

0

-

1

1

1

1

0

0

-

0

1

1

1

0

0

-

1

1

1

1

0

0

-

0

1

1

1

0

1

-

1

1

1

1

0

1

-

0

1

1

1

0

1

-

1

1

1

1

0

1

-

0

1

1

1

1

0

-

1

1

1

1

1

0

-

0

1

1

1

1

0

-

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

-

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

-

1

1

1

1

1

1

0

Таблица 7.

z2

адрес.

инф.

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф

сигнал

адрес.

инф.

ф

сигнал

q11

q8

q3

q10

q9

q5

q4

q2

Z2

 

 

q11

q8

q3

q10

q9

q5

q4

q2

Z2

 

 

q11

q8

q3

q10

q9

q5

q4

q2

Z2

 

 

q11

q8

q3

q10

q9

q5

q4

q2

Z2

 

 

0

0

0

0

0

0

0

0

0

q2

0

1

0

0

0

0

0

0

-

q3

1

0

0

0

0

0

0

0

1

nq10

1

1

0

0

0

0

0

0

-

q3

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

0

1

-

1

0

0

0

0

0

0

1

-

1

1

0

0

0

0

0

1

-

0

0

0

0

0

0

1

0

-

0

1

0

0

0

0

1

0

-

1

0

0

0

0

0

1

0

-

1

1

0

0

0

0

1

0

-

0

0

0

0

0

0

1

1

-

0

1

0

0

0

0

1

1

-

1

0

0

0

0

0

1

1

-

1

1

0

0

0

0

1

1

-

0

0

0

0

0

1

0

0

-

0

1

0

0

0

1

0

0

-

1

0

0

0

0

1

0

0

-

1

1

0

0

0

1

0

0

-

0

0

0

0

0

1

0

1

-

0

1

0

0

0

1

0

1

-

1

0

0

0

0

1

0

1

-

1

1

0

0

0

1

0

1

-

0

0

0

0

0

1

1

0

-

0

1

0

0

0

1

1

0

-

1

0

0

0

0

1

1

0

-

1

1

0

0

0

1

1

0

-

0

0

0

0

0

1

1

1

-

0

1

0

0

0

1

1

1

-

1

0

0

0

0

1

1

1

-

1

1

0

0

0

1

1

1

-

0

0

0

0

1

0

0

0

-

0

1

0

0

1

0

0

0

-

1

0

0

0

1

0

0

0

-

1

1

0

0

1

0

0

0

-

0

0

0

0

1

0

0

1

-

0

1

0

0

1

0

0

1

-

1

0

0

0

1

0

0

1

-

1

1

0

0

1

0

0

1

-

0

0

0

0

1

0

1

0

-

0

1

0

0

1

0

1

0

-

1

0

0

0

1

0

1

0

-

1

1

0

0

1

0

1

0

-

0

0

0

0

1

0

1

1

-

0

1

0

0

1

0

1

1

-

1

0

0

0

1

0

1

1

-

1

1

0

0

1

0

1

1

-

0

0

0

0

1

1

0

0

-

0

1

0

0

1

1

0

0

-

1

0

0

0

1

1

0

0

-

1

1

0

0

1

1

0

0

-

0

0

0

0

1

1

0

1

-

0

1

0

0

1

1

0

1

-

1

0

0

0

1

1

0

1

-

1

1

0

0

1

1

0

1

-

0

0

0

0

1

1

1

0

-

0

1

0

0

1

1

1

0

-

1

0

0

0

1

1

1

0

-

1

1

0

0

1

1

1

0

-

0

0

0

0

1

1

1

1

-

0

1

0

0

1

1

1

1

-

1

0

0

0

1

1

1

1

-

1

1

0

0

1

1

1

1

-

0

0

0

1

0

0

0

0

-

0

1

0

1

0

0

0

0

-

1

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

-

0

0

0

1

0

0

0

1

-

0

1

0

1

0

0

0

1

-

1

0

0

1

0

0

0

1

-

1

1

0

1

0

0

0

1

-

0

0

0

1

0

0

1

0

-

0

1

0

1

0

0

1

0

-

1

0

0

1

0

0

1

0

-

1

1

0

1

0

0

1

0

-

0

0

0

1

0

0

1

1

-

0

1

0

1

0

0

1

1

-

1

0

0

1

0

0

1

1

-

1

1

0

1

0

0

1

1

-

0

0

0

1

0

1

0

0

-

0

1

0

1

0

1

0

0

-

1

0

0

1

0

1

0

0

-

1

1

0

1

0

1

0

0

-

0

0

0

1

0

1

0

1

-

0

1

0

1

0

1

0

1

-

1

0

0

1

0

1

