Курсовая работа - Технические средства автоматизации

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ

ЛЕСОТЕХНИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ ИМ. С.М. КИРОВА

СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ

Кафедра электроэнергетики

Пояснительная записка

К курсовой работе по предмету

Технические средства автоматизации

(номер зачетной книжки: 020601)

Выполнил студент:

Подпись:________________

Технологический факультет

Специальность: АТПиП

5 курса

Руководитель:

Работа защищена ______ ________

дата оценка

Сыктывкар 2006г.

СОДЕРЖАНИЕ:

2.1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………………....3

2.2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………………………14

2.2.1 СОСТАВЛЕНИЕ МИНИМИЗИРОВАННОГО ЛОГИЧЕСКОГО ВЫРАЖЕНИЯ

ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА (Е)……………………..…....14

2.2.2.2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ

ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ А, В, С, D…………………………………….…………..15

2.2.3 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМ ДЛЯ

ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА F НОМЕРА ЗАЧЕТНОЙ

КНИЖКИ…………………………………………………………………………………18

2.2.4 РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ВЫХОДНЫХ УСО (устройство

согласования с объектом) С ВЫХОДНЫМИ

СИГНАЛАМИ…………………………………………………………………………....21

2.2.5 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА, в том числе и в момент

включения………………………………………………………………………….…..23

2.2.6РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОГО ТОКА. ВЫБОР СХЕМЫ ИСТОЧНИКА

ПИТАНИЯ И ЕЕ РАСЧЕТ…………………………………………………………….27

2.1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1.1 Описание основных параметров используемых элементов

На рис. 1 показаны схемы трех первоначальных элементов ТТЛ. Назовем их

традиционными. Эти серии активно развивались до 1970 г., график развития

которого рассмотрен далее. Если отвлечься от номиналов резисторов, можно

обнаружить, что в схеме, показанной на рис.1а присутствует составной

транзистор – эмиттерный повторитель VT

, VT

. В схемах на рис. 1б,в

повторитель не составной (только транзистор VT

), однако в схемы добавлен

диод, сдвига уровня VD

. В остальном схемы одинаковы.

На рис.1а показан мощный ключ ТТЛ, на котором основаны микросхемы,

составляющие серию К131. Ее зарубежным аналогом является серия 74H (H –

higt – символ высокого быстродействия серии и наибольшей потребляемой

мощности). Поскольку резисторы здесь относительно низкоомные, элемент

серии К131 имеет ток потребления I

потр.

Примерно 4…5 мА; его среднее время

задержки распространения t

зад.р.ср.

=6нс. Как будет показано далее, энергия

переключения для него Э

потр.

пит.

* t

зад. р. ср.

=120-150 мДж (см. рис 1.2

прямоугольник МТТЛ) в настоящее время считается чрезмерно большой.

Поэтому обе серии больше не развиваются.

Рис. 1 Принципиальная схема первичных логических элементов ТТЛ

а – ММТЛ; б – СТТЛ; в – МмТТЛ

Чтобы получить импульс выходного тока, обеспечивающий наибольшую скорость

заряда выходной емкости, в схеме на рис.1а выходной эмиттерный

повторитель выполнен по схеме Дардингтона, т.е. составного транзистора.

VT1 VT2

VT3

VT4

VT5

U+

ВЫХОД

U-

VT1 VT2

VT4

U+

U-

VT3

На рис. 1б, показана схема самого распространенного логического элемента –

основы серии К155 и ее зарубежного аналога серии – 74.

Эти серии принято называть стандартными (СТТЛ). Логический элемент серии

К155 имеет среднее быстродействие t

зад.р.ср.

=13нс и среднее значение тока

потребления I

потр.

=1.5…2мА. Таким образом, энергия затрачиваемая этим

элементом на перенос одного бита информации, примерно 100мДж.

Для обеспечения выходного напряжения высокого уровня U

max.

>>2.5B (как и в

схеме на рис. 1а) в схему на рис.1б потребовалось добавить диод сдвига

уровня VD

, падение напряжение на котором 0.7В. Таким способом была

реализована совместимость различных серий ТТЛ по логическим уровням.

Микросхемы на основе инвертора, показанного на рис. 1б (серия К155), имеют

очень большую номенклатуру, широко выпускаются.

На рис. 1в показан третий вариант ТТЛ первоначальной разработки маломощный

логический элемент (МмТТЛ). Он лежит в основе серии К134 и зарубежной с

названием 74L (здесь L – low – означает малое быстродействие и

одновременно малое потребление тока питания). Этот элемент потребляет

мощность питания примерно 1 мВт при среднем времени задержки

распространения t

зад.р. ср.

