Курсовая работа «Преобразователь кода BCD» — пошаговое руководство по проектированию

Введение. Постановка задачи и определение цели курсовой работы

В современной цифровой электронике, особенно в измерительной технике, преобразователи кодов играют фундаментальную роль. Они служат мостом между «машинным» представлением данных (двоичным кодом) и «человеческим» (десятичным). Курсовая работа посвящена разработке одного из ключевых узлов такого прибора, как цифровой вольтметр — автоматического преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный (BCD). Именно этот узел позволяет отображать результаты измерений на привычных нам цифровых индикаторах.

Цель данной работы — спроектировать, разработать и проверить работоспособность автоматического преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный (BCD) для использования в составе цифрового отсчетного устройства. Для достижения этой цели мы последовательно пройдем все ключевые этапы инженерного проектирования: от анализа теоретических основ и выбора оптимального алгоритма до подбора элементной базы, создания принципиальной схемы и ее последующего моделирования в специализированной программной среде.

После того как мы определили нашу цель, необходимо погрузиться в теоретические основы, которые станут фундаментом для нашего проекта.

Раздел 1. Теоретические основы преобразования кодов и специфика BCD

Двоично-десятичный код, или BCD (Binary-Coded Decimal), — это система кодирования, при которой каждая десятичная цифра (от 0 до 9) представляется отдельной четырехбитной двоичной последовательностью (тетрадой). Например, число 25 в BCD будет представлено как 0010 0101, где 0010 — это 2, а 0101 — это 5. Такое представление чрезвычайно удобно для вывода информации на многоразрядные семисегментные индикаторы, где каждый индикатор управляется своей тетрадой.

Основная сложность заключается в том, что прямое побитовое соответствие между чистым двоичным кодом и BCD существует только для чисел от 0 до 9. Как только двоичное число становится больше 9 (например, 10, которое в двоичном виде равно 1010), его представление перестает соответствовать правилам BCD, ведь тетрада 1010 не является валидной десятичной цифрой. Простого способа «нарезать» многоразрядное двоичное число на BCD-тетрады не существует.

Именно здесь возникает ключевая задача проектирования — создание схемы коррекции. Принцип коррекции основан на обнаружении и исправлении «неправильных» тетрад в процессе преобразования. В большинстве алгоритмов это достигается путем прибавления к «неправильной» тетраде корректирующей константы. Чаще всего этой константой является число 3 (0011 в двоичной системе), которое добавляется к каждой тетраде, значение которой превышает 4 перед операцией сдвига, чтобы компенсировать разницу между двоичной и десятичной системами счисления.

Теперь, когда мы разобрались с теорией, перед нами встает практический вопрос: какой именно алгоритм использовать для реализации этой логики?

Раздел 2. Анализ и выбор алгоритма преобразования

Для преобразования двоичного кода в BCD существует несколько подходов. Выбор конкретного метода напрямую влияет на сложность будущей схемы и ее характеристики. В рамках учебного проекта важно не просто выбрать первый попавшийся, а провести сравнительный анализ и обосновать свое решение. Рассмотрим два популярных метода.

1. Алгоритм «Double Dabble» (Сдвиг и сложение). Это итерационный алгоритм, который выполняется поразрядно. Двоичное число сдвигается бит за битом, а на каждом шаге специальные логические схемы анализируют формируемые BCD-тетрады. Если значение в какой-либо тетраде превышает 4, к ней прибавляется 3 перед следующим сдвигом. Этот процесс повторяется столько раз, сколько бит в исходном двоичном числе.
2. Метод на основе ПЗУ (Постоянного Запоминающего Устройства). Этот подход предполагает использование микросхемы памяти, в которую заранее «зашита» таблица соответствия. Входное двоичное число подается на адресные входы ПЗУ, а на выходах данных мы сразу получаем готовый BCD-код.

Чтобы сделать взвешенный выбор, сравним их по ключевым для учебного проекта параметрам.

