Разработка логического устройства управления на трех входовых мультиплексорах

2.2 Разработка логического устройства управления на трех входовых мультиплексорах.

Используя МДНФ из раздела 2.1 произведем декомпозицию для трех входов и получим восемь остаточных функций.

Х₀ - встречается 3 раза в уравнении МДНФ

Х₁ - 4

Х₂ - 6

Х₃ - 4

Х₄ - 3

Произведем декомпозицию относительно Х_{3 ,}Х_{2 ,} Х_{1 .}

По этим данным рисуем схему заданной логической функции рис.2.2.

Y

Х1

Х3

Х2

Х1

Рис 2.2 Комбинационная схема на 3-х входовом мультиплексоре

'1'

'1'

Х4

Х0

2.3 Выбор варианта схемы и перечня элементов.

В зависимости от технологии ИС подразделяются на серии, различающиеся физическими параметрами базовых элементов, а также функциональным назначением входящих в их состав микросхем. В настояшее время разработано несколько десятков технологий изготовления ИС. Наиболее широкое применение получили ИС, изготавливаемые по ТТЛ, КМОП и п-МОП - технологиям. Каждая технология постоянно совершенствуется с целью увеличения быстродействия ИС, уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции – число элементов, размещаемых на кристалле заданной площади. Выбираем серию К1533 изготавливаемую по ТТЛШ технологии.

Исходя из схем построенных на двух и трех входовых мультиплексорах на рисунках 2,3. Видим что при использовании сдвоенных двух входовых мультиплексорах количество корпусов такое как при использовании трех входовых мультиплексорах. Выбираем трех входовые мультиплексоры так как при их использовании уменьшается количество соединений

Выбираем мультиплексор типа К1533КП7.

Селектор мультиплексор 8->1 со стробированием К1533КП7

В ходы				Выходы
А2	А1	А0	Ẅ	Y	Ž
X 0 0 0 0 1 1 1 1	X 0 0 1 1 0 0 1 1	X 0 1 0 1 0 1 0 1	1 0 0 0 0 0 0 0 0	0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7	1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

таблица истинности

Справочные данные К1533КП7 Питание(+5±5% В): вывод 16 Земля: вывод 8

Iпот, мА 10

Iвх 0;1, мА -0,4; 0,02

Iвых 0;1, мА 8; -0,4

Uвых 0;1, В 0,5; 2,7

T_зд , н.с 20

2.4 Расчет требований к источнику питания

Используя справочные данные мультиплексора К1533КП7 рассчитаем требования к источнику питания. Найдем мощность потребляемую одной микросхемой

P_мик=I_пот * U_пит =0,01А *5В = 50 мВт.

Зная мощность потребляемую одной микросхемой найдем мощность потребляемую всей схемой Р_схем =N*Р_мик =3*0,05 =150 мВт.

где N количество микросхем.

Для данной схемы нужен источник питания на напряжения 5В , нестабильность напряжения не должна превышать ±5%, мощностью не мнение 150 мВт.

2.5 Анализ гонок сигналов

Гонки сигналов в комбинационных схемах это процесс связанный с тем что на разные входы данной микросхемы поступают сигналы имеющие разную величину временной задержки относительно тактовых точек. Для анализа наличия гонок в схеме необходимо посмотреть все возможные варианты действия на микросхему сигналов на ее входе при наличии взаимных временных задержек сигналов друг относительно друга.

Меры борьбы с гонками .

Первое выравнивание запаздывания сигналов за счет искусственных задержек тех сигналов которые опережают друг друга. Для задержек могут использоваться повторители имеющие задержку. Этот способ сопряжен с усложнением схемы.

Еще один способ это для борьбы с гонками это увеличить длительность импульса снизив тактовую частоту. Так как допускается искажения в виде изменение длительности импульса не более .

Наша комбинационная схема не будет работать на большой частоте то для борьбы с гонками используем метод увеличения длительности импульса, а следовательно уменьшения тактовой частоты.

2.6 Расчет надежности устройства.

Любое устройство создается для надежной безотказной работы. Свойство устройства сохранять во времени в установленных пределах значения всех па­раметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и ре­монтов, хранения и транспортирования, называется надежностью. Если все па­раметры соответствуют требованиям документации, такое состояние называют работоспособным, а событие, состоящее в нарушении работоспособности, -отказам. Таким образом, для возникновения отказа достаточно ухода хотя бы одного параметра за пределы, установленные нормативно-техническими доку­ментами

В зависимости от того, каким образом проявляются эти ухода парамет­ров, различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ характеризу­ется скачкообразным изменением эксплуатационных параметров устройства, в связи с чем прогнозировать момент его возникновения практически невозможно Примеры внезапных отказов - короткое замыкание обкладок конденсатора, об­рыв выводов или пробой перехода транзистора. Постепенный отказ характери­зуется постепенными, плавными изменениями во времени одного или несколь­ких параметров, обусловленными влиянием необратимых процессов старения и износа. При этом. наблюдая за соответствующими параметрами в течение дли­тельного времени, всегда можно выявить тенденции или закономерности их из­менения и предсказать причину и время возникновения отказа. В качестве при­мера постепенных отказов можно привести увеличение обратного тока коллек­торного перехода транзистора I_ко, уменьшение коэффициента передачи или по­лосы пропускания линейной интегральной схемы

Для цифровых устройств, работающих в условиях действия помех (навод­ки по цепям питания, внутренние шумы и т. д), характерно наличие относитель­но большого числа самоустраняющихся отказов (сбоев). Данный вид отказов связан с нарушением работоспособности устройства на короткое время. после" чего правильная работа аппаратуры восстанавливается самопроизвольно, без вмешательства извне. Следствием сбоев могут быть искажения информации (ис­ходных данных, управляющих воздействий и т д.), что может повлиять на нор­мальное функционирование устройства малая длительность сбоя осложняет задачу его выявления и ликвидации связанных с ним нежелательных последствий.

Надежность любого объекта, в том числе и электронного устройства, зависит от многих факторов, таких, как качество использованных в нем деталей. их взаимное расположение, условия охлаждения, качество сборки (монтажа), ус­ловия эксплуатации (температура, влажность, наличие вибрации), качество обслуживания и пр. В зависимости от назначения и режима эксплуатации изделия можно разделять на две группы: 1) невосстанавливаемые, при отказе их заменя­ют исправными (к ним относят элементы электронной и электротехнической ап­паратуры: резисторы, конденсаторы, диоды, интегральные микросхемы и пр.), 2) восстанавливаемые, их можно ремонтировать, заменяя в них отказавшие эле­менты и восстанавливая нарушенные связи.

Рассматривая отказ как событие случайное, для количественной оценки надежности используют вероятность безотказной работы и вероятность отказа вероятность того. что в заданном интервале времени t отказ устройства не про­изойдет , т. е. его эксплуатационные параметры будут находиться в установлен­ных пределах, называется вероятностью безотказной работы P(t). Данная ха­рактеристика представляет собой монотонно убывающую функцию времени t, причем Р(0) = 1. Р (∞) = 0. (Предполагается, что вначале изделие исправно, а по­сле некоторого времени, может быть очень большого, оно обязательно выйдет из строя.) Представление о том, каков характер функции P(t), можно получить в ре­зультате эксперимента с большой группой изделий. Результаты эксперимента с группой отражают поведение всей массы изделий (генеральной совокупности), если выборка достаточно объемна. В этом случае говорят о представительной выборке. Пусть выборка содержит No = 1000 изделии (резисторов, конденсато­ров, микросхем). Поставим их в режим, соответствующий паспортным условиям эксплуатации (окружающая температура, ток, напряжение), и будем фиксиро­вать момент отказа каждого изделия или количество отказавших изделий нарас­тающим итогом через каждые Δt ч. Тогда вероятность безотказной работы )

P(t)=N(t)/N,, (1)

где N(t) - число изделий, оставшихся исправными к моменту времени t. Распо­лагая полученной информацией, можно определить, какова в среднем вероят­ность того. что аналогичное изделие будет работоспособным через 10, 100,1000 ч, сколько часов может эксплуатироваться изделие, если задано допустимое нижнее значение P(t).