=33нс, что соответствует энергии, потребляемой на

перенос единицы информации Э

потр.

=33мДж (см. прямоугольник МмТТЛ на рис.

4). Номиналы резисторов в этом логическом элементе относительно велики.

Сейчас эти серии не развиваются.

а б в

Рис.2 Принципиальные схемы логических элементов с переходом Шотки

В конце 70-х годов микросхемы ТТЛ первоначальной разработки стали активно

заменяться на микросхемы ТТЛШ, имеющие во внутренней структуре p-n

переходы с барьером Шотки. Напомним, что эффект Шотки снижает пороговое

напряжение открывания кремниевого диода от обычных 0.7В до 0.2…0.3В и

значительно уменьшает время жизни неосновных носителей в

полупроводнике, эффект основан на том, что в p-n переходе или рядом с ним

VT1

б2

VD1

б1

вх

вых.

VT1

VD1

вх

VT1

вх

присутствует очень тонкий слой металла, богатый электронами – свободными

носителями.

Сложности практического освоения технологических процессов изготовления

полупроводниковых структур с эффектом Шотки, однако, были очень велики,

поэтому на рис. 4 прямоугольник, отображающий развитие маломощных серий

МмТТЛШ, растянут по времени на восемь лет.

В основе транзистора с переходом Шотки (транзистора Шотки ТШ) находится

известная схема ненасыщенного РЛТ-ключа рис. 3а

Ненасыщаемый элемент РГЛ рис. 3а, транзистор с диодом Шотки (б) и символ

транзистора Шотки (в).

Здесь транзистор удерживается от перехода в режим глубокого насыщения с

помощью дополнительной нелинейной входной цепи с диодом. Обычный

базовый резистор R

здесь составлен из двух:R

б1

и R

. Если на вход данного

элемента РТЛ от переключателя S

поступает напряжение высокого уровня,

через резистор R

б2

течет входной ток I

вх.

. Номиналы R

б1

и R

б2

нетрудно

рассчитать так, чтобы пороговое напряжение открывания диода U

пор.

оказалось

бы меньше, чем падение напряжения на резисторе R

б2

т.е. I*R. Здесь символом

обозначен предельный, близкий к насыщающему базовый ток транзистора

. Если диод VD

откроется, через него потечет избыточный входной ток (I

вх.

), который теперь минует базу транзистора и получит путь для стекания на

землю, через промежуток транзистора коллектор - эмиттер. Если от

переключателя S

подать входное напряжение низкого уровня (ноль

потенциала), ток I

вх.

прекратится и транзистор практически без задержки

перейдет от насыщения к состоянию отсечки (т. е. выключится, разомкнётся),

так как он находился ранее на грани линейного и насыщенного режимов. По-

другому, в объеме его базовой области, как в микроскопическом аккумуляторе,

не были накоплены избыточные заряды. Отметим, что поскольку напряжение

между базой и коллектором U

б-к

= U

пор.

–I

удерживалось на уровне

нескольких десятых долей вольта (диод VD

обычный, кремниевый),

напряжение низкого выходного уровня и°

вых.

для элемента РТЛ с ограничением

тока насыщения рис. 3а может увеличиться до 1 В (вместо 0,3 В при на-

сыщаемом ключе).

В схеме на рис. 3б транзистор VT

удерживается от перехода в насыщение

шунтирующим диодом Шотки VD

с низким порогом открывания.

Рис. 3 Принципиальная схема первичных логических компонентов на элементах

Шотки

а – ТТЛШ: б – МмТТЛШ

Здесь напряжение U

б-к мин.

=0,2…0,3В, поэтому напряжение U

вых.

повысится мало.

На рис. 3в предыдущая схема заменена единым символом – транзистором

Шотки. Этот транзистор не переходит в глубокое насыщение, у него очень

малое время рассасывания накопленных в базе носителей. Логические

элементы на основе транзисторов Шотки имеют очень, малое время задержки

отключения t

зд

откл.

На основе транзисторов Шотки в начале 70-х годов были выпущены первые

микросхемы двух основных современных серий ТТЛ рис. 3. На рис 3а показана

схема высокоскоростного логического элемента, применяемого как основа

микросхем серии К531. Аналогичная зарубежная серия называется 74S; здесь S

— начальная буква фамилии немецкого физика Шотки (Scholtky), открывшего

физический эффект, оказавшийся для электроники столь важным.