Сравнительный анализ алгоритмов преобразования

Критерий	Алгоритм «Сдвиг и сложение»	Метод на основе ПЗУ
Аппаратная сложность	Требует набора стандартных элементов: регистров, сумматоров, логических вентилей.	Очень низкая, фактически сводится к одной микросхеме памяти.
Наглядность для обучения	Идеальна. Позволяет наглядно изучить логику преобразования и работы цифровых узлов.	Низкая. Устройство работает как «черный ящик», скрывая логику процесса.
Скорость работы	Зависит от числа разрядов (тактовая частота x количество бит).	Очень высокая, ограничена только временем доступа к памяти.

Для целей курсовой работы, где основной задачей является демонстрация понимания принципов схемотехники, выбор алгоритма «Сдвиг и сложение» является наиболее целесообразным. Он позволяет глубоко проработать схемную реализацию из базовых логических узлов, что имеет высокую образовательную ценность.

Мы выбрали «мозг» нашего устройства — алгоритм. Теперь нужно подобрать «мышцы» — конкретные микросхемы, которые воплотят эту логику в жизнь.

Раздел 3. Как мы выбирали элементную базу для нашего преобразователя

Выбор элементной базы — это этап, на котором теоретическая логика превращается в спецификацию реальных компонентов. Для нашего проекта мы остановили выбор на широко распространенной и хорошо изученной серии логических микросхем 74xx. Микросхемы этой серии (как в классическом TTL-исполнении 74LS, так и в более современном КМОП — 74HC) обладают несколькими ключевыми преимуществами для учебного проектирования: они доступны, надежны и имеют исчерпывающую техническую документацию (datasheets).

Для реализации алгоритма «Сдвиг и сложение» нам потребуется несколько типов функциональных узлов, каждому из которых соответствует своя микросхема:

• Сдвиговые регистры: Это основа нашего устройства. Они будут хранить исходное двоичное число и последовательно сдвигать его. Для этой цели отлично подходят универсальные сдвиговые регистры, например, 74HC164 (с последовательным входом и параллельным выходом) или 74HC595.
• Сумматоры: Сердце блока коррекции. Нам понадобятся 4-разрядные полные сумматоры для прибавления константы «3» (0011) к тетрадам, значение которых превысило пороговое. Классическим выбором здесь является микросхема 74LS83 или 74LS283.
• Логические элементы: Для реализации схемы управления, которая будет анализировать тетрады и принимать решение о необходимости коррекции, понадобятся базовые логические вентили И, ИЛИ, НЕ (например, из микросхем 74LS08, 74LS32, 74LS04).
• Дешифраторы для индикации: Для преобразования конечного BCD-кода в сигналы управления семисегментными индикаторами используются специальные дешифраторы. Наиболее популярными являются 74LS47 (для индикаторов с общим анодом) или 74HC4511 (для индикаторов с общим катодом).

Таким образом, мы сформировали конкретный список компонентов, который позволяет перейти к следующему этапу.

Имея на руках алгоритм и набор компонентов, мы готовы к самому ответственному этапу — проектированию принципиальной электрической схемы.

Раздел 4. Проектирование принципиальной электрической схемы устройства

Принципиальная электрическая схема является главным результатом проектной работы. Она визуализирует, как выбранные нами компоненты соединяются для реализации заложенного алгоритма. Ввиду сложности, схему принято разбивать на логические, функционально законченные блоки. Проектирование такой схемы удобно вести в специализированных программах САПР, таких как Proteus или OrCAD.