Вероятность отказа определяется как вероятность появления отказа в течение времени t: Q(t) = (No - N(t))/No. Так как работоспособное состояние в co- стояние отказа образуют полную, группу событий (третьего не дано!), то харак­теристики P(t) и Q(t) удовлетворяют соотношению P(t) +Q(t) = 1.

Введем понятие плотности вероятности появления отказа:

(2)

важной характеристикой надежности является и интенсивность отказов:

(3)

представляющая собой вероятность отказа изделия в единицу времени после данного момента t при условии, что до него отказ не возникал. Сравнивая выра­жения для a(t) и λ(t), нетрудно увидеть различия между ними. Значение а(t)Δt характеризует относительную долю отказавших изделий за интервал [t, t + Δt], взятых из произвольной группы поставленных на испытания изделий, независи­мо от того, исправны они или отказали к моменту времени t. Значение λ (t)Δt оп­ределяет относительную долю отказавших изделий в интервале [t, t + Δt], взятых из группы изделий, оставшихся работоспособными к рассматриваемому момен­ту t . Для элементов электронной аппаратуры типичные значения λ от 10^-6 до 10^-81/ч.

Важный количественный показатель надежности - среднее время безот­казной работы (средняя наработка до отказа), которое определяется как ма­тематическое ожидание времени работы до отказа. Эту характеристику нахо­дят как

(4)

где t_i, - время безотказной работы i-го изделия (для восстанавливаемых изделий -время работы между двумя соседними отказами). Для экспоненциального закона надежности Средняя наработка до отказа Т и интенсивность отказов λ удобны в качестве справочных данных, так как они не зависят от вре­мени.

В ряде случаев для оценки безотказности устройства используется такая характеристика, как гамма процентная наработка до отказа Т_λ , т. е. наработка, в течение которой отказ устройства т возникает с вероятностью γ, выражен­ной в процентах. Соответствующее значение находят из уравнения

(5)

Например. Т_90% означает, что указанное время наработки до отказа реали­зуется с вероятностью P(T_90%,) = 0,9. т. е. указанное время будет достигнуто для 90% изделий.

Справочные данные обычно приводятся для одиночных элементов в нор­мальных условиях эксплуатации. Реальные ус­ловия эксплуатации могут отличаться от нор­мальных, а устройства, надежность которых на­до определить, содержат большое число различ­ных элементов.

Влияние условий эксплуатации (электри­ческих режимов, температуры, радиации, влажности вибрации и ударов) проявляется в изменении интенсивности отказов, оп­ределяемом опытным путем. Утяжеление условии существенно повышает ин­тенсивность отказов. Например, увеличение рабочего напряжения на конденсаторе на 10% может повысить λ¹ более чем вдвое.

Способы соединения элементов и узлов, связей между ними разнообраз­ны. Обычно выделяют основное и резервное соединения. Соединение, когда от­каз любого из элементов приводит к отказу всего устройства, называют основ­ным (например, бытовая аппаратура). Модель расчета надежности для такого со­единения - последовательная цепочка элементов, когда работоспособному со­стоянию устройства соответствует исправность P первого, P второго,..., P n-го элементов Вероятность исправного состояния системы, содержащей n элементов:

В этом причина низкой надежности сложных систем с большим числом элементов: если Р, = 0,999, а n = 1000, то Рс = 0,37. Другие показатели надежно­сти для основного соединения элементов выводят из формулы произведения ве­роятностей

Найдем показатели надежности нашей разработанной схемы. Из справочника знаем λ_i равно резисторов 0.64*10^-4 , конденсаторов 0,25*10^-6 и микросхемы 0,06*10^-6 . Найдем λ_с для всех элементов схемы

для резисторов

для конденсаторов

для микросхем

Найдем Р_с для всех элементов схемы

для резисторов

для конденсаторов

для микросхем

Найдем Т_с для всех элементов схемы

для резисторов

для конденсаторов

для микросхем

Судя по расчетам плата сможет проработать не менее 15000 часов.

РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ.

3.1 Разработка требований к печатной плате.

Сущность печатного монтажа за­ключается в нанесении на изоляцион­ное основание тонких электропрово­дящих покрытий, выполняющих фун­кции монтажных проводов и элемен­тов схемы — резисторов, конденсато­ров, катушек индуктивности, кон­тактных деталей и др.

Конструкторская -документация на печатные платы и блоки оформля­ется в соответствии с требованиями ГОСТ 2 109 73, ГОСТ 2 417-68 и действующими нормативно техническими документами Чертеж печатной платы односторонней или двусторонней классифицируется как чертеж детали Чертеж печатной платы должен содержать все сведения, необходимые для ее изготовления и конт­роля изображение печатной платы со стороны печатного монтажа, раз меры, предельные отклонения и шероховатость поверхностей печатной платы и всех ее элементов (отверстий, проводников), а также размеры расстояний между ними, необходимые технические требования, сведе­ния о материале

Размеры каждой стороны печат­ной платы должны быть кратными 2,5 при длине до 100 мм, 5 при длине до 350 мм, 20 при длине более 350 мм Максимальный размер любой из сторон печатной платы не должен пре­вышать 470 мм Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1 и выбира­ется из ряда 1:1, 1:2, 2:3, 2:5 Тол­щину плат определяют исходя из механических требований, предъявляемых к конструкции печатного блока, с учетом метода изготовления. Рекомендуются платы толщиной 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0 мм. Чертежи печатных плат выполняют в натуральную величину или с увеличением 2:1, 4:1, 5:1, 10:1

Разработку чертежа печатной платы начинают с нанесения коорди­натной сетки За основной шаг пря­моугольной координатной сетки по ГОСТ 10317 79 принимается 2,5 мм. Для малогабаритной аппаратуры и в технически обоснованных случаях допускается применять дополнительные шаги 1,25 и 0,5 мм

Центры всех отверстий на печатной плате должны располагаться в узлах координатной сетки. Если из за конструктивных особенностей навесного элемента этого сделать нельзя, то центры отверстий распола­гают согласно указаниям чертежа на этот элемент Такое расположение центров отверстий используют для ламповых панелей, малогабаритных реле, разъемов и других элементов При этом должны соблюдаться сле­дующие требования центр одного из отверстий, принятого за основное, должен быть расположен в узле координатной сетки, центры осталь­ных отверстий нужно по возможно­сти располагать на вертикальных или горизонтальных линиях коорди­натной сетки Диаметры монтажных и переход­ных металлизированных и не металлизированных отверстий выбирают из ряда (0,2), 0,4, (0,5), 0,6, (0,7), 0,8, (0,9), 1,0, (1,2), 1,3,1,5, 1,8; 2,0, 2,2, (2.4), (2,6), (2,8), (3,0) Диаметры, не взятые в скобки, являются предпочтительными Не рекоменду­ется на одной печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий Диаметры металлизиро­ванных отверстий выбирают в зави­симости от диаметров выводов навесных элементов и толщины платы, а диаметры не металлизированных отверстий в зависимости от диа­метров выводов навесных элементов, устанавливаемых в эти отверстия. Необходимость зенковки монтажных и переходных отверстий диктуется конкретными конструк­тивными требованиями и методом изготовления платы

Шероховатость поверхности монтажных не металлизированных отверстий и торцов печатных плат должна быть Rz