Цифровые устройства и цифровые методы. 
Разработка преобразователя кодов

• Введение
• 1. Структурная схема
• 2.1 Синтез схемы формирования входного двоичного кода
• 2.2 Синтез схемы преобразования кодов
• 2.3 Выбор схемы управления
• 2.4 Выбор схемы индикации десятичного эквивалента преобразуемого кода
• 2.5 Анализ работы схемы
• 3. Техника безопасности
• Список литературы
• Приложение

В системах радио и проводной связи, в радиолокации, телевидении, в электронно-вычислительной технике и других областях электроники и связи широко применяются цифровые устройства и цифровые методы. Они имеют широкие перспективы использования в цифровых системах передачи и распределения информации. Одним из базовых цифровых устройств применяемом в многой цифровой аппаратуре наряду со счетчиками, мультиплексорами, шифраторами и дешифраторами является преобразователи кодов. Преобразователи кодов используют для преобразования одного кода в другой. Например, при передаче информации 8-разрядный двоично-десятичный код преобразуется в помехозащищенный код, обеспечивающий обнаружение, а при достаточной избыточности и исправление ошибок, возникающих в линейном тракте под воздействием внешних электрических влияний. Для синтеза преобразователей кода можно использовать обычные логические элементы, а при необходимости его массового изготовления разработать специализированную интегральную схему. Большие перспективы открыло изготовление первого микропроцессора в 1971 году. С этого времени начался процесс автоматизации физического и интеллектуального труда. Алгоритмы обработки цифровой информации и преобразования данных позволяют создавать программируемые преобразователи кода, являющиеся очень гибкими и технологичными устройствами, а также с весьма низкой себестоимостью, т.к. цены на микропроцессоры и PIC-контроллеры начальных уровней упали до смешной величины. При синтезе преобразователей кода целесообразно использовать новейшие компьютерные технологии, значительно облегчающие этот несложный, но кропотливый процесс. Применение систем автоматизированного проектирования позволяет объединить и упростить многие технологически этапы, автоматизировать процесс производства и сделать его более производительным и выгодным.

1. Структурная схема

Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на рисунке 1.

В разрабатываемое устройство входят следующие узлы:

Схема формирования входного двоичного кода.

Схема преобразования кодов.

Схема управления.

Схема индикации десятичного эквивалента преобразуемого кода.

Индикация выходного двоичного кода, состоящая из светодиодов.

Схема формирования входного двоичного кода строится на основе счетчика. На счетный С — вход счетчика поступают одиночные импульсы от схемы управления. На двоичных выходах счетчика последовательно формируются двоичные комбинации входного кода для их дальнейшего преобразования. В схеме предусмотрен режим установки в начальное состояние. Для этого на R — вход счетчика подается сигнал «Сброс» со схемы управления.

Схема преобразования входного двоичного кода в выходной двоичный код синтезируется в базисе «И-ИЛИ-НЕ». На ее вход последовательно подаются двоичные комбинации выходного кода. В схеме управления формируются два управляющих сигнала — «Пуск» и «Сброс» от механических переключателей. В схеме управления также используется триггер для подавления дребезга.

Схема индикации выходного двоичного кода позволяет наблюдать выходной двоичный код. Индикация осуществляется с помощью светодиодов, число которых равно разрядности выходного кода. В схему индикации десятичного эквивалента входят:

счетчик, на вход которого поступают одиночные импульсы от схемы управления, а на двоичных выходах формируется код «8−4-2−1»,

дешифратор, преобразующий двоичный код «8−4-2−1» в активный сигнал на одном из своих десятичных выходов,

светодиоды для индикации десятичного номера активизированного выхода.

2. Расчетный раздел

Расчетный раздел включает в себя следующие темы:

1. Синтез схемы формирования входного двоичного кода;

2. Синтез схемы преобразования кодов;

3. Выбор схемы управления;

4. Выбор схемы индикации десятичного эквивалента преобразуемого кода;

5. Анализ работы схемы.

2.1 Синтез схемы формирования входного двоичного кода

Схема формирования входного двоичного кода представляет собой счетчик. Счетчик синтезируется на триггерах.

Исходные данные для синтеза:

Входной двоичный код С изб 3.

Серия микросхем К155.

Базис «И-ИЛИ-НЕ».

Выбираем в заданной серии микросхем JK — триггер (он не имеет запрещенных состояний) — К155 ТВ1 (один JK — триггер с инверсными входами сброса). Триггер показан на рисунке 2.

Для построения счетчика потребуется четыре JK — триггера, так как код «С изб 3» — четырехразрядный. Следовательно, берем четыре микросхемы К155 ТВ1.

цифровое устройство преобразователь код Строим таблицу состояний счетчика (см. Таблицу 1).

Таблица 1.

Особенностью кода «С изб 3» является то, что кодовая комбинация, соответствующая любой из десятичных цифр, представляет собой инверсию комбинаций, соответствующей ее дополнению до девяти.

Приведем таблицу переходов JK — триггера (см. Таблицу 2).