Наша схема преобразователя состоит из следующих ключевых узлов:

1. Узел ввода и хранения: Состоит из параллельных регистров, в которые загружается исходное двоичное число для преобразования. Этот узел также включает в себя тактовый генератор, задающий ритм работы всего устройства.
2. Блок сдвиговых регистров: Центральная часть, представляющая собой цепочку соединенных регистров. В левой части этой цепочки находится исходное двоичное число, в правой — формируется и накапливается результат в BCD-коде. С каждым тактом вся цепочка сдвигается на один бит влево.
3. Блок логики и коррекции: Это «мозг» схемы, реализованный на комбинационной логике. Он подключен к выходам BCD-регистров. Перед каждым сдвигом этот блок проверяет значение в каждой 4-битной BCD-тетраде. Если значение тетрады больше или равно 5, блок коррекции подает на входы соответствующего 4-разрядного сумматора число 3 (0011). В противном случае подается 0. Это гарантирует, что после сдвига влево (что эквивалентно умножению на 2) результат останется корректным в десятичной системе.
4. Узел вывода и индикации: Состоит из регистров-защелок, которые фиксируют финальный BCD-код после завершения всех циклов сдвига. Выходы этих регистров подключены к дешифраторам (например, 74LS47), которые, в свою очередь, управляют сегментами цифровых индикаторов, отображая итоговое десятичное число.

Процесс работы выглядит так: на вход подается, например, двоичное число 26 (11010). Оно сдвигается по битам. Когда в одной из BCD-тетрад формируется, к примеру, число 6 (0110), блок коррекции перед следующим сдвигом добавляет к нему 3, получая 9 (1001). Этот непрерывный процесс «проверь-скорректируй-сдвинь» обеспечивает получение на выходе корректного BCD-представления: 0010 0110.

Наша схема готова на бумаге. Но будет ли она работать в реальности? Чтобы убедиться в этом до сборки, проведем компьютерное моделирование.

Раздел 5. Моделирование и проверка работоспособности схемы в среде Proteus

Компьютерное моделирование — обязательный этап современного проектирования, позволяющий проверить работоспособность схемы, выявить ошибки и верифицировать логику работы без затрат на реальные компоненты. Для нашей задачи идеально подходит среда Proteus, которая содержит обширные библиотеки цифровых микросхем, включая всю серию 74xx, и позволяет наглядно симулировать работу устройства.

Процесс моделирования включал следующие шаги:

• Создание проекта: В редакторе Proteus была воссоздана принципиальная схема, разработанная на предыдущем этапе. Все компоненты (регистры, сумматоры, логические элементы, дешифраторы и семисегментные индикаторы) были размещены и соединены в соответствии со схемой.
• Задание входных воздействий: На входы преобразователя были подключены логические генераторы для подачи различных двоичных кодов. Тактовый сигнал для сдвиговых регистров был подан от встроенного генератора импульсов.
• Анализ результатов: Наблюдение за результатами проводилось непосредственно на виртуальных семисегментных индикаторах. Для детального анализа использовались виртуальные логические анализаторы, которые позволяют строить временные диаграммы сигналов в любой точке схемы.

Для подтверждения корректной работы были проведены тесты на нескольких контрольных точках, которые проверяют как простые преобразования, так и работу логики коррекции:

Результаты моделирования:

• При подаче на вход двоичного кода 9 (01001), на индикаторах стабильно отображалась цифра «9». Логика коррекции не срабатывала.
• При подаче на вход двоичного кода 10 (01010), на выходе было получено BCD-представление 0001 0000, а на индикаторах отобразилось «10». Это подтвердило корректную работу механизма переноса и активацию блока коррекции.
• При подаче на вход максимального для 8-битного числа значения 255 (11111111), на выходе было получено 0010 0101 0101, и индикаторы показали «255». Этот тест доказал, что схема корректно обрабатывает многоразрядные преобразования с несколькими одновременными коррекциями.

Моделирование полностью подтвердило, что спроектированная схема работоспособна и соответствует всем требованиям.

Мы доказали, что наша разработка корректна. Финальный шаг любого инженерного проекта — подготовить документацию, которая описывает проделанную работу.

Раздел 6. Рекомендации по оформлению пояснительной записки

Пояснительная записка (ПЗ) — это главный документ курсовой работы, который демонстрирует глубину вашей проработки и является основой для защиты. Ее структура должна быть логичной и последовательной, отражая этапы вашего проектирования. Рекомендуется придерживаться следующего плана, который соответствует требованиям ГОСТ и здравому смыслу.

