Проектирование структурной схемы счётчика

Федеральное агентство по образованию

ФГБОУ ВПО

Технический колледж им С.И.Мосина ТулГУ

Контрольно-курсовая работа

По дисциплине «Проектирование цифровых устройств»

На тему: «Проектирование счётчика»

Автор работы,

Студент группы 3-230113 В.Д.Ланцов

Руководитель,

Преподаватель В.Л.Токарев

Тула 2014

Задание на проектирование

Спроектировать схему вычитающего счётчика, с Ксч = 20. Определить временные параметры и потребляемую мощность.

Содержание

Титульный лист………………………………………………1

Задание на проектирование………………………………….2

Содержание…………………………………………………...3

Введение………………………………………………………4

Теоретическая часть………………………………………….5

Проектирование структурной схемы счётчика…………….7

Выбор микросхем для счётчика…………………………….16

Расчёт времени задержки и потребляемой мощности…….17

Построение временной диаграммы работы счётчика……..17

Заключение…………………………………………………...18

Список источников и используемое ПО……………………19

Введение

Счётчик – это устройство на выходах которого формируется код соответствующий числу поступивших на него импульсов. Счётчики строятся на JK, D, RS триггерах.

Основным свойством счётчика является его коэффициент счёта. Коэффициент счёта – это максимальное число сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком.

Существует несколько видов счётчиков: суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующие счётчики производят счёт импульсов последовательно увеличивая двоичный код на выходах на один, тем самым формируется операция инкрементирования. Вычитающие счётчики наоборот уменьшают двоичный код на выходах на один, тем самым формируя операцию декрементирования. Реверсивные счётчики способны считать в «обе стороны». То есть реверсивный счётчик способен работать в двух режимах: суммирующем и вычитающем.

Счётчики бывают: Синхронные и асинхронные.

Асинхронные счетчики строятся из простой цепочки JK-триггеров, каждый из которых работает в счетном режиме. Выходной сигнал каждого триггера служит входным сигналом для следующего триггера. Поэтому все разряды (выходы) асинхронного счетчика переключаются последовательно (отсюда название – последовательные счетчики), один за другим, начиная с младшего и кончая старшим. Каждый следующий разряд переключается с задержкой относительно предыдущего то есть, вообще говоря, асинхронно, не одновременно с входным сигналом и с другими разрядами.

Синхронные (или параллельные) счетчики характеризуются тем, что все их разряды в пределах одной микросхемы переключаются одновременно, параллельно. Это достигается существенным усложнением внутренней структуры микросхемы по сравнению с простыми асинхронными счетчиками. В результате полная задержка переключения синхронного счетчика примерно равна задержке одного триггера, то есть синхронные счетчики гораздо быстрее асинхронных, причем их быстродействие не падает с ростом количества разрядов выходного кода (конечно, до определенных пределов).

Счётчики строятся последовательным соединением триггеров.

Счётчики применяются практически в любой сложной системе. Их основное назначение – подсчёт каких-либо событий.

В данной контрольно-курсовой работе, я буду проектировать вычитающий счётчик с коэффициентом счёта 20.

Теоретическая часть

Для того, что бы получить схему счётчика необходимо произвести синтез.

В синтез счётчика входит:

1. По заданному коэффициенту счёта определить число разрядов для данного счётчика (количество триггеров в схеме). Число разрядов определяется по формуле

2. Составить таблицу переключений счётчика.

3. По таблице переключений триггеров JK, D, RS, составляются таблица истинности функций возбуждения триггеров.

4. На данном этапе производится минимизация полученных функций возбуждения.

5. Сравнить полученные функции возбуждения для выбранных типов триггеров (JK, D, RS) и выбрать тот тип триггеров, для которого функции возбуждения получились более простыми.

6. На определённом типе триггеров, при помощи функций возбуждения строится схема счётчика. Для схемы обычно строится временная диаграмма переключения счётчика.

Получив количество триггеров необходимых для построения счётчика по формуле из пункта 1, строится таблица переключений. Таблица переключений представляет собой таблицу, содержащую все шаги работы одного цикла счёта и также в соседней колонке пишется следующий шаг счёта. То есть в случае с моим техническим заданием, в первой колонке пишется отсчёт от 10011 (19 в 10 с.ч.) до нулевого состояния счётчика, а в соседней колонке пишется тот код, который будет на выходе на следующем шаге работы счётчика.

