Синтез цифрового автомата

Міністерство освіти Російської Федерації

Архангельський державний технічний університет

Факультет промислової енергетики, IV курс 3 група

Кафедра автоматизації технологічних процесів і виробництв

Курсова робота

з дисципліни В«Системи автоматизації і управління В»

Тема: В«Синтез цифрового автоматаВ»

Виконав і захистив курсову роботу

ШУГАЕПОВ ДМИТРО ФАЗИЛОВІЧ

Керівник роботи: Цибаков Б.В.

Архангельськ 2008

ЗАВДАННЯ

Необхідно розрахувати і побудувати схему цифрового автомата. Варіант завдання - 25. Алгоритм функціонування схеми представлений на малюнку 1. Використовувати мікросхеми серії 561. Тригери - ТВ1. Початковий стан автомата - а 6 . Перехід а 1 в†’ а 3 .

Рисунок 1 - Алгоритм функціонування схеми

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до курсової роботи містить 19 сторінок, 5 малюнків і 5 таблиць.

В курсовій роботі проводиться розрахунок і побудова цифрового автомата, функціонуючого відповідно до заданим алгоритмом. При побудові схеми використовуються мікросхеми конкретної серії. В роботі дано опис переходу автомата з одного стану в інший.

ЗМІСТ

Введення

1. Загальні відомості про цифрове автоматі

2. Розрахунок і побудова схеми цифрового автомата

2.1 Кодування станів

2.2 Складання таблиці функціонування комбінаційного вузла автомата

2.3 Запис логічних виразів

2.4 Опис обраного дешифратора і тригера

2.4.1 Дешифратор

2.4.2 Тригер

2.5 Побудова схеми та опис її роботи на переході а 1 в†’ а 3

Висновок

Література

ВСТУП

дешифратор тригер цифровий автомат

Випускаються в даний час мікросхеми і пристрої на їх основі не можуть охопити весь спектр технічних завдань. Інженерам і фахівцям на різних підприємствах доводиться часто вирішувати питання, пов'язані з побудовою різних пристроїв, схем і модулів на основі інтегральних мікросхем. При вирішенні подібних завдань необхідно орієнтуватися в різних серіях мікросхем і знати основні принципи побудови пристроїв на їх основі.

Цифрові методи та цифрові пристрої, реалізовані на інтегральних мікросхемах різного ступеня інтеграції, мають широкі перспективи використання в цифрових системах передачі і розподілу інформації. На базі знань у цій області грунтується вивчення складних цифрових систем. Ці знання необхідні для майбутніх фахівців з розробки та експлуатації обчислювальної техніки, а також різних автоматизованих пристроїв.

У даній роботі розглянуто задачу побудови по заданому алгоритмом цифрового автомата, тобто деякого логічного пристрою, містить елементи пам'яті (у нашому випадку - тригери). Автомат може використовуватися для управління будь-якими вузлами, для активізації процесів в інших модулях. Заздалегідь заданий алгоритм роботи, і потрібно на базі мікросхем масового виробництва побудувати пристрій, що функціонує точно за алгоритмом.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО цифрових автоматів

Цифровим автоматом називають дискретний перетворювач інформації, здатний приймати різні стани, переходити під впливом вхідних сигналів, або команд програми рішення задачі, з одного стану в інший і видавати вихідні сигнали. Автомат називається кінцевим, якщо безліч його внутрішніх станів, а також безлічі значень вхідних і вихідних сигналів кінцеві.

Цифрові автомати можуть бути з "Жорсткою", або схемної, логікою і з логікою, що зберігається в пам'яті. Розрізняють два класи автоматів: асинхронні і синхронні.

Синхронний автомат характеризується тим, що функціонує під управлінням тактових (або синхронізуючих) сигналів - ТЗ, з постійною тривалістю t ТЗ і постійною частотою f ТЗ. Період слідування сигналів ТС повинен бути більше або дорівнює часу, який необхідно реальному автомату для переходу з одного стану в інший.

