ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΚΟΥΤΣΙΩΡΑΣ Α.Μ.: ΨΗΦΙΑΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ. Αναφορά Πρακτικής Εργασίας: Μετατροπέας Κώδικα BCD Σε Κώδικα GRAY

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΨΗΦΙΑΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ Αναφορά Πρακτικής Εργασίας: Μετατροπέας Κώδικα BCD Σε Κώδικα GRAY ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΚΟΥΤΣΙΩΡΑΣ Α.Μ.: Χειμερινό εξάμηνο

2 Περιεχόμενα Περιεχόμενα... 1 Στόχος... 2 Μεθοδολογία... 2 Πίνακας BCD - GRAY... 2 Λογικό κύκλωμα... 3 Σχέδιο διάτρητης πλακέτας... 4 Υλικά... 5 Στάδια δημιουργίας... 8 Τελική μορφή πλακέτας Λειτουργία Συμπεράσματα

3 Στόχος Στα πλαίσια του μαθήματος Ψηφιακή Σχεδίαση ο καθηγητής του μαθήματος Εμμανουήλ Γουάλλες μας έδωσε τη δυνατότητα συμμετοχής σε μια προαιρετική ατομική κατασκευαστική εργασία. Στόχος της εργασίας είναι η απόκτηση γνώσεων στον τομέα των ψηφιακών συστημάτων και η επίτευξη με πιο αποτελεσματικό τρόπο των στόχων του μαθήματος, περνώντας οι φοιτητές από την θεωρία στην πράξη. Θα πρέπει να αποφασίσουμε τη λειτουργία που θα εκτελεί η κατασκευή μας. Το θέμα της πρακτικής εργασίας, που έχω επιλέξει, είναι η υλοποίηση ενός μετατροπέα από κώδικα BCD σε κώδικα GRAY. Μεθοδολογία Παρακάτω, θα προσπαθήσω να παρουσιάσω με τον καλύτερο δυνατό τρόπο την υλοποίηση του ζητούμενου κυκλώματος από το στάδιο της ιδέας μέχρι και το τελικό στάδιο, που είναι η σωστή λειτουργία του κυκλώματος. Καταρχάς, έχω χωρίσει ολόκληρη την διαδικασία υλοποίησης του μετατροπέα σε 6 στάδια. Στο πρώτο στάδιο θα κατασκευάσουμε έναν ενιαίο πίνακα με τους δύο κώδικες ( BCD GRAY ) ώστε να είναι εμφανείς οι μετατροπές από τον ένα κώδικα στον άλλον. Στο δεύτερο στάδιο θα κατασκευαστεί το λογικό κύκλωμα του ζητούμενου μετατροπέα. Στο τρίτο στάδιο θα σχεδιαστεί το κύκλωμα που θα απεικονίζει την θέση των υλικών πάνω στη διάτρητη πλακέτα (Εμπρός/Πίσω). Στο τέταρτο στάδιο θα πραγματοποιηθεί η συλλογή των υλικών και η παρουσίαση τους. Στο πέμπτο στάδιο θα ξεκινήσει η υλοποίηση του μετατροπέα, δηλαδή θα τοποθετηθούν τα υλικά πάνω στην πλακέτα με κατάλληλο τρόπο και θα γίνουν οι απαραίτητες κολλήσεις ώστε να προκύψει το τελικό αποτέλεσμα. Τέλος στο έκτο στάδιο θα ελέγξουμε αν ο μετατροπέας λειτουργεί σωστά, πρόταση που αποτελεί το ζητούμενο της πρακτικής εργασίας. Πίνακας BCD - GRAY Στον πίνακα 1 υπάρχει ο πίνακας τιμών για τον κώδικα BCD καθώς και για τον κώδικα GRAY. Ο πίνακας αυτός είναι σημαντικός αφού θα χρησιμοποιηθεί για επαλήθευση της σωστής λειτουργίας του τελικού κυκλώματος του μετατροπέα. Decimal BCD GRAY Πίνακας 1 2

4 Λογικό κύκλωμα Ο μετατροπέας χρειάζεται, από άποψη εισόδων/εξόδων, τέσσερις εισόδους για τον τετράμπιτο δυαδικό αριθμό σε κώδικα BCD και τέσσερις εξόδους για τον τετράμπιτο δυαδικό αριθμό σε κώδικα GRAY. Η ονόμασία των εισόδων-εξόδων θα είναι ( a, b, c, d ) και ( w, x, y, z ) αντίστοιχα. Έπειτα θα πρέπει να γίνουν οι κατάλληλες ενέργειες ώστε να μετατραπεί ο τετράμπιτος δυαδικός αριθμός από τον κώδικα BCD στον κώδικα GRAY. Αυτό θα πραγματοποιηθεί με την παρουσία τριών λογικών πυλών Exclusive OR ( XOR ) δύο εισόδων. Παρακάτω στο Σχήμα 1 υπάρχει το λογικό κύκλωμα που υλοποιεί αυτήν την διαδικασία. Σχήμα 1 *Σημείωση: Το κύκλωμα δημιουργήθηκε με την εφαμογή: Microsoft Visio Premium

