Цифровые автоматы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.  Основные понятия о цифровых автоматах.

2.  Кодирование внутренних состояний цифрового устройства.

3.  Синтез комбинационного узла.

4.  Построение электрической принципиальной схемы цифрового автомата.

5.  Работа схемы на переходе

Список  литературы

Приложение

Лист 1. Цифровой автомат. Схема электрическая  принципиальная 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

     Взаимное  проникновение вычислительной техники и средств связи приводит к необходимости качественного изменения средств связи, т. е. широкому внедрению цифровых методов передачи информации и использованию вычислительной техники как основы для построения аппаратуры связи. Одним из наиболее важных направлений совершенствования связи стала разработка цифровых систем передачи. Цифровые системы передачи информации характеризуются малой зависимостью качества передачи от расстояния между пользователями, гибкостью и простотой организации обмена информации, повышенной помехоустойчивостью.

     Среди изделий электронной техники, выпускаемых  промышленностью, интегральные цифровые микросхемы занимают важное место. Особенно широкое применение они получили в вычислительной технике. В электронной измерительной технике и промышленной электронике также велик удельный вес ИЦМ, так как они определяют основные характеристики аппаратуры: быстродействие, надежность, рабочий температурный диапазон, габаритные и массовые показатели. Цифровая микроэлектроника развивается по двум направлениям: снижению потребляемой микросхемами мощности, что дает выигрыш в энергопотреблении электронных устройств, и уменьшению времени задержки информационного сигнала, обрабатываемого логической микросхемой, что повышает быстродействие аппаратуры и, в конечном счете, резко влияет на ее производительность.

     Данная  курсовая работа предусматривает закрепление  знаний функционирования элементов цифровой техники, приобретение умений и навыков проектирования цифровых устройств, в частности цифровых автоматов. Цель данной работы, по заданному алгоритму функционирования цифрового автомата синтезировать его электрическую принципиальную схему на интегральных микросхемах.

     Цифровые  автоматы – это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементом памяти. В качестве элементов памяти могут  использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью следования входных сигналов, действующим в данный момент времени, поэтому такие устройства называются последовательностными схемами. 

 

     

1.ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ О ЦИФРОВЫХ  АВТОМАТАХ

     Цифровые  автоматы – это устройства, в  которых помимо логических элементов  имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства называются последовательностными схемами. К последовательностным схемам можно отнести: триггеры, счетчики, регистры.

     Структурная схема цифрового автомата может  быть представлена в виде набора двух узлов: комбинационной схемы формирования выходных сигналов и сигналов управления триггерами и, собственно, памяти (см. рис.1). 

       

                           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.1. Структурная схема цифрового  автомата

     На  вход комбинационной схемы управления триггерами поступают комбинации входных  сигналов х₁, х₂, … х_к, комбинации сигналов, отражающее состояние элементов памяти Q₁, Q₂, … Q_m. С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояния цифрового автомата, которые принято обозначать буквой а.

     Комбинационная  схема формирования выходных сигналов создает сигналы y₁, y₂, … y_р которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активации процессов в других схемах.

 

2. Кодирование внутренних состояний цифрового устройства

 

     Последовательность  действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учетом входных сигналов задана в курсовой работе в виде алгоритма функционирования цифрового устройства (см. рис.2). В работе последовательность действий представлена в виде алгоритма, где блок решение указывает, какой входной сигнал (признак) определяет условие перехода, блок процесс – какие выходные сигналы при данном переходе должен сформировать автомат.  
 

     Рис. 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     На  рис.2 после каждого перехода фиксируются состояния цифрового автомата: а₀

     Пусть автомат находиться в состоянии  а₀, выход из этого состояния в состояние а₁ производиться под действием внешнего сигнала, который в данной работе не учитывается, при этом на выходах y₁, y₃ формируются единичные сигналы, на остальных нулевые.

     Если автомат находиться в состоянии а₄, то возможен переход по двум направлениям: при х₃=0 автомат возвращается в состояние а₄,на выходах y_2, y₅ формируются сигналы равные единице. При х₃=1 автомат переходит в состояние а₅, на выходах y₁, y₄, y₅, единичные сигналы, на остальных «0».

     В остальных случаях переходы автомата осуществляются аналогично рассмотренным.

     Далее кодируем состояния цифрового автомата, т.е. буквенным обозначениям присваиваем некоторый двоичный код. В принципе это может быть любой код из известных, но чтобы кодовые комбинации имели меньше разрядов и, следовательно, меньше было триггеров, удобнее взять двоичный код 4-2-1.

     Соответствие  кодовых комбинаций внутренним состоянием приведено в табл.1.

     Таблица1

Кодирование состояний цифрового автомата

       

        Для фиксации двоичного  кода (табл. 1) требуется построить регистр на триггерах К155ТМ2.

       
 
 
 
 

Рис. 3. УГО микросхемы триггеров К155ТМ2

Таблица 2

Таблица переходов D-триггеров 

       

     Переходим к построению графа. Состояние устройства в графе будет соответствовать узлам, - обозначено кружками и внутри проставлено буквенное обозначение состояния. Узлы соединяются дугами, которые показывают направление перехода.

     На  дугах записываются условия перехода, под действием которого он имеет  место, и выходные сигналы, которые  при этом должны быть сформированы. Так как переключение триггеров происходит либо по фронту, либо по срезу синхронизирующего сигнала.

      Граф (см. рис.4) строится на основе алгоритма.

       
 
 
 
 
 
 
 

Рис.4. Граф переходов автомата

 

     

3. Синтез  комбинационного  узла

 

     Таблица 3

     Таблица функционирования комбинационного  узла при использовании D-триггеров

       

После заполнения таблицы переходим к  записи логических выражений.

По таблице  истинности записываем в дизъюнктивной  нормальной форме логические функции выходных сигналов у цифрового автомата: 

      y₁= a₀ v a₁x₁ v a₁x₁x₂ v a₄x₃    (1)

      y₂= a₁x₁x₂ v a₁x₁x₂ v a₃ v a₄x₃ v a₅ (2)

     y₃= a₀ v a₂ v a₃ v a₅                                                                (3)

     y₄= a₁x₁ v a₂ v a₄x₃                                                                (4)

     y₅= a₁x₁x₂ v a₁x₁x₂ v a₄x₃ v a₄x₃                                            (5) 

     По таблице истинности записываем в дизъюнктивной нормальной форме логические функции сигналов управления триггерами: 

D₃= a₃ v a₄x₃ v a₄x₃                                                                                                 (6)

D₂= a₁x₁x₂ v a₁x₁x₂ v a₂                                                                                       (7)

D₁= a₀ v a₁x₁ v a₁x₁x₂ v a₂ v a₄x₃                                           (8)