Типовая структура пояснительной записки:

• Титульный лист: Оформляется строго по шаблону вашего учебного заведения.
• Техническое задание (ТЗ): Если оно было выдано, или самостоятельно сформулированные цели и задачи работы.
• Введение: Обоснование актуальности темы, постановка цели и задач, краткий обзор содержания работы.
• Теоретическая часть: Здесь вы излагаете основы (что такое BCD, в чем проблема преобразования), анализируете существующие алгоритмы и обосновываете свой выбор.
• Раздел проектирования: Это центральная часть работы. Сюда входит обоснование выбора элементной базы, описание функциональных узлов и, самое главное, — принципиальная электрическая схема, выполненная в соответствии с требованиями ЕСКД/ГОСТ.
• Раздел моделирования: Описание процесса симуляции в выбранной среде (Proteus, LabView и т.д.). Необходимо представить результаты в наглядном виде: скриншоты, временные диаграммы, таблицы «вход-выход».
• Заключение: Краткие выводы по всей работе, подтверждение того, что поставленная цель достигнута, а разработанное устройство соответствует ТЗ.
• Список литературы: Перечень всех использованных источников — учебников, статей, стандартов, технической документации.
• Приложения: Сюда можно вынести громоздкие схемы, листинги программ (если есть) и спецификации компонентов.

Важный совет: уделите особое внимание качеству графических материалов. Схемы и диаграммы должны быть читаемыми, а таблицы — аккуратно оформленными. Это показывает вашу инженерную культуру.

Пройдя весь путь от идеи до готовой документации, мы можем подвести итоги нашей работы.

Заключение. Итоги проектирования и достигнутые результаты

В ходе выполнения данной курсовой работы был пройден полный цикл проектирования цифрового электронного устройства. Поставленная во введении цель — разработка и проверка работоспособности преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный (BCD) — была полностью достигнута.

В процессе работы были решены следующие ключевые задачи:

1. Проведен анализ теоретических основ преобразования кодов и специфики BCD.
2. Выполнен сравнительный анализ алгоритмов, на основе которого был обоснованно выбран метод «сдвига и сложения» как наиболее подходящий для учебных целей.
3. Подобрана и обоснована элементная база на основе доступных микросхем серии 74xx.
4. Разработана и детально описана принципиальная электрическая схема устройства.
5. Проведено компьютерное моделирование в среде Proteus, которое подтвердило полную работоспособность и корректность логики спроектированной схемы.

В результате мы получили готовую и проверенную модель устройства, полностью соответствующего исходным требованиям. Разработанный преобразователь может быть интегрирован в качестве узла цифровой индикации в более сложные измерительные приборы, например, в цифровой вольтметр. В качестве возможного направления для усовершенствования можно рассмотреть оптимизацию схемы с целью минимизации количества используемых логических элементов или повышения ее быстродействия.

Список использованной литературы

1. Абдулаев Д.А., Арипов М.Н. Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях. — М.: Радио и связь, 1985
2. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1982
3. Арипов М.Н. Захаров Г.П. Малиновский С.Т. Цифровые устройства и микропроцессоры. -М.: Радио и связь,1988
4. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника. – М.: Недра, 1990
5. Боккер П. Передача данных. Т.2.- М.: Связь.- 1980
6. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Цифровые устройства. М.: Высшая школа, 2004
7. Гершунский Б.С., Основы электроники. Киев, издательское объединение «Вища школа», 1977
8. Гонаревский И. С. «Радиотехнические цепи и сигналы» -, М.: Наука, 1986
9. Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации. -М.: Радио и связь, 1982
10. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. М.: Радио и связь, 1988
11. Передача дискретных сообщений: Учеб. Под ред. В.П. Шувалова.- М.: Радио и связь, 1990
12. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на ИМС. –М.: Радио и связь, 1990
13. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: МИР, 1982