0

1

-

1

1

0

1

0

1

0

1

-

0

0

0

1

0

1

1

0

-

0

1

0

1

0

1

1

0

-

1

0

0

1

0

1

1

0

-

1

1

0

1

0

1

1

0

-

0

0

0

1

0

1

1

1

-

0

1

0

1

0

1

1

1

-

1

0

0

1

0

1

1

1

-

1

1

0

1

0

1

1

1

-

0

0

0

1

1

0

0

0

-

0

1

0

1

1

0

0

0

-

1

0

0

1

1

0

0

0

0

1

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

-

0

1

0

1

1

0

0

1

-

1

0

0

1

1

0

0

1

-

1

1

0

1

1

0

0

1

-

0

0

0

1

1

0

1

0

-

0

1

0

1

1

0

1

0

-

1

0

0

1

1

0

1

0

-

1

1

0

1

1

0

1

0

-

0

0

0

1

1

0

1

1

-

0

1

0

1

1

0

1

1

-

1

0

0

1

1

0

1

1

-

1

1

0

1

1

0

1

1

-

0

0

0

1

1

1

0

0

-

0

1

0

1

1

1

0

0

-

1

0

0

1

1

1

0

0

-

1

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

1

-

0

1

0

1

1

1

0

1

-

1

0

0

1

1

1

0

1

-

1

1

0

1

1

1

0

1

-

0

0

0

1

1

1

1

0

-

0

1

0

1

1

1

1

0

-

1

0

0

1

1

1

1

0

-

1

1

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

-

0

1

0

1

1

1

1

1

-

1

0

0

1

1

1

1

1

-

1

1

0

1

1

1

1

1

-

0

0

1

0

0

0

0

0

-

nq5q4

0

1

1

0

0

0

0

0

-

nq9

1

0

1

0

0

0

0

0

-

q8

1

1

1

0

0

0

0

0

-

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

1

-

1

0

1

0

0

0

0

1

-

1

1

1

0

0

0

0

1

-

0

0

1

0

0

0

1

0

-

0

1

1

0

0

0

1

0

-

1

0

1

0

0

0

1

0

-

1

1

1

0

0

0

1

0

-

0

0

1

0

0

0

1

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

-

1

0

1

0

0

0

1

1

-

1

1

1

0

0

0

1

1

-

0

0

1

0

0

1

0

0

-

0

1

1

0

0

1

0

0

-

1

0

1

0

0

1

0

0

-

1

1

1

0

0

1

0

0

-

0

0

1

0

0

1

0

1

-

0

1

1

0

0

1

0

1

-

1

0

1

0

0

1

0

1

-

1

1

1

0

0

1

0

1

-

0

0

1

0

0

1

1

0

-

0

1

1

0

0

1

1

0

-

1

0

1

0

0

1

1

0

-

1

1

1

0

0

1

1

0

-

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

1

0

0

1

1

1

-

1

1

1

0

0

1

1

1

-

0

0

1

0

1

0

0

0

-

0

1

1

0

1

0

0

0

-

1

0

1

0

1

0

0

0

-

1

1

1

0

1

0

0

0

-

0

0

1

0

1

0

0

1

-

0

1

1

0

1

0

0

1

-

1

0

1

0

1

0

0

1

-

1

1

1

0

1

0

0

1

-

0

0

1

0

1

0

1

0

-

0

1

1

0

1

0

1

0

-

1

0

1

0

1

0

1

0

-

1

1

1

0

1

0

1

0

-

0

0

1

0

1

0

1

1

-

0

1

1

0

1

0

1

1

-

1

0

1

0

1

0

1

1

-

1

1

1

0

1

0

1

1

-

0

0

1

0

1

1

0

0

-

0

1

1

0

1

1

0

0

-

1

0

1

0

1

1

0

0

-

1

1

1

0

1

1

0

0

-

0

0

1

0

1

1

0

1

-

0

1

1

0

1

1

0

1

-

1

0

1

0

1

1

0

1

-

1

1

1

0

1

1

0

1

-

0

0

1

0

1

1

1

0

-

0

1

1

0

1

1

1

0

-

1

0

1

0

1

1

1

0

-

1

1

1

0

1

1

1

0

-

0

0

1

0

1

1

1

1

-

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

-

1

1

1

0

1

1

1

1

-

0

0

1

1

0

0

0

0

-

0

1

1

1

0

0

0

0

-

1

0

1

1

0

0

0

0

-

1

1

1

1

0

0

0

0

-

0