Генератор тактовых импульсов

Реферат.

 Курсовая работа содержит пояснительную записку на 22 листах формата A4, три чертежа формата A3, 7 рисунков, 1 таблицу.

 Целью курсовой работы является создание цифрового  прибора, который будет формировать  параллельно три битовые последовательности в соответствии с техническим  заданием. Устройство работает на частоте 37 килогерц. При разработке прибора необходимо учитывать критерии оптимизации по потребляемой мощности и аппаратным средствам. Цифровой прибор основан на элементах КМОП серии. Номинальное напряжение питания прибора составит 12 вольт. Основным достоинством представленного устройства является возможность генерации произвольной двоичной последовательности, не ограничиваясь указанной в техническом задании. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание.

Введение.

1. Анализ вариантов реализации системы.
2. Разработка структурной схемы разрабатываемого устройства, определение входных и выходных сигналов устройства.
3. Разработка функциональной схемы устройства.
1. Разработка генератора тактовых импульсов.
2. Разработка счетчика импульсов с управляемым сбросом.
3. Разработка формирователя 1, формирователя 2, формирователя 3.
4. Проверка работоспособности с применением прикладного пакета Electronics Workbench.
5. Разработка спецификации элементов входящих в устройство.

Заключение.

Список литературы.

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

Приложение 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

    Целью данной работы является разработка формирователя импульсных последовательностей. Формирователь импульсных последовательностей, вырабатывает из гармонического (синусоидального) сигнала с последовательность прямоугольных импульсов, также имеющих частоту следования и скважность. Это устройство используется в импульсной технике.

  Импульсная  техника - область техники, исследующая, разрабатывающая и применяющая методы и технические средства генерирования (формирования), преобразования и измерения электрических импульсов. В ней также исследуют и анализируют процессы, возникающие при воздействии электрических импульсов на различные электрические цепи, устройства и объекты.

  При импульсном режиме электронные устройства подвергаются воздействию электрических сигналов не непрерывно (в течение всего  времени работы устройства), а прерывисто. При этом прерывистая структура  импульсных сигналов составляет принципиальную основу полезных функций устройства, работающего в импульсном режиме.

  Импульсные  сигналы различаются по амплитуде  и длительности импульсов, частоте  их следования. В импульсной технике  часто применяют импульсные сигналы  с частотным заполнением от десятков герц до десятков гигагерц.

  С понятием «импульс» обычно связывается представление  о малой его длительности. Однако кратковременность импульса — понятие относительное: в зависимости от области использования длительность импульса может изменяться в значительных пределах. В автоматике, например, оперируют с импульсами длительностью порядка 0,01 - 1 секунд, в импульсной радиосвязи - 10^-6 секунд в физике быстрых частиц - 10^-9 секунд. Однако даже в одной и той же области техники часто применяют импульсы с различной длительностью и частотой следования. Так, например, в радиолокации работают с электрическими импульсами длительностью от 10^-3 до 10^-9 секунд с частотой повторения от единиц герц до ста четырёх герц.

  В импульсной технике проявляется тенденция  к укорочению импульсов и увеличению частоты их следования, стремлением  повысить эффективность электронных  устройств, разрешающую способность (например, радиолокаторов) или быстродействие (в ЭВМ). Иногда более важно отношение длительности паузы между импульсами к длительности импульса (скважность), которое в цифровой автоматике обычно не превышает 10, в радиосвязи - порядка 10 - 100, в радиолокации колеблется от 100 до 10000. При воздействии импульсов электрического тока или напряжения на цепь, обладающую свойством запасать энергию, возникают переходные процессы, значение которых в импульсной технике весьма велико.

  Для получения  импульсов различной формы, функционального  преобразования импульсных сигналов, селекции импульсов по тому или иному  признаку, а также для выполнения логических операций над ними служат типовые импульсные логические схемы  и устройства.

  

  К ним относятся  линейные устройства формирования импульсов, преобразования формы импульсов, амплитуды, полярности и временного положения (формирующие линии, дифференцирующие и интегрирующие цепи, импульсные трансформаторы и усилители, электромагнитные и ультразвуковые линии задержки); нелинейные устройства преобразования импульсов и переключения цепей (ограничители, фиксаторы уровня, пик-трансформаторы, магнитные генераторы импульсов, электронные ключи и другие); регенеративные спусковые схемы, и генераторы импульсов (пересчётные схемы, триггеры, мультивибраторы, блокинг-генераторы); импульсные делители частоты повторения; электронные генераторы линейно-изменяющегося тока и напряжения; селекторы импульсов; логические схемы и специальные устройства обработки импульсных сигналов (кодирующие и декодирующие устройства, дешифраторы, регистры, матрицы, элементы памяти ЭВМ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Анализ  вариантов реализации системы. 

     Формирователь импульсных последовательностей можно  реализовать различными способами: на логических элементах, регистрах, дешифраторах, мультиплексорах. Рассмотрим каждый из данных способов и выберем оптимальный.

