Проектирование универсальной микро-ЭВМ

 

 

Рисунок. 2.15 – Временная  диаграмма КР580ВВ79 при записи команд и данных

Рисунок 2.16 – Временная диаграмма КР580ВВ79 при чтении команд и слова состояния

 

3 Схемотехническое проектирование

Выберем вспомогательные  элементы.

В качестве четырёхразрядного  счётчика возьмём микросхему КМ555ИЕ19, условное графическое изображение  которой и цоколёвка выводов показаны на рисунке 3.1. В корпусе микросхемы содержится 2 таких счётчика. Сброс каждого счётчика осуществляется по низкому уровню.

Рисунок 3.1 – УГО микросхемы КМ555ИЕ19

В качестве элемента 2И-НЕ возьмём  микросхему К555ЛА12, условное графическое  изображение которой и цоколёвка  выводов показаны на рисунке 3.2. Микросхема содержит 4 таких элемента.

Рисунок 3.2 – УГО микросхемы К555ЛА12

В качестве элементов НЕ применим К555ЛН1, условное графическое  изображение которого и цоколёвка  выводов показаны на рисунке 3.3. Микросхема содержит 6 таких элементов в корпусе.

Рисунок 3.3 – УГО микросхемы КМ555ЛН1

В качестве элемента 2ИЛИ  возьмём элемент К555ЛЛ1, условное графическое изображение которого и цоколёвка выводов показаны на рисунке 3.4. Микросхема содержит 4 таких элемента.

Рисунок 3.4 – УГО микросхемы К555ЛЛ1

В качестве микросхемы дешифратора  в системе управления отображением и клавиатурой применим К555ИД7. Это двоично-десятичный дешифротор-демультиплексор. УГО и цоколёвка выводов микросхемы показаны на рисунке 3.5. Дешифратор имеет трёхвходовой логический элемент разрешения. Дешифрация происходит тогда, когда на входах , действует напряжение низкого уровня, а на входе E3 – высокого. При других сочетаниях на входах разрешения на всех выходах будет напряжение высокого уровня.

Рисунок 3.5 – УГО микросхемы К555ИД7

В качестве микросхемы ПЗУ  в адресном дешифраторе памяти и  портов ввода вывода применим КР556РТ4А. Она имеет информационную ёмкость 1024 бита с организацией 256 4. Время выборки адреса не превышает 70 нс. Микросхема имеет 2 инверсных входа разрешения работы (, ) и выходы с открытым коллектором. УГО микросхемы и цоколёвка выводов показаны на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – УГО микросхемы КР556РТ4А

 

3.1 Расчёт электрических параметров элементов

Рассчитаем дискретные элементы схемы сброса, показанной на             рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 – Схема сброса микроЭВМ

В момент включения питания конденсатор  С2 заряжается и, пока он не зарядится, на вход схемы генератора подаётся низкий уровень, формирующий сигнал сброса. Длительность низкого уровня сигнала на входе определяется величиной сопротивления R3 и ёмкостью конденсатора C2. После того, как конденсатор зарядится, ток через резистор R3 идет на вход генератора, поддерживая на нём высокий уровень.

При выполнении сброса при помощи кнопки SB1, происходит разрядка конденсатора на “землю” и ток на вход не идёт – формируется низкий уровень и происходит сброс системы. При размыкании ключа SB1 на входе высокий уровень формируется с задержкой, которую создает процесс зарядки конденсатора.

Ёмкость конденсатора C2 и номинал R3 определяют продолжительность низкого уровня сигнала на входе тактового генератора при включении питания, а номиналы С2 и R1 определяют время задержки перед появлением низкого уровня на после замыкания кнопки SB1.

Ёмкость конденсатора С2 и сопротивление  резистора R3 необходимо выбрать такими, чтобы обеспечить минимальную продолжительность  присутствия низкого уровня напряжения на входе , чтобы тактовый генератор успел среагировать на него и сформировать сигнал сброса при включении питания и нажатии кнопки SB1.

Пусть минимальное время сброса будет составлять t_min = 50мкс. В схеме сброса при размыкании ключа SB1 возникает переходной процесс. Напряжение на выводе рассчитывается по формуле (3.1).

                                 (3.1)

То есть временная постоянная для цепи будет рассчитываться по формуле (3.2).

                                                (3.2)

Считается, что переходной процесс  завершается через 4 . Поэтому формула (3.2) примет вид (3.3).

                                            (3.3)

Резистор R3 также нужен для ограничения тока. Его номинал рассчитываем по формуле (3.4) с учётом того, что на входе должен быть ток не более I_RS= 50 мкА.

