Кодирование чисел с помощью электронно-вычислительных машин. Виды преобразователей кодов. Дешифраторы в системах цифровой индикации. Основные параметры серии микросхем на основе ТТЛШ технологий. Расчет электрической принципиальной схемы устройства.
Аннотация к работе
Контрольная работаХарактеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов, либо числом транзисторов, которые могут быть реализованы на кристалле. Для выполнения преобразования чисел из одного кода в другой существуют специальные преобразователи кодов. При кодировании положительных чисел в форме с фиксированной запятой необходимо помнить, что все числа, которые будут обрабатываться в форме с фиксированной запятой, должны быть целыми, т. е., запятая должна находиться справа от младшего разряда. Кроме того, при изображении кодов чисел возникает необходимость отделения знакового нулевого разряда от кода модуля числа. Микросхема К555ИМ6 - четырехразрядный полный двоичный сумматор с ускоренным переносом, выполняет операцию сложения двух четырехразрядных чисел в двоичном коде с учетом переноса из младшего разряда и выдает сумму этих чисел и перенос в старший разряд.По заданию для построения устройства преобразователя прямого кода в дополнительный была разработана его структурная схема, выбрана элементная база, микросхемы серии К555, разработана принципиальная схема и чертеж печатной платы.
Введение
Цифровая электроника в настоящее время все более и более вытесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, производящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заявляют о полном переходе на цифровую технологию. Причем это относится как к бытовой технике (аудио, видеоаппаратура, средства связи), так и к профессиональной технике (измерительная, управляющая аппаратура).
Элементную базу цифровых устройств составляют интегральные схемы (ИС). Со времени их изобретения (США 1959 г.) ИС постоянно усовершенствуются и усложняются.
Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов, либо числом транзисторов, которые могут быть реализованы на кристалле.
Различия в уровне интеграции делят ИС на несколько категорий: МИС, СИС, БИС, СБИС и УБИС (соответственно малые, средние, большие, сверхбольшие и ультрабольшие). Практическое использование находят все категории.
В тоже время бурное развитие цифровых методов обработки информации и внедрения в практику сложнейших вычислений влечет за собой производство микропроцессорных систем (МПС).
Их аппаратурная реализация, включающая микропроцессоры, контроллеры, системные платы, шины, накопители, системы вывода видео- и аудиоинформации и т. д., во многом обеспечивает заданные уровни вычислительной мощности и функциональных возможностей систем, использующих эти средства.
Разработкой аппаратурных средств МПС занимаются множество фирм. Использование при разработке различных конструктивно-технологических принципов порождает большое разнообразие вариантов их построения высокопроизводительных вычислительных систем (ВС).
В ВС реализуются разные виды арифметических операций: сложение, вычитание, умножение и деление.
В вычислительных системах операции вычитания сводятся к операциям сложения, а операции деления, умножения сводятся к операциям сложения и сдвига промежуточных результатов влево или вправо в зависимости от выполняемого действия. Это становится возможным, если в операциях будут участвовать не сами числа, а их коды. Существует три вида кодов: прямой, обратный и дополнительный.
Для выполнения преобразования чисел из одного кода в другой существуют специальные преобразователи кодов.
Целью данного курсового проекта является проектирование преобразователя прямого кода в дополнительный код.
1. Общая часть
1.1 Кодирование чисел в ЭВМ
Существуют два основных формата представления чисел в памяти компьютера. Один из них используется для кодирования целых чисел (формат с фиксированной запятой), второй (так называемое представление числа в формате с плавающей точкой) используется для задания некоторого подмножества действительных чисел. Все целые числа хранятся в памяти компьютера в формате с фиксированной запятой. В этом случае каждому разряду ячейки памяти соответствует всегда один и тот же разряд числа, а запятая "располагается" справа от младшего разряда (вне разрядной сетки).
При кодировании положительных чисел в форме с фиксированной запятой необходимо помнить, что все числа, которые будут обрабатываться в форме с фиксированной запятой, должны быть целыми, т. е., запятая должна находиться справа от младшего разряда.
Кроме того, при изображении кодов чисел возникает необходимость отделения знакового нулевого разряда от кода модуля числа. Проще всего отделять код знака от кода числа точкой.
При представлении положительных чисел в форме с фиксированной запятой прямой, дополнительный и обратный коды совпадают по изображению. В знаковой части ставится нуль, который кодирует знак плюс.
Коды отрицательных чисел в форме с фиксированной запятой (в отличие от положительных) имеют различный вид, т. е., не совпадают по изображению.
Последовательность и правила кодирования двоичного отрицательного числа минус 1010(2), представленного в формате восьмиразрядной сетки, приведены в таблице 1.
Правило перевода из дополнительного и обратного кодов в прямой аналогично правилу перевода из прямого кода в дополнительный и обратный, при этом код знаковой части преобразованию не подвергается.
1.2 Преобразователи кодов
Преобразователи кодов служат для перевода одной формы числа в другую. Их входные их выходные переменные однозначно связаны между собой. Эту связь можно задать таблицами переключений или логическими функциями. Рассмотрим наиболее распространенные виды преобразователей кодов. Шифратор (кодер) преобразует одиночный сигнал в n-разрядный двоичный код. Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации (пультах управления) для преобразования десятичных чисел в двоичную систему счисления. Условное графическое обозначение:
Дешифратор (декодер) преобразует код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов. Дешифраторы широко применяются в устройствах управления, в системах цифровой индикации с газоразрядными индикаторами, для построения распределителей импульсов по различным цепям. Условное графическое обозначение дешифратора в соответствии с рисунком 2:
2. Специальная часть
2.1 Разработка структурной схемы устройства
На основании выданного задания, приведенного в приложении А, разрабатывается структурная схема устройства преобразователя прямого кода в дополнительный в соответствии с рисунком 3.
Структурная схема состоит из: - узла формирования обратного кода;
- узла формирования дополнительного кода;
- блока индикации, предназначенного для отображения результата преобразования.
2.2 Выбор элементной базы устройства
В структурной схеме для построения устройства будут использованы микросхемы серии К555. Микросхемы серии К555 представляют собой цифровые маломощные схемы, выполненные по биполярной технологии на основе транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ).
Микросхемы полностью совместимы с интегральными схемами серий К133, К155, КМ155 по логическим уровням, напряжению питания, помехоустойчивости и при одинаковом быстродействии потребляют в пять раз меньшую мощность от источника питания на один базовый элемент. Микросхемы серии К555 выполнены в пластмассовых и стеклокерамических корпусах с двухрядным расположением выводов (типа DIP). В качестве базового логического элемента (ЛЭ) микросхем К555 использован ЛЭ типа И - НЕ. Основные параметры серии К555 приведены в таблице 2:
Для построения узла формирования обратного кода выбрана следующая микросхема К555ИМ6. Микросхема К555ИМ6 - четырехразрядный полный двоичный сумматор с ускоренным переносом, выполняет операцию сложения двух четырехразрядных чисел в двоичном коде с учетом переноса из младшего разряда и выдает сумму этих чисел и перенос в старший разряд. Напряжение питания 0В подается на вывод 8, плюс 5В на вывод 16. Условное графическое обозначение микросхемы К555ИМ6 в соответствии с рисунком 4.
Состояния входов и выходов микросхемы К555ИМ6 приведены в таблице 3. Функциональная схема микросхемы К555ИМ6 в соответствии с рисунком 5:
Микросхема К555ЛП5 - выполняет функцию неравнозначности, т. е., сигнал на выходе принимает состояние высокого уровня при несовпадении сигналов на входах, является сумматором по модулю два.
Так как входная величина равна сумме двух входных одноразрядных величин с основанием два. Напряжение питания 0В подается на вывод семь, 5В на вывод 14.
Условное графическое обозначение микросхемы К555ЛП5 в соответствии с рисунком 6:
Функциональная схема логического элемента ИСКЛ ИЛИ в соответствии с рисунком 7:
2.3 Разработка электрической принципиальной схемы
На основании разработанной структурной схемы и выбранной элементной базы разрабатывается электрическая принципиальная схема устройства.
Узел формирования обратного кода строится на двух микросхемах К555ЛП5. Взято две микросхемы, потому что разрядность входного числа равна восьми.
Узел формирования дополнительного кода строится на двух микросхемах К555ИМ6, соединенных последовательно для наращивания разрядности. Схема узла формирования обратного кода в соответствии с рисунком 8:
Схема узла формирования дополнительного кода в соответствии с рисунком 9:
Блок индикации строится на восьми резисторах и восьми светодиодах. Схема блока индикации приведена на рисунке 10:
Электрическая принципиальная схема приведена в графической части на листе КП.19.00. 000 Э3.
2.4 Расчет электрической принципиальной схемы устройства
Прямой ток Іпр, А, протекающий через светодиод, определяется по формуле: (1)
Обратное напряжение, прикладываемое к светодиоду, определяется по формуле:
Прямое напряжение, прикладываемое к светодиоду, определяется по формуле:
Для реализации блока индикации выбраны восемь сверх ярких красных светодиодов типа КИПД21 Р-К с яркостью 3000МККД, в корпусе 5мм.
Параметры светодиода представлены в таблице 4:
Сопротивление резистора R1,Ом определяется по формуле: R1 = (4)
Где: Ід - прямой ток диода, А;
UR - напряжение, потребляемое резистором, В.
R1 = = 6,25 КОМ.
Из стандартного ряда номиналов резисторов Е24 выбрано сопротивление резистора R1, равное 6,2 КОМ.