В асинхронних автоматах тривалість інтервалу часу, протягом якого залишається незмінним стан вхідних сигналів, є величиною змінною і визначається часом, який необхідно автомату для установки відповідних вихідних сигналів і завершення переходу в новий стан. Отже, асинхронний автомат повинен формувати яким-небудь підходящим способом сигнал про завершення чергового такту, по якому поточні вхідні сигнали можуть бути зняті, після чого може початися наступний такт, тобто можливе надходження нових вхідних сигналів.

Для завдання кінцевого автомата фіксуються три кінцевих безлічі:

- безліч можливих вхідних сигналів:

X = {x 1 , x 2 , ..., x m } (1)

- безліч можливих вихідних сигналів:

Y = {y 1 , y 2 , ..., y k } (2)

- безліч можливих внутрішніх станів автомата:

A = {a 0 , a 1 , ..., a n } (3)

Крім того, на безлічі станів автомата фіксують одне з внутрішніх станів а 0 в якості початкового стану.

Поняття стан автомата використовується для опису систем, вихідні сигнали яких залежать не тільки від вхідних сигналів в даний момент часу, але і від деякої передісторії, тобто сигналів, які надходили на входи системи раніше. Отже, цифрові автомати відносяться до послідовних схема, які володіють пам'яттю.

В даний час в класі синхронних автоматів розглядають, в основному, два типи автоматів: автомат Мілі і автомат Мура.

Закон функціонування автоматів Мілі може бути заданий таким чином:

a t +1 = f a t , x t (4)

y t = О¦a t , x t (5)

де t = 1, 2, .....

а t +1 - нове стан цифрового автомата;

а t - попереднє стан автомата;

y t - вихідні сигнали поточного часу;

x t - сигнали на вході в даний момент часу.

Відмінна особливість автоматів Милі полягає в тому, що їх вихідні сигнали в деякий момент часу залежать як від стану автомата, так і від значення вхідного сигналу в цей же момент часу.

Функції переходів і виходів автомата Мура:

a t +1 = f a t , x t (6)

y t = О¦a t (7)

Послідовність дій автомата по формуванню вихідних сигналів і сигналів управління тригерами з урахуванням вхідних сигналів може бути задана за допомогою алгоритму. Алгоритм фактично є форматізірованним поданням завдання з побудови цифрового пристрою, де визначені групи вхідних сигналів для ініціалізації пристроїв схеми (наприклад, операційного пристрою процесора) в залежності від надходження тих чи інших вхідних сигналів (x). Задати цифровий автомат зручно з допомогою графа. Графом називається непорожня скінченна множина вузлів (вершин) разом з безліччю дуг (гілок), що з'єднують пари різних вузлів. Граф зазвичай представляється в наочній формі, при цьому вершини зображуються точками або колами, а гілки зображуються лініями, що з'єднують відповідні вузли. Таким чином, графи можна використовувати для математичного моделювання самих різноманітних систем і структур електричних схем, обчислювальних мереж і т.д.

У загальному випадку структурна схема цифрового автомата може бути представлена ​​у вигляді трьох основних вузлів (малюнок 2).

- пам'ять - фіксує внутрішній стан цифрового автомата.

- комбінаційна схема управління пам'яттю.

- комбінаційна схема формування вихідних сигналів.

Сигнали стану пам'яті йдуть на обидві комбінаційні схеми. В автоматі Мура вихідні сигнали залежать тільки від стану пам'яті і є функціями. В автоматі Міля вихідні сигнали і сигнали управління пам'яттю залежать від стан...у пам'яті та вхідних сигналів.

Малюнок 2 - Керуючий пристрій зі схемною логікою

2. РОЗРАХУНОК І ПОБУДОВА СХЕМИ ЦИФРОВОГО АВТОМАТА

2.1 Кодування станів

Необхідно виконати розрахунок і провести побудова схеми цифрового автомата - пристрої, функціонуючого за певним алгоритмом. На вхід автомата подаються вхідні сигнали x 1 ... x 5 , на виході формуються сигнали для управління деякими пристроєм y 1 ... y 7 . До складу такого пристрою входять елементи пам'яті - тригери. Значення вихідних сигналів пристрою залежать не тільки від аргументів на вході, але і від попереднього стану автомата, яке фіксується елементами пам'яті.