В этом элементе вместо эмиттерного резистора (R

на рис. 3 а) для улучшения

формы импульса использован нагрузочный генератор тока транзистор VT

резисторами R

. Отметим, что номиналы остальных резисторов в элементах

серий К.131 и К531 (сравните рис. 2 а и 3 a) почти одинаковые. Из-за этого близки

значения мощности потребления P

пот.

, однако время t

зд.р.ср.

для инвертора серии

K531 снижено до 3 нс, что обусловило потребление энергии на 1 бит информации

пот.

= 19 * 3=57 мДж.

На рис. 3 б показана схема элемента, на котором основаны микросхемы серии

К555. Аналогичная зарубежная серия имеет название 74LS (т. е. low Schollky -

VT4

VT1

VT2

VT3

VT5

R3R2

R4 R5

VD1-VD3

U+

выход

U+

выход

VT4

VT2

VT3

VT5

R3R2

R4 R5

VD1-VD3

что можно трактовать как экономичная серия с применением переходов Шотки).

Для микросхем серии К555 мощность, потребляемая одним элементом. P

пот.

мВт при времени t

зд.р.ср.

= 9,5 нс, поэтому потребляемая энергия переключения

пот.

= 19мД.ж.

В электрической схеме элемента серии К555 вместо многоэмиттерного транзистора

использована матрица диодов Шотки. Микросхемы серии К555. как нетрудно

видеть из сравнительной таблицы параметров (табл.1), по быстродействию

соответствуют серии К155 (потребляемый ток уменьшен в пять раз!), по

экономичности уступают микросхемам серии К134 (1 мВт) всего в 2 раза, но в

итоге потребляют энергию на перенос 1 бита информации в 1.5 раза меньше.

Сейчас микросхемы серии К555 вытеснили из аппаратуры серию K134 и по мере

наращивания номенклатуры служат эффективной заменой для микросхем самой

массовой, стандартной серии К155.

Таблица 1. Динамические параметры микросхем ТТЛ

Серия ТТЛ параметры нагрузка

отечеств. зарубежные P

пот.

мВт

зд.р.

нС

потр.

мДж

пФ

кОм

К134 74L 1 33 33 50 4

К155 74 10 9 90 15 0.4

К131 74H 22 6 132 25 0.28

К555 74LS 2 9.5 19 15 2

К531 74S 19 3 57 15 0.28

К1533 74FLS 1.2 4 4.8 15 2

К1531 74F 4 3 12 15 0.28

Особенности использования выбранной серии логических элеменов.

В цифровой микросхеме простейшие логические операции осуществляется с

помощью логических элементов. В начале развития микроэлектроники каждая

микросхема содержала обычно всего один логический элемент, подобный

тому, который показан на рис. 4 а. По мере развития технологии на кристалле

микросхемы стыли размещать наборы элементов, а затем соединять их в

логические структуры. При этом принципиальная схема логического элемента

не менялась.

Однако с течением времени импульсные параметры микросхемы оказывались

недостаточными, и приходилось расширять диапазоны быстродействия,

экономичность и помехоустойчивость микросхем за счет новой прин-

ципиальной схемы логического элемента. За четверть века последовательно

сменилось около десятка таких схем. Чтобы их можно было легко различать,

им присваивали сокращенные условные обозначения. В обозначении, как

правило, присутствует буква Л - начальная от слова логика. Этим словом, в

свое время, условно назвали цифровой ключ.

Устройство элемента резисторно-транзисторной логики, сокращенно РТЛ (рис. 4

а), отображает наличие в схеме компонентов: резисторов и переключательного

транзистора. В 60-х годах микросхемы РТЛ довольно широко выпускались в

гибридном толстопленочном исполнении.

Присоединим на вход А логического элемента DD

рис. 4 переключатель S

движок которого может занимать два положения В и Н. В положении В на вход

А подается напряжение высокого уровня U

= U

ИП

, а в положении Н -низкого

ВХ

= о. На рис. 4 а на вход А подан сигнал высокого уровня. Тогда от

положительного полюса источника питания U

ИП

через резистор R

, в базу

транзистора втекает насыщающий базовый ток I

, являющийся здесь входным

током высокого уровня I

ВХ

. Таким образом, элемент РТЛ включается входным

напряжением высокого уровня. По-другому, это входное напряжение можно

назвать активным логическим сигналом элемента РТЛ.

Действительно, если в схеме рис. 4 а переключатель S

находится в положении Н,

транзистор VT

открывающего тока получать не будет и потому закроется.