Таблица 2

Строим карты Карно для J₁, K₁, J₂, K₂, J₃, K₃, J₄, K₄.

По картам Карно записываем логические выражения в форме МДНФ для J₁, K₁, J₂, K₂, J₃, K₃, J₄, K₄.

J1=1, K1=1

J2=X4*X3V X1, K2=X1

J3=X2*X1, K3=X2*X1VX4

J4=X3*X2*X1, K4=X3*Х4

Строим схему счетчика по полученным логическим выражениям.

2.2 Синтез схемы преобразования кодов

Схема преобразования кодов строится на логических элементах в базисе «И-ИЛИ-НЕ».

Исходные данные для синтеза:

Входной двоичный код «С изб 3»,

Выходной двоичный код «3а +2»,

Серия микросхем К155, Базис «И-ИЛИ-НЕ».

Последовательность синтеза:

Рассмотрим таблицу состояний преобразователя (см. Таблицу 3).

Таблица 3

Код «3а+2» интересен тем, что любая пара кодовых комбинаций отличается не менее чем в двух разрядах, что позволяет обнаружить ошибочные комбинации.

Для получения логических выражений составим карты Карно для переменных У₁, У₂, У₃, У₄, У₅.

У1=Х1

У2=Х2

У3=Х4*Х2*Х1 VХ4*Х3 VХ4*Х2*Х1VХ3*Х2*Х1VХ4*Х2*Х1

У4=Х4*Х3VХ3*Х1VХ4*Х2*Х1VХ3*Х2

У5=Х4

По полученным логическим выражениям выбираем в серии К155 следующие микросхемы: К155ЛИ3 (3 логических элемента 3И), К155ЛЛ1 (4 логических элемента 2ИЛИ), К155ЛИ1 (4 логических элемента по 2И) и строим преобразователь кодов с учетом выбранных микросхем.

2.3 Выбор схемы управления

Схема управления предназначена для формирования двух управляющих сигналов «Пуск» и «Сброс». Для этой цепи используем механический переключатель. При однократной установке ключа S1 в положение I формируется сигнал «Сброс», который подается на R-выходы триггеров в отдельных блоках устройства и устанавливает триггеры в начальное состояние. При однократной установке ключа S1 в положение II на С — входы поступает одиночный сигнал и формируется первое значение входного кода, которое затем преобразуется в выходной код. При вторичной установке ключа S1 в положение II формируется следующее значение входного двоичного кода.

Как известно, непосредственная передача сигнала от механических контактов на входы интегральных микросхем допустима не всегда из-за так называемого дребезга — многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в момент их переключения. На входы установки и сброса триггеров непосредственная подача сигналов допустима, а на счетные входы счетчиков — нет. В качестве элемента, подавляющего дребезг используют триггер (Рисунок 3).

Рисунок 3

2.4 Выбор схемы индикации десятичного эквивалента преобразуемого кода

Схема индикации предназначена для контроля, двоичный эквивалент какого десятичного числа преобразуется в данный момент.

Выберем следующие микросхемы: К155ИЕ14 — микросхема счетчика. Данный счетчик и назначение его выводов представлен на рисунке 4.

Рисунок 4

Выберем в качестве дешифратора микросхему К155ИД6. Она представляет собой универсальный дешифратор, позволяющий преобразовать четырехразрядный двоично-десятичный код в десятичный. Микросхема позволяет непосредственно подключать к своим выходам светодиоды. Условно-графическое изображение микросхемы К155ИД6 представлено на рисунке 5.

Рисунок 5.

2.5 Анализ работы схемы

Исходные данные для анализа — десятичное число 3 (двоичный эквивалент 0110 в коде с изб.3.). Проставим двоичный эквивалент числа 2 (0101) в разработанной принципиальной электрической схеме как текущее состояние счетчика, т. е на прямых выходах микросхем DD1, DD2,DD4,DD5 соответственно хранятся следующие сигналы: 1,0,1,0 (проводники 3, 5, 7,9), а на инверсных — 0, 1,0, 1 (проводники 4, 6, 8,10).

При подаче 3-го импульса со схемы управления на входы С анализируем работу триггеров:

На j, k входы первого триггера подается сигнал высокого уровня, значит, триггер переключается в состояние лог. «0» .

На вход 2 ИМС 7.1 с проводника 9 подается уровень лог. «0», следовательно, т.к. элемент 2И, на выходе элемента образуется уровень лог. «0» (проводник 11), который подается на вход 1 ИМС DD9.1, а на другой его вход с проводника 3 поступает уровень лог. «1», т.к. это элемент 2ИЛИ, на его выходе формируется сигнал «1», который подается на вход J2.

На входы К2 подается уровень лог. «1» с проводника 3, следовательно второй триггер находится в режиме переключения и устанавливается в состояние «1» .

На один из 3-х входов J третьего триггера подается лог. «0» с проводника 5, следовательно, J3=0.

