Глава 2. Разработка структурной и принципиальной схемы электрического устройства

По результатам проведения анализа за основу разрабатываемого устройства была выбрана параллельная система сложения вычитания. Она содержит такие элементы: цифровая панель, шифратор, регистры, сумматор, дешифратор, цифровой выход. Таким образом, разрабатываемое устройство должно содержать следующие блоки:

а) клавиатура;

б) шифратор;

в) блок памяти;

г) блок умножения;

д) блок индикации.

Рисунок 4. Структурная схема

Клавиатура

Клавиатура обеспечивает возможность ввода перемножаемых чисел. Она представляет собой набор переключателей (ключей), каждому из которых соответствует определенный код символа, код или команда. Символы, для удобства ввода, представляются в десятичном формате.

По заданию с клавиатуры можно ввести трехразрядное число, таким образом, максимальное число, которое можно будет ввести 7 (111 в двоичной форме), и число ноль. При нажатии какой-либо из клавиш может возникнуть дребезг контактов (многократный переход, в течении короткого промежутка времени, от замкнутого состояния к разомкнутому и обратно). Это может привести к формированию пачки импульсов вместо желаемого одиночного импульса. Устранить этот недостаток можно с помощью включения в схему триггера. Сигнал "ноль", прикладываемый с помощью переключателя к одному из входов триггера опрокидывает его. Причем при каждом срабатывании переключателя триггер реагирует на первое же замыкание соответствующей контактной пары и последующая вибрация уже не изменяет его состояния. В исходное состояние триггер переходит при отпускании клавиши.

Для построения клавиатуры используется двухпозиционный микропереключатель типа МП-12. Пределы коммутирующих токов и напряжений 1мкА…0,5мА и 0,5…36В соответственно.

Набор элементов для ввода данных и устранения влияния дребезга изображен на рисунке 4.

Рисунок 5. Набор элементов для ввода данных и устранения влияния дребезга контактов

Набор составляют МП-12 (SA1), резисторы R1, R2, 2 элемента 2И-НЕ (DD4.2 и DD4.3) – К555ЛА3. Элементы 2И-НЕ подключены таким образом, что реализуют простейший RS триггер с инверсными входами. В исходном положении питание подано на инверсный вход R, а на инверсный вход S подключена земля. Резисторы R1, R2 выбраны номиналом 1кОм, чтобы ограничить входной ток до 1 мА. На прямом выходе Q формируется сигнал логической единицы. Если нажать кнопку, то начнется многократное замыкание-размыкание контактов – дребезг. Но при каждом нажатии на кнопку триггер реагирует только на первое замыкание и последующий дребезг не изменяет состояния триггера. При подаче уровня логической единицы на инверсный вход S, а логического нуля на инверсный вход R на прямом выходе Q получаем уровень логического нуля. При отпускании кнопки триггер возвращается в первоначальное состояние. Таки образом на выходе триггера формируется импульс прямоугольной формы.

Всего в клавиатуре задействовано одиннадцать кнопок. Восемь кнопок отведены под числа от 0 до 7. Девятая кнопка – знак умножить. Десятая кнопка – знак равно. Одиннадцатая кнопка – сброс. В исходном состоянии на выходе всех триггеров соответствующих кнопкам 0…7 и сброс присутствует уровень логической единицы. При нажатии формируется уровень логического нуля (активный уровень).

Шифратор

Сигнал соответствующий нажатой кнопке на клавиатуре должен быть преобразован в двоичный код для последующего его использования. Это реализовывается с помощью шифратора. В данном устройстве будет использоваться приоритетный шифратор, для предотвращения случая нажатия нескольких кнопок одновременно. В таком случае шифратор реагирует на нажатие кнопки соответствующей более старшему разряду числа.

После нажатия кнопки формируется уровень логического нуля потому, что в качестве приоритетного шифратора будет использоваться К555ИВ3, а у него все входы и выходы инверсные, и обычно входы сброса в микросхемах инверсные (рисунок 6). При подаче на любой из входов лог. 0 на выходах 0-1-2-3 формируется инверсный код номера входа, на который подан лог. 0.

Рисунок 6 Шифратор приоритетов

На выходах шифратора необходимо поставить 3 инвертора, т.к. число трехразрядное, четвертый выход не используется.

Блок памяти

Блок памяти - устройство хранения информации. В качестве этого устройства можно выбрать ОЗУ или регистры. Так как для хранения данных в ОЗУ требуется схема большой сложности, то более удобным способом хранения чисел являются регистры. После преобразования чисел множителя и множимого шифратором они запоминается в соответствующих регистрах множителя и множимого. Также используется регистр для хранения конечного результата.

Выходы с триггеров соответствующих кнопкам 0…7 заводятся на входы элемента 8И-НЕ, сигнализирующего состоянием логической единицы на выходе о том, что нажата одна из цифровых кнопок. На рисунке 7 изображена схема управления записью в регистры двоичного кода, соответствующего нажатой кнопке.

Рисунок 7. Схема управления записью пришедшего кода в регистры

После действия сигнала reset на выходе реализованного на рисунке 2.3 Т-триггера (элемент DD4.4) уровень логической единицы. Если нажать любую из цифровых кнопок, то на выходе DD2 формируется уровень логической единицы и подается на DD7.1 и туда же подается уровень с выхода DD4.4, на выходе DD7.1 формируется уровень логической единицы, который разрешает запись в первый регистр. Туда записывается двоичный код нажатой цифровой кнопки. При нажатии кнопки умножить, Т-триггер изменяет свое состояние на противоположное, и таким образом, подключает второй регистр, для записи следующего двоичного кода.