Через вход А логического элемента DD

, будет стекать на землю очень малый

входной ток низкого уровня I

ВХ

КБО

, т. е. ток утечки перехода коллектор-база

транзистора VT

. Этим током управлять нельзя.

На этапе ламповых ЭВМ широко использовалась логика со входными

диодами. В транзисторном варианте она называется ДТЛ – диодно

VT1

DD1

U+

VT1

DD1

U+

VD1

VD2

VD3

VD4

транзисторная логика. Этот элемент показан на рис. 4 б. Он имеет как бы

обратный способ действия по сравнению с РТЛ. Входные резисторы

снижавшие принципиально время включения элемента РТЛ. заменены

входными диодами VD

– VD

. Транзистор VT

активно закрывается

дополнительным внешним напряжение смещения – U

см

= (-1…-2)В. Диод VD

отделяет входную матрицу VD

– VD

. Элемент ДТЛ DD

рис. 1.1 б можно

включить, если через переключатель S

его вход заземлить. Тогда диод VD

откроется, напряжение в точке схемы понизиться до 0.7В (это прямое

падение напряжения на кремниевом диоде). Отрицательное напряжение U

см

переведет транзистор VT

в режим отсечки, он разомкнется. На выходе Q

появится напряжение высокого уровня U

вых

= U

и. п.

а б

Рис. 4 Первые схемы

логических элементов на

ТТЛ.

Отметим, что от входа

логического элемента ДТЛ

в это время стекает на землю входной ток низкого уровня I

вх

=(U

и.п.

– 0.7В)/R

а - однотранзисторный элемент РТЛ: б -элемент ДТЛ: в простейший элемент ТТЛ;

г - функциональное обозначение.

Когда на вход А от переключателя S

будет подано напряжение высокого уровня

вх.

, диод закроется и поэтому входной ток I

вх.

высокого уровня окажется

пренебрежимо малым. На выходе Q появится выходное напряжение низкого

уровня U

вых.

< 0,3 В, так как транзистор VT

получит от источника питания U

и.п.

R1 R2

VT1

выход

DD1

U+

через диод VD

большой открывающий ток I

(учтем, что U

и.п.

существенно

превышает – U

см.

). Таким образом, в схеме ДТЛ база ключевого транзистора VT

непосредственно не связана с источником сигнала, в данном случае с

переключателем S

. Следовательно, транзистор не примет многие помехи от

источника.

Нетрудно видеть, что в элементе ДТЛ входным запускающим является ток низкого

уровня, следовательно, для такой схемы активное — входное напряжение

низкого логического уровня U

вх.

. Переход к низкому запускающему уровню

оказывается необходимым для обслуживания источников кодовых, цифровых,

командных сигналов — кнопок, переключателей и контактов реле. Замыканию их

контактов на провод с нулевым потенциалом сопутствует гораздо меньше

ложных импульсов запуска (так называемый дребезг контактов), чем при их

замыкании на высокий потенциал.

После перехода к широкому выпуску интегральных полупроводниковых микросхем

ДТЛ довольно быстро выяснилось, что для улучшения электрических

параметров цифровых микросхем выгоднее заменить матрицу диодов VD

–

, рис. 4. б многоэмиттерным транзистором (VT

, на рис 4 в) Поэтому

название ДТЛ трансформировалось в ТТЛ, т. е. транзисторно-транзисторная

логика. Одно время существовало сокращение Т

Л, но оно не привилось (в

отличие от названия более поздней интегральной инжекционной логики,

сокращенно И

Л. для которой не было принято сокращение ИИЛ).

Элемент ТТЛ (рис. 4, б) на дискретных компонентах не строился, так-как

многоэмиттерный транзистор разработали лишь на этапе интегральной

схемотехники. Четыре p-n-перехода транзистора VT

образуют матрицу дио-

дов, соответствующую диодам VD

-VD

элемента ДТЛ рис. 4, б.

Рассмотренные трехвходовые элементы РТЛ, ДТЛ и ТТЛ имеют функциональное

обозначение, показанное па (рис. 4. г.)

Существуют следующие разновидности микросхем ТТЛ: три ранних без

применения p-n-переходов с барьером Шотки (стандартные, маломощные и

мощные), две со структурами Шотки ТТЛШ, а также три новые, перспективные,

усовершенствованные ТТЛШ, условно называемые FAST, AS и ALS. На рис. 5

(в координатах потребляемая логическим элементом мощность — годы)

покачана взаимосвязь вариантов ТТЛ.