                      (3.4)

Поэтому номинал С2 рассчитываем по формуле (3.5)

                               (3.5)

Сопротивление резистора R1 необходимо выбрать таким, чтобы  обеспечить минимальную задержку срабатывания кнопки SB1. Пусть t_min = 1 мкс. При таком времени номинал R1 рассчитываем по формуле (3.6).

                               (3.6)

Исходя из этого, в качестве резистора  R1 необходимо взять            МЛТ-0,125-43Ом±5%, в качестве R3 – МЛТ-0,125-51кОм±5%, в качестве С2      КМ-6-25В-24нФ+80%-20%.

К входам Х1 и Х2 тактового генератора подключаем цепь, состоящую из соединенных  последовательно кварцевого резонатора ZQ1 и конденсатора С1. Конденсатор необходим для того, чтоб произошёл запуск кварцевого резонатора на основной частоте. Для кварцевого резонатора типа       РК169МА-10ДТ-36864К ёмкость конденсатора С1 выбираем равной 6,8 пкФ (К10-15В-6,8пФ+80%-20%).

Нагрузочная способность выходов  БИС К555ИД7 будет недостаточной для свечения индикаторов типа АЛС324А, поэтому необходимо будет использовать для каждого такого индикатора схему ключевого усилителя на транзисторе. Для работы дисплея необходимо также предусмотреть ограничительные сопротивления для задания необходимого тока свечения. Схема включения ключевого усилителя и ограничительных резисторов для отдельного индикатора показана на рисунке 3.8. Для остальных индикаторов дисплея схема будет аналогичной.

Рисунок 3.8 – Схема подключения индикатора

В схеме, показанной на рисунке 3.8 резисторы R10 и R8 необходимы для задания начального напряжения на базе транзистора VT1 (задание режима покоя), а резистор R9 необходим для ограничения тока свечения отдельного сегмента в DA1.

Для цифрового индикатор типа АЛС324А характерны следующие характеристики:

– оптимальная сила тока свечения одного сегмента Iпр = 10мА;

– максимальный прямой ток через  один сегмент Iпр(max) = 25мА;

– постоянное прямое напряжение сегмента при оптимальном токе Uпр= 2В;

– постоянное обратное напряжение Uобр= 5В.

Так как индикатор DA1 содержит 7 сегментов, соединённых по схеме с общим катодом, рассчитаем максимальный прямой ток Iсум, необходимый для активизации всех сегментов одновременно по формуле (3.7).

                                  (3.7)

Транзистор VT1 должен иметь максимальный ток коллектора в 1,5 раза больший, чем  Iсум, то есть удовлетворять критерию (3.8).

                                          (3.8)

Исходя из критерия (3.8) в качестве транзистора VT1 выбрали КТ351А.

Его основные характеристики следующие: h21е=50, Uбэ0=0,6В, Uке(max)=20В, Iк(max)=400мА.

Так как ток базы Iб транзистора VT1 и ток коллектора Iк связаны соотношением (3.9), то определим необходимый ток базы Iб(max) для обеспечения Iсум по формуле (3.10).

                                          (3.9)

               (3.10)

При таком токе базы значение напряжения Uбэ= 0,75 В.

Для задания стабильного рабочего режима VT1 (режима покоя) и для уменьшения потребления тока необходимо, чтобы  выполнялось условие (3.11).

                                         (3.11)

Поэтому номинал резистора R10 рассчитываем по формуле (3.12).

       (3.11)

Рассчитываем номинал резистора R8 по формуле (3.13).

    (3.12)

В итоге от входа дешифратора  забирается ток Iд(AN) = 1,1 ∙ Iб(max) =     = 1,507 мА.

Рассчитываем номинал резистора  R9 по формуле (3.14).

                   (3.14)

В итоге в качестве резистора R8 выбираем МЛТ-0,125-2,4кОм±5%, R9 – МЛТ-0,125-240Ом±5%, R10 – МЛТ-0,125-5,6кОм±5%.

Рассчитываем диоды VD1 и VD2, используемые в клавиатуре. Так как Iвх(0) для линий возврата микросхемы КР580ВВ79 равен 100 мкА, то при одновременном замыкании всех ключей ток через диод будет равен Ivd =      = 0,8 мА при напряжении не более 5 В. Поэтому основной критерий для выбора диодов VD1 и VD2 будет (3.15).

                                          (3.15)

В качестве диодов VD1 и VD2 выбрали КД522А (Iпр(max) = 100мА, Uпр(max) = 40В, Uобр(max)= 50В).

Рассчитываем подтягивающие  резисторы клавиатуры R12, R15, R19, R23, R25, R28, R32, R34 по формуле (3.16).

                   (3.16)

Поэтому в качестве них  выбираем МЛТ-0,125-130кОм±5%.