Схема алгоритму функціонування цифрового автомата показана на малюнку 3. За алгоритмом пристрою з урахуванням внутрішньої структури та можливостей поєднання операцій визначено внутрішні стани. Місце на алгоритмі, де автомат фіксує внутрішній стан, зазначено хрестиком, і проставлено буквене позначення з відповідним індексом. Початкове стан автомата - a 6 . Внутрішні стану фіксують цифровий автомат в вигляді кодової комбінації стану пам'яті і забезпечують затримку для виконання дій в ОУ, підготовку та аналіз вхідних сигналів.

Тепер є всі три безлічі величин, необхідних для завдання ЦА: безліч вхідних сигналів X, вихідних сигналів Y, внутрішніх станів A.

Далі потрібно закодувати (за допомогою коду 8-4-2-1) позначені внутрішні стани. Тобто кожному внутрішньому стану присвоюється двійковий код. Кодування станів представлено в таблиці 1.

Таблиця 1 - Кодування станів цифрового автомата

Стан автомата

Q 4

Q 3

Q 2

Q 1

Двійковий код

а 0

0 0 0 0 0000

а 1

0 0 0 1 0001

а 2

0 0 1 0 0010

а 3

0 0 1 1 0011

а 4

0 1 0 0 0100

а 5

0 1 0 1 0101

а 6

0 1 1 0 0110

а 7

0 1 1 1 0111

а 8

1 0 0 0 1000

а 9

1 0 0 1 1001

а 10

1 0 1 0 1010

а 11

1 0 1 1 1011

Для побудови цифрового автомата буде застосовуватися серія мікросхем 561.

Даний ЦА буде будуватися на JK-тригерах 561ТВ1. Число тригерів для побудови регістра станів одно розрядності кодової комбінації стану. У даному автоматі використовується чотири тригери. Тригери за своєю структурою є динамічними, що є важливим при побудові схем цифрових автоматів. Використання таких тригерів запобігає явище гонок, яке може призвести до неправильної роботі автомата.

Для подальших розрахунків потрібно таблиця переходів тригера (таблиця 2).

Рисунок 3 - Алгоритм функціонування цифрового автомата

Таблиця 2 - Таблиця переходів JK-тригера

Перехід J K 0 в†’ 0 0 в”Ђ 0 в†’ 1 1 в”Ђ 1 в†’ 0 в”Ђ 1 1 в†’ 1 в”Ђ 0

2.2 Складання таблиці функціонування комбінаційного вузла автомата

Таблиця функціонування комбінаційного вузла автомата (Таблиця 3), заповнюється на основі графа, який зручно використовувати для завдання цифрового автомата.

Стан пристрою в графі буде відповідати вершин (Вузлів) графа, воно позначено кружком і буквеним позначенням стану. Вузли з'єднуються дугами, які показують напрямок переходу. На дугах записані умови переходу, під дією яких він відбувається, і вихідні сигнали, які при цьому повинні бути сформовані. Значення вихідних сигналів y 1 ... y 7 змінюється тільки при наступному перемиканні тригерів (при настанні наступного активного рівня). Граф представлений на малюнку 4.

Малюнок 4 - Граф переходів автомата

Граф побудований на основі алгоритму і містить повну інформацію про цифровому автоматі: число станів, переходи між станами, вплив зовнішніх умов, що формуються при переході керуючі сигнали.

Після побудови графа потрібно на його основі заповнити таблицю функціонування комбінаційного вузла автомата (таблиця 3).

Стовпці 1, 6, 11-16 і 25-31 заповнюються за графу переходів; 2-5, 7-10 - за таблицею кодування станів; 17-24 - за таблицею переходів.