5 Σχέδιο διάτρητης πλακέτας Αφού έχουμε σχεδιάσει το λογικό κύκλωμα του μετατροπέα, έφτασε η στιγμή να δημιουργήσουμε ένα σχέδιο το οποίο θα έχουμε σαν υπόδειγμα κατά την υλοποίηση του μετατροπέα στην διάτρητη πλακέτα. Σύμφωνα με το κύκλωμα του Σχήματος 1 θα χρειαστούμε τέσσερις εισόδους και τέσσερις εξόδους για τους δύο τετράμπιτους δυαδικούς αριθμούς. Οι είσοδοι του μετατροπέα θα έχουν την μορφή διακόπτη, ενώ οι έξοδοι την μορφή φωτεινής πηγής (λαμπάκι). Επίσης οι τρείς απλές λογικές πύλες (XOR) θα αντικατασταθούν από δύο ολοκληρωμένα τσιπάκια 7486 (XOR) με 4 λογικές πύλες το καθένα. Η επιλογή των δύο ολοκληρωμένων, αντί του ενός, ήταν δική μου. Κατέληξα σε αυτήν την απόφαση για δική μου διευκόλυνση στις κολλήσεις καθώς είναι η πρώτη φορά που ασχολούμαι με δημιουργία κυκλώματος σε διάτρητη πλακέτα. Αφού θα χρησιμοποιήσουμε λαμπάκια είναι απαραίτητη η χρήση αντιστάσεων για την αποφυγή καταστροφής τους. Τα λαμπάκια θα τοποθετηθούν μετά τις αντιστάσεις έτσι ώστε να μην υπάρξει κάποιο σοβαρό πρόβλημα αργότερα στη λειτουργία του κυκλώματος. Για την λειτουργία όλων αυτών, είναι απαραίτητη η συνδεσμολογία καθώς και η τροφοδοσία. Για την τροφοδοσία έχουμε εξασφαλίσει δύο σύρματα, το Vcc (για τον θετικό πόλο) και το GND (για τον αρνητικό πόλο) τα οποία θα συνδέονται με μπαταρία. Για την συνδεσμολογία θα χρησιμοποιήσουμε καλώδια. Στο Σχήμα 2 φαίνεται αναλυτικά η απεικόνιση του μετατροπέα όπως θα σχεδιαστεί στην διάτρητη πλακέτα. Σχήμα 2 Εμπρός πλευρά διάτρητης πλακέτας Στο Σχήμα 2 τα σημεία ( a, b, c, d ) παριστάνουν τα διακοπτάκια του μετατροπέα, δηλαδή τον δυαδικό αριθμό σε κώδικα ΒCD. Τα σημεία ( w, x, y, z ) παριστάνουν τα λαμπάκια του μετατροπέα, δηλαδή τον δυαδικό αριθμό σε κώδικα GRAY. Οι αντιστάσεις τοποθετούνται πριν τα λαμπάκια και είναι τριγωνικές στο σχέδιο του Σχήματος 2. Τα ολοκληρωμένα τσιπάκια παριστάνονται με τα ορθογώνια παραλληλόγραμμα και αποτελούνται από 14 επαφές το καθένα (2 από τις 14 χρησιμοποιούνται για τροφοδοσία). Τέλος ο θετικός πόλος της μπαταρίας βρίσκεται στο επάνω μέρος του Σχήματος 2 ( Vcc ), ενώ ο αρνητικός πόλος της μπαταρίας στο κάτω μέρος ( GND ). Βασική προυπόθεση για να δουλέψει το κύκλωμα μας είναι η σύνδεση των παραπάνω υλικών με την τροφοδοσία ( +/- ). Οι μαύρες κουκίδες πάνω στα καλώδια παριστάνουν τις κολλησεις που πρέπει να πραγματοποιηθούν σε εκείνα τα σημεία. Έτσι ο μετατροπέας χρειάζεται περίπου εξήντα κολλήσεις για να δουλέψει σωστά. 4