На один из входов ИМС 7.2 с проводника 5 подается уровень лог. «0», следовательно, т.к. элемент 2И на выходе элемента образуется уровень лог. «0» (проводник 12), который и подается на вход элемента DD9.2, а на другой его вход подается лог. «0» с проводника 9, значит, на его выходе образуется лог. «0», который и подается на входы К3.

Таким образом, третий триггер находится в режиме хранения, и его состояние — «1» .

На один из 3-х входов J четвертого триггера подается лог. «0» с проводника 5, следовательно, J4=0.

На один из 3-х входов К четвертого триггера подается лог. «0» с проводника 9, следовательно, К4=0.

Таким образом, четвертый триггер находится в режиме хранения, и его состояние — «0» .

В итоге на выходе счетчика получится двоичная комбинация 0110, что соответствует десятичной цифре 3 входного кода.

Полученная комбинация поступает на входы преобразователя кодов:

С проводника 4 (у1) сигнал «1» подается на светодиод VD11, который светится.

С проводника 5 (у2) сигнал «1» подается на светодиод VD12, который светится.

С проводника 9 (у5) сигнал «0» подается на светодиод VD15, который не загорается.

На один из входов ИМС 8.1 с проводника 6 подается уровень лог. «0», следовательно, т.к. для элемента 3И он является активным логическим уровнем, на выходе элемента образуется уровень логического «0» (проводник 14).

На один из входов ИМС 8.2 с проводника 6 подается уровень лог. «0», следовательно, т.к. для элемента 3И он является активным логическим уровнем, на выходе элемента образуется уровень логического «0» (проводник 17).

На один из входов ИМС 11.1 с проводника 3 подается уровень лог. «0», следовательно, т.к. для элемента 3И он является активным логическим уровнем, на выходе элемента образуется уровень логического «0» (проводник 18).

На один из входов ИМС 11.2 с проводника 10 подается уровень лог. «0», следовательно, т.к. для элемента 3И он является активным логическим уровнем, на выходе элемента образуется уровень логического «0» (проводник 19).

Далее ИМС DD 13 осуществляет логическое сложение сигналов с проводников 14, 17, 18, 19, 11 (лог. «0»), следовательно, на выходе DD 13.4 формируется сигнал лог. «0» (у3), который по проводнику 26 подается на светодиод VD 13, и он не светится.

На входы ИМС 7.3 с проводников 5, 7 подается уровень лог. «1», следовательно, на выходе элемента образуется уровень лог. «1» (проводник 13).

На вход 12 ИМС 7.4 с проводника 3 подается уровень лог. «0», следовательно, на выходе элемента образуется уровень лог. «0» (проводник 27).

Далее ИМС DD 14 осуществляет логическое сложение сигналов с проводников 13, 11,27,20 (если на входы поступила хотя бы один лог. «1» (а он поступает с проводника 13), то на выходе тоже будет лог. «1», т.к. элементы осуществляют функцию лог. сложения), следовательно, на выходе DD 14.3 формируется сигнал лог. «1» (у4), который по проводнику 30 подается на светодиод VD 14, и он светится.

Вывод: при входном сигнале 0110 на узле преобразователя кода выходной сигнал равен 1 011, что соответствует таблице функционирования устройства (см. таблицу 3) — устройство работает правильно.

3. Техника безопасности

Электрические установки, к которым относятся практически все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую опасность, т.к. в процессе работы человек может коснуться предметов, находящихся под напряжением. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании тока через тело человека.

Задачей техники безопасности является разработка мероприятий и средств, с помощью которых исключается травматизм. Исключительно важное значение для предотвращения электротравматизма имеет правильная организация обслуживания действующих электроустановок ВЦ, проведение ремонтных, монтажных и профилактических работ.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ.

Перед допуском к работе преподаватель должен выполнить технически мероприятия по подготовке рабочего места. После чего он инструктирует людей, затем они должны расписаться о проведенном курсе лекции.

Студентам запрещается класть на электроустановки одежду, обувь, инструменты и другие предметы.

Запрещается также исправлять что-либо в электрической части, заменять перегоревшие предохранители.

Электроинструмент разрешается подключать только через стандартные разъемы — штепсельную вилку и розетку.

Запрещается накидывать концы питающего провода на оголенные провода электросети или контакты рубильника.

При обнаружении неисправности прибора немедленно выключить его из сети и сообщить об этом преподавателю.

1. Бирюков С. А. Цифровые устройства на МОП — интегральных микросхемах. М.: Радио и связь, 1990.

2. Калабеков В. А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов. М.: Радио и связь, 1987

3. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. М.: Мир, 1988

4. Цифровые и аналоговые интегральные схемы. Справочник. Под ред. Якубовского С. В. М.: Радио и связь, 1989.

5. Цифровая и вычислительная техника: Учебник для ВУЗов под ред. Евреинова Э. В. М.: Радио и связь, 1991

6. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Богданович М. И. Минск: «Полымя», 1996

7. Усатенко С. Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД. М.: Издательство стандартов, 1989

8. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1988.

Приложение