Таблиця 3 - Таблиця функціонування комбінаційного вузла автомата

Стан автомата Умова переходу Сигнали управління тригером Вихідні сигнали Початкове Нове Т4 Т3 Т2 Т1 a

Q 4

Q 3

Q 2

Q 1

a

Q 4

Q 3

Q 2

Q 1

x 1

x 2

x 3

x 4

x 5

x 6

J 4

K 4

J 3

K 3

J 2

K 2

J 1

K 1

y 1

y 2

y 3

y 4

y 5

y 6

y 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

a 6

0 1 1 0

a 0

0 0 0 0 - - - - - - 0 - - 1 - 1 0 - 1 0 0 0 0 0 0

a 0

0 0 0 0

a 1

0 0 0 1 - 0 - - - - 0 - 0 - 0 - 1 - 1 0 1 0 0 1 0

a 0

0 0 0 0

a 9

1 0 0 1 - 1 - - - - 1 - 0 - 0 - 1 - 1 0 1 0 0 0 0

a 1

0 0 0 1

a 2

0 0 1 0 - - 1 - - - 0 - 0 - 1 - - 1 1 1 0 0 1 0 1

a 1

0 0 0 1

a 3

0 0 1 1 - - 0 - 1 - 0 - 0 - 1 - - 0 1 0 1 0 0 0 0

a 1

0 0 0 1

a 4

0 1 0 0 - - 0 - 0 - 0 - 1 - 0 - - 1 0 0 0 0 0 0 0

a 2

0 0 1 0

a 3

0 0 1 1 0 - - - - - 0 - 0 - - 0 1 - 0 0 0 0 0 0 0

a 2

0 0 1 0

a 10

1 0 1 0 1 - - - - - 1 - 0 - - 0 0 - 0 0 0 0 0 0 0

a 3

0 0 1 1

a 4

0 1 0 0 - - - - - - 0 - 1 - - 1 - 1 1 1 0 0 1 0 0

a 4

0 1 0 0

a 5

0 1 0 1 - - - - - - 0 - - 0 0 - 1 - 1 0 1 0 0 0 1

a 5

0 1 0 1

a 7

0 1 1 1 - - - - - - 0 - - 0 1 - - 0 0 0 1 1 0 0 0

a 7

0 1 1 1

a 6

0 1 1 0 - - - - - 1 0 - - 0 - 0 - 1 0 0 1 0 0 1 0

a 7

0 1 1 1

a 8

1 0 0 0 - - - - - 0 1 - - 1 - 1 - 1 1 0 0 0 0 1 0

a 8

1 0 0 0

a 6

0 1 1 0 - - - 1 - - - 1 1 - 1 - 0 - 1 0 0 1 0 0 1

a 8

1 0 0 0

a 9

1 0 0 1 - - - 0 - - - 0 0 - 0 - 1 - 0 0 0 0 0 0 0

a 9

1 0 0 1

a 10

1 0 1 0 - - - - - - - 0 0 - 1 - - 1 1 0 0 1 0 1 0

a 10

1 0 1 0

a 11

1 0 1 1 - - - - - - - 0 0 - - 0 1 - 1 0 0 1 1 0 0

a 11

1 0 1 1

a 5

0 1 0 1 - - - - - - - 1 1 - - 1 - 0 0 0 1 0 1 0 0

2.3 Запис логічних виразів

Після заповнення таблиці переходимо до запису логічних виразів. Даний цифровий автомат є автоматом Мілі - вихідні сигнали і сигнали управління пам'яттю є функцією вихідного стану і зовнішніх умов. Запишемо функції для вихідних сигналів y 1 ... y 7 і сигнали управління тригерами J 4 ... J 1 і K < sub> 4 ... K 1 .

Застосуємо закон склеювання і отримаємо скорочену форму цих рівнянь:

Таким чином, в результаті аналізу вихідного алгоритму і виконаних розрахунків, отримані логічні вирази для побудови схеми цифрового автомата Мілі.