6 Στο Σχήμα 3 παριστάνεται η πίσω πλευρά της διάτρητης πλακέτας όπου θα πραγματοποιηθούν οι κολλήσεις του μετατροπέα. Σχήμα 3 Πίσω πλευρά διάτρητης πλακέτας Υλικά *Σημείωση: Τα σχήματα 2 και 3 δημιουργήθηκαν με την εφαμογή: Microsoft Visio Premium Τα υλικά που θα χρησιμοποιήθούν για την υλοποίηση της πρακτικής εργασίας, συνοπτικά είναι τα εξής: Διάτρητη πλακέτα : Θα φιλοξενήσει το κύκλωμα Κολλητήρι : Εργαλείο κόλλησης Καλάι : Εύτηκτο υλικό για τις κολλήσεις Μπαταρία : Τρφοφοδοσία για την λειτουργία του τελικού κυκλώματος 2 Ολοκληρωμένα τσιπάκια : Πύλες Exclusive OR 4 Λαμπάκια : Αναπαράσταση τετράμπιτου δυαδικού αριθμού σε κώδικα GRAY 4 Αντιστάσεις : Έλεγχος τροφοδοσίας ώστε να κυμαίνεται σε επιτρεπτά επίπεδα 4 Διακοπτάκια : Αναπαράσταση τετράμπιτου δυαδικού αριθμού σε κώδικα BCD Καλώδιο : Χρήσιμο στοιχείο για τις συνδέσεις μεταξύ των διάφορων εξατημάτων της πλακέτας. Παρακάτω υπάρχουν αυτά τα βασικά εξαρτήματα με τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους: 5

7 1) Διάτρητη πλακέτα Τύπος : Διαστάσεις : 10 x 16 cm 2) Κολλητήρι με βάση Ισχύς : 30W Τάση : 230V Βάση για κολλητήρι τύπου στυλό : ZD-10C 3) Σύρμα κασσιτεροκόλλησης (Καλάι) Διάμετρος : 1mm Καρούλι : 100gr Αναλογία : Sn 63/Pb 37 4) Μπαταρία με κούμπωμα Τύπος : GPAU 1604 B1 - Αλκαλική Τάση : 9V Τύπος μπαταριοθήκης : D 11 6

8 5) 2 Ολοκληρωμένα τσιπάκια Κωδικός : IC SN74LS86 Λογική πύλη : Exclusive OR (XOR) Datasheet : SN74LS86AN 6) 4 Λαμπάκια (Δίοδος LED) Διάμετρος : 5mm Ισχύς : 3V Χρώμα : Κόκκινο 7) 4 Αντιστάσεις Αντίσταση : 220Ω Ανοχή : +/- 5% Πολλαπλασιαστής : 10Μ 8) 4 Μini Διακόπτες Τύπος : 3 επαφών ( ON - ON ) Χαρακτηριστικά : 2A / AC 250V - 5A / AC 120V 7

9 Στάδια δημιουργίας Αφού έχουμε σχεδιάσει ένα πλάνο με την θέση των εξαρτημάτων πάνω στην διάτρητη πλακέτα προχωράμε στην υλοποίηση του μετατροπέα. Παρακάτω ακολουθούν κάποιες εικόνες από τα ενδιάμεσα στάδια δημιουργίας του μετατροπέα. Στο αρχικό στάδιο δημιουργούμε τέσσερις τρύπες, με τρυπάνι, στην άκρη της πλακέτας με διάμετρο ίση με αυτή του mini διακόπτη ώστε να τοποθετηθούν εκεί οι διακόπτες μας. Στη συνέχεια παρακολουθώντας ταυτόχρονα και το σχεδιαστικό πλάνο του Σχήματος 2 και 3, γυμνώνουμε κάποιες ποσότητες καλωδίου και τις κολλάμε με το κολλητήρι δεξιά (Vcc) και αριστερά (GND) της πλακέτας για να δημιουργήσουμε τους δύο πόλους του κυκλώματος. Από αυτούς τους δύο πόλους θα τροφοδοτούνται τα κατάλληλα εξαρτήματα που θα αναλύσουμε πιο κάτω. Επίσης τοποθετούμε στην άλλη άκρη της διάτρητης πλακέτας τα τέσσερα λαμπάκια μαζί με τις αντιστάσεις τους. Στην Εικόνα 1 παρατηρούμε αυτά τα βήματα. Εικόνα 1 8

10 Στο επόμενο στάδιο γίνονται οι απαραίτητες κολλήσεις στα λαμπάκια και στις αντιστάσεις με τον αρνητικό πόλο (GND) του κυκλώματος και ξεκινάμε να τοποθετούμε κάποιους από τους διακόπτες. Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν τοποθετούμε στοιχεία όπως οι αντιστάσεις προσέχουμε να μην υπάρχει κάποια επαφή στο γυμνό τους μέρος. Αν υπάρξει επαφή θα έχουμε ένα ανεπιθύμητο βραχυκύκλωμα το οποίο μπορεί να αλλοιώνει την κύρια λειτουργία του κυκλώματος, αλλά μπορεί να προκαλέσει μέχρι και καταστροφή ενός ή περισσότερων στοιχείων του κυκλώματος. Στην Eικόνα 2 φαίνονται αυτές οι αλλαγές καθώς υπάρχει και εμπρός και πίσω φωτογραφία της διάτρητης πλακέτας. Εικόνα 2 9

11 Στη συνέχεια τοποθετούμε τα δύο ολοκληρωμένα στην διάτρητη πλακέτα καθώς και τα υπόλοιπα διακοπτάκια. Τα διακοπτάκια πρέπει να έχουν τις δύο ακραίες επαφές τους συνδεδεμένες με τον αρνητικό, η μία και με τον θετικό πόλο, η άλλη. Το μεσαίο άκρο θα συνδεθεί ίσως με κάποιο ολοκληρωμένο και θα καταλήξει σε κάποια αντίσταση που οδηγεί σε λαμπάκι. Επίσης η ορθή λειτουργία του 7486 απαιτεί σύνδεση στην τροφοδοσία. Ο τρόπος που θα τα συνδέσουμε βρίσκεται στο Datasheet του ολοκληρωμένου που χρησιμοποιούμε (Vcc = 5V και GND Γείωση). Φροντίζουμε τα ολοκληρωμένα να μην τοποθετηθούν κοντά μεταξύ τους για την καλύτερη τοποθέτηση των καλωδίων, την διευκόλυνση των κολλήσεων καθώς και την αποφυγή κάποιας σοβαρής βλάβης. Εικόνα 3 10

12 Συνεχίζουμε με τις κολλήσεις των υπόλοιπων καλωδίων στις κατάλληλες επαφές των ολοκληρωμένων και των αντιστάσεων προσπαθώντας να τηρήσουμε μια δομή όπως στο πλάνο του Σχήματος 2 και 3. Προσέχουμε επίσης η δόμηση των στοιχείων να είναι τακτοποιημένη και να κάνουμε όσο γίνεται εξοικονόμηση χώρου και καλωδίων. Εικόνα 4 Απέχουμε μόλις μερικές κολλήσεις από την ολοκλήρωση της κατασκευής μας δηλαδή από τον μετατροπέα κώδικα BCD σε κώδικα GRAY. 11

13 Τελική μορφή πλακέτας Εφόσον ολοκληρώθούν όλες οι κολλήσεις ο μετατροπέας έχει φτάσει στην τελική του μορφή. Πραγματοποιούμε στη συνέχεια έναν τελευταίο προσεκτικό έλεγχο για πιθανό βραχυκύκλωμα και αν το σχέδιο ανταποκρίνεται στο Σχήμα 2 και 3. Στην Εικόνα 5 υπάρχει η τελική μορφή του μετατροπέα. Λειτουργία Εικόνα 5 Ήρθε λοιπόν η ώρα να δώσουμε στον μετατροπέα τροφοδοσία για να ελέγξουμε αν λειτουργεί σωστά. Θα συνδέσουμε τον θετικό πόλο της μπαταρίας με το Vcc και τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας με το GND. Αφού συνδέσουμε και τη μπαταρία στο κύκλωμα μας αρχίζουμε να δίνουμε τετράμπιτους δυαδικούς αριθμούς. Ο τρόπος που το κύκλωμα θα καταλαβαίνει τον αριθμό εισόδου είναι ο εξής: Όταν ένας διακόπτης είναι προς τα εμπρός η τιμή ισούται με 1 και στην αντίθετη περίπτωση με 0. Στην Εικόνα 6 φαίνονται όλες οι δυνατές τιμές που μπορεί να δώσουμε στον μετατροπέα (κωδικας BCD) καθώς και τα αποτελέσματα που θα λάβουμε μετά τις κατάλληλες μετατροπές (κώδικας GRAY). Οι είσοδοι σημειώνονται με πράσινο χρώμα ενώ οι έξοδοι με κόκκινο χρώμα. *Σημείωση: Η προσθήκη των δυαδικών αριθμών και των χρωμάτων της Εικόνας 6 σχεδιάστηκαν στην ιστοσελίδα : Pixlr, για διευκόλυνση της εξακρίβωσης των αποτελεσμάτων. 12

14 Εικόνα 6 13

15 Συμπεράσματα Ο μετατροπέας λειτουργεί σωστά, αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο βασικός στόχος της πρακτικής εργασίας επιτεύχθηκε. Η κατασκευή του μετατροπέα κώδικα BCD σε GRAY με βοήθησε να περάσω από την θεωρία στην πράξη και να έρθω σε επαφή με τα κυκλώματα που μελετάμε, να αποκτήσω μια καινούρια εμπειρία, κατανοώντας έτσι καλύτερα την λειτουργία των ολοκληρωμένων αλλά και τους στόχους του μαθήματος Ψηφιακή Σχεδίαση. 14