На следующем шаге разработки счётной схемы необходимо составить таблицу истинности для функций возбуждения триггеров, используя следующую таблицу переключений:

Q(k) Q(k-1)	J K	D	S R
0 0	0 X		0 X
0 1	1 X		1 0
1 0	X 1		X 1
1 1	X 0		X 0

Таблица истинности для функций возбуждения триггеров строится в соответствии с таблицей построенной в пункте 2.

Построив таблицу истинности функций возбуждения, необходимо произвести минимизацию функций возбуждения при помощи диаграмм Вейча.

Данные операции следует проделать для каждого вида триггера и затем сравнить полученные функции возбуждения для разных видов триггеров и выбрать тип триггера, который следует применить в данной схеме. То есть выбрать тип триггера, функции возбуждения которого меньше, чем у остальных.

На следующем этапе можно приступать к построению схемы счётчика, которая строится при помощи функций возбуждения триггеров. Функции возбуждения описывают то, каким образом будут соединены между собой триггеры.

Также необходимо определиться с микросхемами для счётчика. От данного выбора зависят многие параметры счётчика, такие как потребляемая мощность и время задержки. Также необходимо построить временную диаграмму работы счётчика, для оценки его работы.

Проектирование структурной схемы счётчика

Как описано в предыдущем разделе, для начала следует определить количество триггеров для счётчика. По техническому заданию, коэффициент счёта равен 20. Соответственно я воспользуюсь формулой из пункта №1 теоретической части.

Получив количество триггеров, а именно разрядность счётчика строится следующая таблица переключений счётчика:

	k	k-1
n

На следующем этапе получаем функции возбуждения для JK, D, RS триггеров.

Для JK триггеров:

	X			X		X	X		X
	X			X		X	X			X
	X			X		X		X	X
	X			X		X		X		X
		X	X		X		X		X
		X	X		X		X			X
		X	X		X			X	X
		X	X		X			X		X
		X	X			X	X		X
		X	X			X	X			X
		X	X			X		X	X
		X	X			X		X		X
		X		X	X		X		X
		X		X	X		X			X
		X		X	X			X	X
		X		X	X			X		X
		X		X		X	X		X
		X		X		X	X			X
		X		X		X		X	X
		X		X		X		X		X

Диаграммы Вейча для JK триггеров:

Функции возбуждения для JK триггеров:

Для D триггеров:

Диаграммы Вейча для D триггеров:

Функции возбуждения для D триггеров:

Для RS триггеров:

	X			X		X	X		X
	X			X		X	X
	X			X		X		X	X
	X					X
		X	X		X		X		X
		X	X		X		X
		X	X		X			X	X
		X	X		X
		X	X			X	X		X
		X	X			X	X
		X	X			X		X	X
		X	X
		X		X	X		X		X
		X		X	X		X
		X		X	X			X	X
		X		X	X
		X		X		X	X		X
		X		X		X	X
		X		X		X		X	X
				X		X

Диаграммы Вейча для RS триггеров:

Функции возбуждения для RS триггеров:

Исходя из полученных функций возбуждения, для JK, D, RS триггеров, я выбрал JK триггеры для составления схемы счётчика, т.к. функции возбуждения получились проще, чем для остальных видов триггеров.

Следующий этап – построение схемы счётчика.

Схема была построена при помощи ПО Proteus, в котором и была проверена её работоспособность.

Выбор микросхем для счётчика:

Для выбора микросхем, я воспользовался информацией взятой со следующего сайта: http://lib.qrz.ru/book/export/html/5105

Воспользовавшись информацией с данного сайта я остановил свой выбор на микросхемах серии К155 (ТТЛ):

JK триггер - К155ТВ15 ,

Логическая «И» - К155ЛИ1

Логическая «ИЛИ» - К155ЛЛ1

Расчёт времени задержки и потребляемой мощности схемы:

Для расчёта времени задержки и общей потребляемой мощности схемы следует сосчитать количество всех элементов схемы.

JK триггеры – 5штук, логические «И» - 5штук и логическая «ИЛИ» - 1штука.

Т.к. счётчик является синхронным, то триггеры переключаются синхронно, соответственно время задержки всех пяти триггеров 21.5нс. В схеме присутствуют элементы «И» с названиями U7 и U8, которые находятся на одной линии задержки. Соответственно их задержка считается общей.

Общее время задержки:

Для определения потребляемой мощности схемы, следует сложить мощности для всех микросхем, предварительно перемножив мощность каждой микросхемы, на количество раз появления её в схеме.

Потребляемая мощность схемы: