Лабораторная работа №2
Исследование внутренней структуры и работы цифровых интегральных схем. Построение на основе цифровых интегральных схем модели электрофизиологической аппаратуры
. Цель работы
Ознакомиться со структурой и принципами функционирования интегральных схем счетчиков, регистров, шифраторов, дешифраторов, мультиплексоров, демультиплексоров. Создать на основе цифровых интегральных схем модель электрофизиологической аппаратуры.
. Теоретические сведения
Элементную базу цифровых устройств (ЦУ) составляют интегральные микросхемы (ИМС). Со времени их изобретения (США, 1959 г.) ИМС постоянно совершенствуются и усложняются. Характеристикой сложности ИМС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых элементов, либо числом транзисторов, которые могут быть реализованы на кристалле. Различия в уровне интеграции делят ИМС на несколько категорий: малой степени интеграции, средней степени интеграции, большой степени интеграции и сверхбольшой степени интеграции. Практическое использование находят все категории ИМС.
ИМС малой степени интеграции реализуют простейшие логические преобразования и обладают универсальностью – даже с помощью одного типа логического элемента (например, И-НЕ) можно построить любое ЦУ. В виде ИМС средней степени интеграции выпускаются в готовом виде такие схемы, как малоразрядные регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы и т.п. Номенклатура ИМС средней степени интеграции должна быть более широкой и разнообразной, так как их универсальность снижается. В развитых сериях ИМС насчитываются сотни типов ИМС со средней степени интеграции.
В данной лабораторной работе предлагается создать модель электрофизиологической аппаратуры в пакете Electronics Workbench с использованием моделей микросхем средней и малой степени интеграции. При синтезе электрофизиологической аппаратуры достаточно часто применяется структурно-функциональный подход. Примерами построения автономных устройств, построенных в соответствии со структурно-функциональным подходом могут служить различные схемы счетчиков количества циклов биологических процессов (например, количества ударов пульса, циклов дыхания и др.), примеры для измерения характерных признаков (например, попадания частоты сердечных сокращений в заданный диапазон частот, наличие экстрасистол в электрокардиосигнале, «веретен» в электроэнцефалограмме, оценка мощности электромиограммы и т.п.), устройства выявления наличия или отсутствия в сигналах характерных особенностей формы и продолжительности импульсов и т.д. Обобщенная структурная схема таких устройств приведена на рис. 2.1. Электрофизиологический сигнал снимается с помощью электродов (Э) и усиливается (усилитель У). Пороговый элемент (ПЭ) позволяет превратить сигнал в последовательность импульсов с частотой, определяемой циклом изменения физиологического сигнала.
n
Рис. 2.1. Обобщенная структура счетчиков биологических циклов
С помощью генератора тактовых импульсов и счетчика СТ2 обеспечивается требуемое время измерений. Если частоту на выходе ГТИ обозначить как fГ, а время в течение которого происходит измерение физиологических параметров через ТИ, то количество импульсов N, которые должен будет подсчитать СТ2 можно определить как N=TИfГ. После этого с помощью выходной логики следует сформировать сигнал, который разомкнет ключи S1 и S2, тем самым прекратив формирование интервала времени ТИ и счет биологических циклов. В этом случае на выходе счетчика СТ2 зафиксируется количество циклов биологических процессов в двоичном коде. С помощью дешифраторов (ДШ), это число преобразуется в символьную информацию и выводится на индикаторы (ИН). В замкнутых системах информация о количестве биологических циклов будет использована для реализации различного рода обратных связей. Причем сравнения с пороговыми сигналами может осуществляться, либо в аналоговой форме, либо в цифровой. Сравнение в аналоговой форме требует применения цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и дальнейшего сравнения с помощью анлогового компаратора. Сравнение в цифровой форме требует применение цифровых компараторов.
Цифровые микросхемы средней степени интеграции включают в свой состав комбинационные логические элементы и триггеры. Так схемы счетчиков чаще всего строятся на основе J-K и D-триггеров. Так, например, внутренняя структура четырехразрядного двоичного вычитающего счетчика на D-триггерах выглядит следующим образом (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Четырехразрядный двоичный вычитающий счетчик на D-триггерах
Часто интервал времени в счетчиках биологических циклов, в течение которого проводятся измерения, не удобен для интерпретации. Так, например, интервал измерения может составлять 30 сек (для повышения точности измерений), в то же время количество биологических циклов удобно оценивать за одну минуту (например, частоту сердечных сокращений). Для нормирования результата измерения могут применяться различные регистры сдвига. Сдвиг влево на один разряд будет соответствовать в них умножению на два, сдвиг вправо на один разряд делению на два. Пример четырехразрядного регистра сдвига, построенного на J-K триггерах, приведен на рис. 2.3.
J
Q
C
K
Q
J
Q
C
K
Q
J
Q
C
K
Q
J
Q
С
K
Q
Q0
Q1
Q2
Q3
&
1
C
X1
X2
Рис. 2.3. Четырехразрядный регистр сдвига
Передача информация, поступающей по одной входной линии на несколько выходных линий осуществляется демультиплексором. Выбор выходной линии осуществляется при помощи сигналов, поступающих на адресные входы. Пример, демультиплексора, осуществляющего преобразование 12 приведен на рис. 2.4.
Y0
Y1
&
&
1
A0
Рис. 2.4. Демультиплексор 12
Для преобразования унитарного кода в двоичный код могут применяться схемы шифраторов. Пример внутренней структуры шифратора 8х3 приведен на рис. 2.5.
X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 1
Y0
1 Y1
1 Y2
Рис. 2.5. Внутренняя структура шифратора 8х3
2.3. Программа работы
В пакете Electronics Workbench составить модель счетчика биологических циклов. Счетчик используемый для отсчета биологических циклов собрать на D-триггерах. Остальные параметры устройства взять из таблицы 2.1 в соответствии с номером варианта. В таблице 2.1. графа № выхода означает выход устройства на который следует подать сигнал логической единицы.
Таблица 2.1
Параметры проектируемого устройства
№ варианта |
Интервал времени измерения, сек |
Частота ГТИ, Гц |
Допустимый интервал измеряемых частот, Гц |
Опорное напряжение ЦАП, В |
№ выхода |
Норм. |
||
< |
= |
> |
||||||
1 |
60 |
2 |
40-60 |
12 |
0 |
1 |
2 |
- |
2 |
50 |
2 |
30-60 |
10 |
1 |
2 |
0 |
*2 |
3 |
40 |
1 |
30-60 |
8 |
1 |
0 |
3 |
- |
4 |
30 |
1 |
30-50 |
10 |
3 |
0 |
1 |
/2 |
5 |
20 |
4 |
50-100 |
12 |
1 |
2 |
3 |
- |
6 |
10 |
4 |
40-60 |
14 |
3 |
2 |
1 |
- |
7 |
20 |
2 |
30-60 |
11 |
0 |
2 |
3 |
- |
8 |
30 |
4 |
30-60 |
9 |
1 |
3 |
2 |
- |
9 |
40 |
5 |
30-50 |
10 |
3 |
2 |
1 |
- |
10 |
50 |
1 |
50-100 |
12 |
2 |
1 |
0 |
- |
11 |
60 |
2 |
40-60 |
15 |
1 |
0 |
3 |
- |
12 |
70 |
4 |
30-60 |
8 |
0 |
1 |
3 |
*2 |
13 |
80 |
5 |
30-60 |
9 |
1 |
2 |
3 |
*2 |
14 |
90 |
5 |
30-50 |
10 |
3 |
0 |
2 |
/2 |
15 |
100 |
4 |
50-100 |
11 |
2 |
0 |
3 |
- |
16 |
90 |
2 |
40-60 |
12 |
1 |
3 |
0 |
- |
17 |
80 |
1 |
30-60 |
13 |
0 |
3 |
1 |
- |
18 |
70 |
5 |
30-60 |
14 |
2 |
3 |
0 |
*2 |
19 |
60 |
4 |
30-50 |
15 |
1 |
2 |
0 |
/2 |
20 |
50 |
2 |
50-100 |
14 |
2 |
3 |
0 |
/2 |
21 |
40 |
1 |
40-60 |
13 |
1 |
2 |
3 |
- |
22 |
30 |
2 |
30-60 |
12 |
3 |
2 |
0 |
- |
23 |
20 |
4 |
30-60 |
11 |
1 |
2 |
3 |
- |
24 |
10 |
5 |
30-50 |
10 |
0 |
1 |
2 |
- |
25 |
20 |
4 |
50-100 |
9 |
2 |
3 |
0 |
- |
26 |
30 |
2 |
40-60 |
8 |
3 |
0 |
1 |
- |
27 |
40 |
1 |
30-60 |
15 |
3 |
2 |
1 |
- |
28 |
50 |
2 |
30-60 |
14 |
2 |
3 |
1 |
- |
29 |
60 |
4 |
30-50 |
13 |
1 |
0 |
3 |
- |
30 |
70 |
5 |
50-100 |
12 |
3 |
0 |
2 |
- |
2.4. Содержание отчета
Титульный лист. Схемы испытаний. Данные, полученные путем моделирования работы схем. Выводы по каждому пункту работы.