     Простейший  и наименее затратный с точки  зрения количества аппаратных средств  способ построения - при помощи логических элементов. Суть его заключается  в следующем. Тридцатиразрядная  последовательность на языке алгебры  логики может быть определена системой из тридцати булевых выражений с  пятью неизвестными. Упрощая её любыми известными способами (например, картами  Карно), получаем логическую формулу, схемно реализуя которую (в целях унификации можно использовать ИМС логических элементов) получаем устройство, способное  формировать необходимую последовательность.

     Основным  недостатком данного схемного решения  является невозможность формирования произвольной последовательности. Полагая  основной инженерной задачей разработку устройства, не только удовлетворяющего критериям оптимизации, но и универсального, перспективного, способного решать более  широкий спектр задач, нежели предполагается, стоит признать схему формирователя  на логических элементах неудачной. Если бы он являлся частью более  сложной системы, то можно было пожертвовать универсальностью отдельных компонентов  в угоду общей эффективности, но так как в техническом задании  об этом ничего не говорится, считаю использование  данного способа построения неуместным. Также замечу, что современные  формирователи не только поддерживают загрузку произвольной последовательности, но и содержат буферное ОЗУ большого объёма (порядка двух тысяч слов по 32 разряда) по каждому каналу передачи. Число активных линий и вид передаваемой информации по каждой линии задаётся программно.

     

  Достаточно прост способ построения с использование регистров. Суть его заключается в следующем. В кольцевой тридцатиразрядный регистр, собранный на базе ИМС D-триггеров, параллельным вводом записывается необходимая двоичная комбинация. Далее подачей импульсов заданной частоты на синхровход регистра осуществляется последовательный сдвиг слова вправо. Так как регистр является кольцевым, то информация с последнего триггера записывается в первый. Таким образом, в регистре осуществляется бесконечная циркуляция двоичного слова. Снимая информацию с одного из триггеров, образующих регистр, получаем искомую импульсную последовательность. Основными достоинствами данного схемного решения являются простота, возможность загрузки произвольной последовательности, отсутствие необходимости подсчёта импульсов (иными словами, можно обойтись без счётчика). Тем не менее, схема требует большого количества аппаратных средств (тридцать D-триггеров для каждой последовательности) и в случае возникновения ошибки, последняя будет циркулировать в системе до тех пор, пока последовательность в регистре не будет полностью перезаписана. Отсюда заключаю, что использование устройств с памятью в качестве формирователей нерационально. 

  Довольно удачной является схема построения при помощи дешифраторов. Суть её состоит в следующем. Путём каскадирования собирается дешифратор необходимой разрядности, на входы которого подаётся импульсы от счётчика. Таким образом, на выходах дешифратора последовательно появляется высокий уровень. Выходы, номер которых соответствует номеру элемента последовательности, содержащего логическую единицу, подключаются к многовходовому дизъюнктору, на выходе которого получаем искомую импульсную последовательность.

 

  Основными достоинствами схемы является относительно небольшое количество аппаратных средств и возможность загрузки произвольной комбинации путём переключения входов дизъюнктора. Поэтому будем собирать формирователь импульсных последовательностей на дешифраторах с инверсными выходами, вместо дизъюнкторов используя конъюнкторы. Суть схемы заключается в том, что адресные выходы дешифратора необходимой разрядности, полученного путём каскадирования реально существующих дешифраторов, подключаются к конъюнкторам с инверсией на выходе; снимаем требуемую импульсную последовательность. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Разработка  структурной схемы  разрабатываемого устройства, определение входных  и выходных сигналов устройства.

     На вход устройства от генератора подаются прямоугольные импульсы с частотой 15 килогерц и амплитудой 12 вольт. Из входных импульсов на счетчике путём деления образуется пять выходов, состояние на которых будет соответствовать номеру текущего импульса. Сигналы со счётчика поступают в формирователь, на котором появляется высокий или низкий уровень (в зависимости от выходной комбинации счётчика и загруженной последовательности). Тридцатым разрядом счетчик обнуляется, устройство начинает работать заново. Структурная схема устройства представлена в приложении 1.

 Графическое представление алгоритма работы устройства.

 

 Рис. 1.

 

 

Разработка  функциональной схемы  устройства.

Разработка  генератора тактовых импульсов.

     Генератор с самовозбуждением - электрическая  цепь, в которой происходит преобразование энергии источника питания постоянного  напряжения в энергию периодических  электрических колебаний, называется - автогенератором.

     Автогенератор вырабатывает электрические колебания, поддерживающиеся подачей по цепи положительной  обратной связи части переменного  напряжения с выхода автогенератора на его вход. Это будет обеспечено тогда, когда нарастание колебательной  энергии будет превосходить потери. При этом амплитуда начальных  колебаний будет нарастать.

     Такие системы называют автоколебательными системами, а генерируемые ими колебания - автоколебаниями. В них генерируются стационарные колебания, частота и  форма которых определяются свойствами самой системы.

Классификация автогенераторов.

По форме выходного  напряжения:

1. Генераторы импульсных  колебаний:

-ГПН (генератор постоянного напряжения);

-ГЛИН (генератор линейно изменяемого напряжения);

-блокинг-генераторы.

2. Генераторы синусоидальных  колебаний:

-RC-цепь;

-LC-цепь;

-с кварцевой стабилизацией.

По мощности:

-маломощные (до 1 Вт);