Для запоминания входных чисел используются регистры DD8, DD9. Особенность этих регистров в том, что он имеет четыре входа данных, каждому их которых соответствует свой тактовый вход. Но вход сброса общий для всего регистра. Это нужно для того, что входное число умножителя трехразрядное, а нам нужно еще хранить информацию о том, что например кнопка умножить была уже нажата (такая информация занимает как раз один разряд: 0 – не нажата, 1 - нажата). Такая информация позволит нам в дальнейшем гасить жидкокристаллический индикатор в случае если кнопка еще не нажата.

Рисунок 8 Условное графическое обозначение регистра

Всего в схеме электрической принципиальной умножителя используется четыре регистра DD8, DD9, DD26, DD27. В DD8 в первые три разряда записывается пришедшее с клавиатуры число (множимое). В четвертый разряд записывается 1 – флаг того, что число уже пришло и его можно вывести на индикатор. То же для DD9, только записывается уже второе число (множитель). В DD27 записываются 3 младших разряда результата и флаг нажатия кнопки умножить. В DD28 записываются три старших разряда и флаг нажатия кнопки равно.

Блок умножения

Блок умножения реализует операцию умножения двух чисел которые находятся в регистрах множимого и множителя. Он включает в себя сумматоры для реализации схемы умножения комбинационным методом. При выполнении умножения частные произведения однозначно определяются множимым и очередным битом множителя. Частное -е произведение либо равно множителю, если Bi = 1, либо равно нулю, если Bj = 0, Каждое последующее частное произведение сдвинуто на один разряд по отношению к предыдущему. Окончательное произведение получается последовательным суммированием частных произведений. Операнды полных сумматоров AjBj получают с помощью 2-входовых схем И аналогично Sl = AlBl.

С DD8 и DD9 информация (множимое и множитель) поступают на вход умножителя реализованного комбинационным методом. Схема сумматора который входит в состав умножителя изображена на рисунке 8. Умножитель ничем не тактируется, и не зависит ни от каких управляющих сигналов, а поэтому умножает всегда. Т.е. как только будет введено второе число (множимое), на выходе умножителя сформируется результат. А по нажатию кнопки равно он запишется в регистры DD26, DD27.

Рисунок 9 Условное графическое обозначение регистра

На выходах регистров DD26, DD27 – результат умножения в двоичном коде. Перед подачей его на дешифратор семисегментного кода, его нужно преобразовать в двоично-десятичный. Для этого используем микросхему К155ПР7. Т.к. младший разряд в двоичном и двоично-десятичном коде одинаковы, то он не подается на микросхему. Теперь полученный код, и коды с выходов регистров DD8, DD9 необходимо подать на микросхему К561ИД5 (преобразователь двоично-десятичного кода в семисегментный код со встроеной схемой управления цифровым индикатором фазовым методом) предварительно согласовав уровни ТТЛ и КМДП на микросхеме К561ПУ8.

Блок индикации

Для того чтобы введенные числа и результат отобразить на индикаторе необходим преобразователь кода. Преобразователь кода – преобразует двоичный код хранящийся в регистре результата в код соответствующий данному цифровому индикатору. После преобразования данных они подаются на блок индикации. В качестве блока индикации будет использоваться жидкокристаллический цифровой индикатор.

Для построения схемы электрической принципиальной устройства были выбраны два вида цифровых микросхем построенных на основе ТТЛ и КМДП логики. Использование различных видов логики обуславливается только тем, что в микросхемах ТТЛ логики присутствуют микросхемы необходимые для разрабатываемого устройства, а в КМДП логике таких микросхем нет, и наоборот. Т.е. часть необходимых микросхем есть в ТТЛ логике, а часть в КМДП логике. Использование микросхем с разным типом логики связано с некоторыми трудностями, а именно согласованием уровней сигналов на выходах микросхем одного типа и входах микросхем другого типа. Также микросхемам с разным типом логики необходимо разное напряжение питания.

Выходы преобразователей в семисегментный код необходимо подключить к жидкокристаллическим индикаторам.

Рисунок 9 Обозначение выводов жидкокристаллического индикатора ЦИЖ3-2

Этот индикатор одноразрядный, чтобы вывести на нем множимое, знак умножения, множитель, знак равенства и результат (два разряда) необходимо шесть индикаторов. Для того, чтобы вывести на индикатор число, в индикаторах отвечающих за отображение чисел пообъединяем контакты:

4,5 – соответствует A

8 – соответствует B

10 – соответствует C

15,13 – соответствует D

18 – соответствует E

2 – соответствует F

1,9 – соответствует G

A, B, C, D, E, F, G – выходы микросхемы К561ИД5.

Для того чтобы вывести на индикатор знак умножения с четвертого разряда регистра (флаг нажатия кнопки умножить) логический уровень через преобразователь ТТЛ-КМДП поступает на К561ИД5 на входы D1 и =1. Если это был уровень логической единицы, то ее двоичный код преобразуется в семисегментный, т.е. активны выходы B, C. Если это был уровень логического нуля, то индикатор отключен. С выхода В или С берем сигнал и пускаем на входы 3, 5, 7, 12, 16 индикатора отвечающего за отображение знака умножения формируя тем самым этот знак. Также отображаем и знак равенства.