Рассчитываем номиналы подтягивающих резисторов дешифратора адреса портов ввода/вывода R4, R5, R6 по формулам (3.17) – (3.19).

                   (3.17)

                   (3.18)

                   (3.19)

Выбираем резисторы: в качестве R4 выберем МЛТ-0,125-56кОм±5%,    R5 – МЛТ-0,125-36кОм±5%, R6 – МЛТ-0,125-56кОм±5%.

Рассчитываем номинал  резистора R2 по формуле (3.20).

                   (3.20)

Рассчитываем номинал  резистора R7 по формуле (3.21).

                   (3.21)

Выбираем резисторы: в качестве R2 выберем МЛТ-0,125-56кОм±5%,   R7 – МЛТ-0,125-130кОм±5%.

Выбираем ёмкости конденсаторов  С3...С26 для предотвращения всплесков напряжения при работе каждой микросхемы. В качестве них используем К53-14-6,3В-6,8мкФ+80%-20%.

3.2 Обеспечение электрической совместимости элементов

Все используемые в разработанной  микроЭВМ БИС изготовлены по технологии, совместимой с ТТЛ, и их электрические  характеристики позволяют выходы одной БИС непосредственно подключить к входам другой без использования схем согласования. Для расчёта дискретных элементов всей схемы микроЭВМ в таблице 3.1 даны все основные параметры использованных БИС и элементов.

Таблица 3.1 – Основные параметры  используемых БИС и элементов

Тип микросхемы	UИП, В	U0ВЫХ, В	U1ВЫХ, В	I0ВХ, мА	I1ВХ, мА	I0ВЫХ, мА	I1ВЫХ, мА	t0,1ЗД.Р, нс	t1,0ЗД.Р, нс
КР556РТ4А	5	0,4	2,4	-1,6	0,05	16	-0,4	65	45
КР580ВВ79	5	0,4	2,2	-0,1	0,05	8	-0,5	–	–
К555ЛН1	5	0,5	2,7	-0,36	0,02	4	-3	20	20
i8284	5	0,45	2,4	-0,5	0,05	5	-1	–	–
К555ЛЛ1	5	0,5	2,7	-0,36	0,02	8	-3	22	22
КМ555ИЕ19	5	0,4	2,7	-0,8	0,04	8	-3	35	35
К555ЛА12	5	0,5	2,7	-0,4	0,02	24	-10	24	24
Intel i8088	5	0,5	2,4	-1,6	0,04	20	-0,4	–	–
К555ИД7	5	0,48	2,5	-0,36	0,02	20	-6	41	27
К580ИР82	5	0,45	2,4	-2	0,016	2	-0,16	30	30
КР556РТ16	5	0,5	2,7	-0,4	0,02	8	-3	50	50
ТС5588Р	5	0,5	2,7	-0,4	0,02	8	-4	25	25
КР580ВВ55А	5	0,4	2,4	-0,4	0,05	8	-0,5	–	–
КР580ВВ51А	5	0,4	2,2	-0,5	0,08	8	-0,5	–	–
КР580ВА86	5	0,4	2,4	-0,5	0,05	16	-0,2	18	18

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Конструкторско-технологический расчёт печатной платы

Для функциональной части, состоящей из блока центрального процессора, рисунок 4.1, рассчитаем размеры печатной платы и выберем её типоразмер. Необходимо также учесть, что нам потребуется отдельный разъём для питания (EVL-2).

Габаритная площадь элементов  определятся по следующей формуле 4.1:

                                                 (4.1)

где А – ширина элемента, мм

В – длина элемента, мм

Для предотвращения перегрева  элементов, электрических пробоев, паразитных связей и прочих нежелательных факторов в формуле 4.1 вводится поправочный коэффициент К (К = 1,25). Таким образом, получим формулу 4.2 для расчёта установочной площади:

                                    (4.2)

Габаритные и установочные размеры  радиоэлементов сводятся в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 – Габаритные и установочные размеры 

Тип элемента	Количество	Габаритные размеры, мм		Толщина вывода, мм
Микросхема КР580ВА86	1	27x8	270	0,6
Генератор i8284	1	22,5x7,5	210,9375	0,6
Микросхема К580ИР82	3	25x8	750	0,6
Микросхема Intel i8088	1	51,5x15	956,625	0,6
Резонатор РК169МА	1	11,5x5,3	76,1875	0,5
Конденсатор К10-43	1	8,2x4,8	49,2	0,6
Конденсатор КМ6	1	7,5x6	56,25	0,6
Резисторы МЛТ-0,125Вт	3	6х2,2	49,5	0,6
Разъём EVL-2	1	7,5х3,8	35,625	0,8