Мощность PR, Вт, рассеиваемая на резисторе R1 определяется по формуле: PR1 = R1 ( )2 (5)
PR1 = 6,25 (0,4)2 = 0,001 Вт.
Из справочника, по ГОСТ 2825-67 выбран резистор R1 типа МЛТ-0,125-6,2 КОМ ± 5%.
Мощность PDDI,Вт потребляемая каждой микросхемой определяется по формуле: PDDI = Uпит IПОТРDDI (6)
Где: Uпит - напряжение питания микросхем, В;
IПОТРDDI - ток потребления микросхемы, А.
Мощность P1, Вт потребляемая микросхемой DD1 определяется по формуле (6) и равна: PDD1 = 5 0,08 = 0,4 Вт.
Мощность P2, Вт потребляемая микросхемой DD2 определяется по формуле (6) и равна: PDD2 = 5 0,034 = 0,17 Вт.
Мощность PVD, Вт, потребляемая светодиодом VD1,Вт определяется по формуле (6) и равна: PVD = Uпит Іпотр VDI (7)
Где: Uпит - напряжение питания диода, В;
Іпотр VDI - ток потребления диода, А.
PVD = 5 0,01 = 0,05 Вт.
Общая мощность, потребляемая всем устройством, определяется по формуле: Робщ = P DD1 n PDD3 n PR1 m PVD1 l (8)
Где: n - количество микросхем;
m - количество резисторов;
l - количество светодиодов.
Робщ = 0,4 2 0,17 2 0,001 8 0,05 8 = 1,548 Вт.
2.5 Описание работы принципиальной схемы
Работа устройства начинается с подачи напряжения питания на контакты ХР 1 и ХР 10.
На один из входов логических элементов микросхем DD1, DD2 подается восьмиразрядное число А, на второй вход логических элементов подается знак числа.
Микросхемы DD1, DD2 работают как инверторы, если число отрицательное (А9 = 1), либо как повторитель если число положительное (А9 = 0). На выходах микросхем DD1,DD2 формируется обратный код числа А. На вход P0 микросхемы DD3 подается единица для получения дополнительного кода числа, если число отрицательное.
Так как входы B микросхем DD3, DD4 не используются, то на них подается низкий уровень. На входы А микросхем DD3, DD4 подается обратный код числа А.
На выходах микросхем DD3, DD4 формируется дополнительный код числа А, который также индицируется на светодиодах.
2.6 Разработка чертежа печатной платы
На основании разработанной принципиальной схемы и выбранной элементной базы разрабатывается двусторонний чертеж печатной платы.
Для определения площади печатной платы определяют площадь проекций каждого элемента на поверхность платы. Площади проекций всех элементов приведены в таблице 5:
Общая площадь всех элементов определяется по формуле: Sэл = SDD1 N SDD3 N SR1 N SVD1 N (9)
Где: N - количество элементов.
Sэл = 522,6 2 522,6 2 22 8 106 8 = 3114,4мм2.
Площадь печатной платы определяют по формуле: SПП = (10)
Где: k - оптимальный коэффициент заполнения рационального использования площади печатной платы выбирается из диапазона от 0,4 до 0,6.
Для расчета выбран коэффициент 0,5.
SПП = = 6228,8 мм2.
Линейные размеры платы рассчитываются по формуле: SПП = a b (11)
Где: a, b - линейные размеры платы, мм.
6228,8 = 78,9 78,9.
Чертеж печатной платы устройства приведен в графической части Лист КП 19.00.000.
Вывод
По заданию для построения устройства преобразователя прямого кода в дополнительный была разработана его структурная схема, выбрана элементная база, микросхемы серии К555, разработана принципиальная схема и чертеж печатной платы. Так же была рассчитана общая мощность потребляемая данным устройством, которая составляет 1,548 Вт. Такая низкая мощность обуславливается практическим отсутствием активных элементов, а также ТТЛШ технологией, на основе которой выполнены все микросхемы.
Данное устройство можно применять в АЛУ для решения различных задач с кодами чисел и их преобразования.
Список литературы
дешифратор цифровой микросхема
1. Мальцев П.П. справочник цифровые интегральные микросхемы. М.: Радио и связь, 1990. - 239 с.
2. Быстров Ю.А. Сто схем с индикаторами. М.: Радио и связь,1990. - 400 с.
3. Назаров Г.В. Сварка и пайка в микроэлектронике. М.: Советское радио,1969. - 215 с.
4. Акимов Н.Н., Ващуков Е. и др. Справочник резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Минск: Беларусь, 1994. - 591 с.
5. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 300 с.
6. Келим Ю.М. Вычислительная техника. М.: ACADEMIA, 2005.
7. Мышляева И.М. Цифровая схемотехника. М.: ACADEMIA, 2005. - 400 с.
8. Шафрин Ю. Информационные технологии. М.: Лаборатория базовых знаний. 2000. - 390 с.