2.4 Опис обраного дешифратора і тригера

2.4.1 Дешифратор

У схему вводиться дешифратор, призначення якого - перетворити кодову комбінацію пам'яті в стан цифрового автомата. У автомата 12 станів. Зі складу серії 561 виберемо двійково-десятковий дешифратор 561ІД1 з 10 прямими виходами. Мікросхема має 4 входу для подачі коду 1-2-4-8. Вихідний сигнал лог. 1 з'являється на те виході дешифратора, номер якого відповідає десятковому еквіваленту вхідного коду, на інших виходах дешифратора при цьому лог. 0. Мікросхема не має спеціального входу стробування, однак для побудови дешифраторів з числом виходів більше 10 можна використовувати для стробування вхід 8 мікросхем, так як вихідний сигнал може з'явитися на виходах 0-7 лише при лог. 0 на вході 8.

Таблиця 4 - Основні параметри дешифратора 561ІД1

Параметри (T = +25) при живленні E = +5 E = +10 Вихідний струм логічного 0, мА 0.45 0.9 При вихідній напрузі, В 0.8 1.0 Вихідний струм логічної 1, мА 0.32 0.65 При вихідній напрузі, В 4.2 9.0 Затримки поширення, нс 810 320

2.4.2 Тригер

За завданням тригера 561ТВ1, він містять по два JK-тригера. Кожен тригер має вхід J, вхід К, вхід R - встановлення тригера в 0, вхід S - встановлення в 1 і вхід подачі тактових імпульсів С. Установка тригера в нульовий стан відбувається при подачі лог. 1 на вхід R, установка в одиничний стан - при подачі лог. 1 на вхід S.

Якщо на входах J і К - лог. 1, то по кожному спаду імпульсу (зріз) на тактовій вході З тригер перемикається в протилежний стан. Якщо на входах J і К лог. 0, зміни стану по імпульсам на вході С не відбувається. Якщо перед спадом імпульсу на вході З лог. 1 є на вході J, лог. 0 на вході К, по спаду тригер встановиться в одиничне стан незалежно від попереднього. Якщо перед спадом на вході J - лог. 0, на вході К - лог. 1, по спаду імпульсу на вході З тригер встановлюється в нульовий стан. Тригер безпосередньо не реагує на зміна сигналів на входах J і К, грають роль лише рівні сигналів на цих входах перед спадом імпульсу на вході С.

Таблиця 5 - Параметри тригера 561ТВ1

Параметри (T = +25) при живленні E = +5 E = +10 Вихідний струм логічного 0, мА 0.24 0.5 При вихідній напрузі, В 0.8 1.0 Вихідний струм логічної 1, мА 0.06 0.27 При вихідній напрузі, В 4.2 9.0 Затримки поширення, нс від C 590 240 від R, S 520 240

2.5 Побудова схеми та опис її роботи на переході а 1 в†’ а 3

Схему будемо реалізовувати в базисах АБО-НЕ, И-НЕ і НІ, з цією метою логічні функції слід перетворити по де Моргану.

У схему також подаються сигнали тактирования тригерів С і сигнал початкової установки (Н.У.). Сигнал С подається на входи С всіх тригерів, а сигнал початкової установки - на відповідні входи R і S тригерів, так щоб при його подачі тригери встановлювалися в початковий стан а 6 = 0110. Для цього в момент включення схеми на входи R тригерів ТТ1, ТТ4 і на входи S тригерів ТТ2, ТТ3 з Н.У. подається короткочасний імпульс, рівний лог. 1, а так як на входи S тригерів ТТ1, ТТ4 і на входи R тригерів ТТ2, ТТ3 постійно подається лог. 0, то на тригерах ТТ1, ТТ4 встановиться нульовий стан, а на тригерах ТТ2, ТТ3 - одиничне. Таким чином на тригерах встановиться стан а 6 = 0110.

Резистор в схемі вибирається таким чином, щоб на елементі D4.3 створювався рівень лог. 1. Для елемента D4.3 параметри вхідної лог. 1 такі: U вх = 4,2 В і I вх = 0,8 мА. Тоді, враховуючи що напруга живлення U п = 5 В, опір резистора розрахуємо за формулою:

(53)

Таким чином вибираємо резистор: МЛТ - 0,125 Вт, 1 кОм В± 5%.

Будемо вважати, що пристрій, для якого формуються сигнали, підключається до проектованого через роз'єми X1, X2. Через вхідний роз'єм з інших схем на схему надходять вхідні сигнали, сигнали тактирования і сигнал початкової установки. На вихідний роз'єм подаються сформовані вихідні сигнали.

Принципова схема цифрового автомата показана на рисунку 5.

Для опису роботи цифрового автомата заданий перехід а 1 в†’ а 3 . Формування вихідних сигналів і новий стан автомата відповідає таблиці функціонування комбінаційного вузла автомата (таблиця 3).

Так як стан до переходу а 1 , то тригер ТТ1 знаходяться в одиничному стані, а ТТ2, ТТ3 і ТТ4 - в нульовому. На входах 10, 13, 12, 11 дешифратора D1 буде комбінація 1000, а на входах 10, 13, 12, 11 дешифратора D2 буде комбінація 1001. Тоді на всіх виходах дешифратора D1 крім 1-го, будуть лог. 0, на 1-му вході - лог. 1, а на всіх виходах дешифратора D2 крім 9-го, будуть лог. 0, але дев'ятого вихід на роботу схеми не впливає. Також в схему подаються сигнали x 3 = 0 і x 5 = 1.

Формування сигналів на логічних елементах в схемі відбувається за наступними правилами:

1) Лог. 1 для елементів АБО-НЕ є активним рівнем, тому потрапляючи на будь вхід елемента АБО-НЕ вона однозначно визначає що на виході в нього буде лог. 0. Якщо на всіх входах АБО-НЕ будуть лог. 0, то на виході утворюється лог. 1.

2) Лог. 0 для елементів І-НЕ є активним рівнем, тому потрапляючи на будь вхід елемента І-НЕ він однозначно визначає що на виході в нього буде лог. 1. Якщо на всіх входах І-НЕ будуть лог. 1, то на виході утворюється лог. 0.

Далі формуються вихідні сигнали у 1 = 1, у 2 = 0, у 3 = 1, у 4 = 0, у 5 = 0 у 6 = 0 і у 7 = 0, а також сигнали управління тригерами J 1 = 0, K 1 = 0, J 2 = 1, K 2 = 0, J 3 = 0, K 3 = 0, J 4 = 0, K 4 = 0. Отже при подачі на схему синхроімпульса З тригери ТТ1, ТТ3 і ТТ4 збережуть своє попереднє стан, так як у них на настановних входах комбінація J = K = 0, а тригер ТТ2 переключиться в одиничний стан, так як у нього на настановних входах комбінація J = 1 K = 0. Таким чином автомат перейде зі стану а 1 в стан а 3 .

Висновок

У даній роботі був виконаний синтез схеми цифрового автомата.

Цифровий автомат може бути виконаний на базі будь-якої серії мікросхем. Автомат, що працює по одному алгоритму, може бути побудований (у Залежно від застосовуваної серії) за різними схемами. Можливо використання не мінімального базису І, АБО, НЕ або мінімальних базисів АБО-НЕ, І-НЕ, НЕ.

При синтезі схем необхідно стежити за тим, щоб застосовувані мікросхеми мали однакові логічні рівні і прийнятні часові показники. Так само слід враховувати при розробці тактирующие пристроїв швидкодію всього автомата в цілому, тому що до моменту наступного такту повинні бути сформовані всі вихідні сигнали і сигнали управління пам'яттю, інакше робота автомата буде невірною.

література

1 Калабеков Б.А., мамзель І.А. Цифрові пристрої і мікропроцесорні системи. - М.: Радіо і зв'язок, 1987.

2 Пухальський Г.І., Новосельцева Т.Я. Проектування дискретних пристроїв на інтегральних мікросхемах. - М.: Радіо і зв'язок, 1990.

3 Цибаков Б.В. Системи автоматизації і управління: Методичні вказівки до розрахунково-графічної роботі. - Архангельськ: Вид-во АГТУ, 2002.

4 Шило В.Л. Популярні мікросхеми КМОП. - М.: Ягуар, 1993.