Цифровая схемотехника. Часть 1. Практикум на персональном компьютере

План УМД на 2014/2015 уч.г.

ПРАКТИКУМ НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Часть 1

Составитель Л.Н.Ильина

Издание утверждено советом факультета РиТ. Протокол № 8 от 10.04.2014г.

Рецензент Г.А.Долин, к.т.н., доцент

2

Лабораторная работа 1

Формирователь цифровых сигналов

1.Цель работы

1.1.Исследование способов построения генераторов цифровых последовательностей.

2.Задание

2.1.Задание для предварительной подготовки к работе

Изучить изложенный в пособии материал. Составить список команд для формирования цифрового сигнала заданной формы в соответствии с вариантом индивидуального задания, см. пункт 5.

2.2. Задание на экспериментальную часть

Составить схему цифрового генератора на базе имеющихся в программе моделей STIM, указать атрибуты в соответствии с заданием и получить изображение заданной цифровой последовательности.

3.Методические указания по выполнению работы

3.1.Загрузить программу схемотехнического моделирования МС 7…9 двойным щелчком по ее пиктограмме; при этом на экране появляется рабочее окно главного меню, рис. 1.

3

Рис. 1

3.2.На верхней командной линейке выбираем режим ФАЙЛ (FILE) и по команде СОЗДАТЬ (NEW) открываем новый схемный файл (SCHEMATIC) с расширением .cir, где будем создавать чертёж исследуемой схемы.

3.3.Загрузить схему исследуемого генератора цифровых чисел STIM 1…STIM 16 в соответствии с индивидуальным заданием по команде

COMPONENT ->DIGITAL PRIMITIVES->STIMULUS GENERATORS -> STIM1…16.

3.4.Кликнуть курсором по изображению выбранного типа генератора: появится окно задания параметров выбранной схемы.

4

Рис. 2

3.5.Задать имена и значения атрибутов анализируемой схемы:

имя схемы PART дается произвольно, по умолчанию первым символом

вцифровых схемах ставится U;

в атрибуте FORMAT записывается заданный формат представления чисел цифрового генератора в соответствии с заданием;

атрибут COMMAND имеет произвольную форму: это имя массива команд, описывающих форму выходного сигнала генератора;

имя модели «вход-выход» записывается в атрибуте IO-MODEL, непродвинутому пользователю лучше взять стандартную модель IO STD – её основные параметры указаны в нижней части окна редактора;

вправой части этого окна указаны и другие, наиболее часто употребляемые модели;

уровень сложности модели «входвыход» IO LEVEL по умолчанию принимается равным нулю (см. раздел 4);

в атрибутах POWER NODE и GROUND NODE указаны по умолчанию имена цифровых узлов источника питания и земли: $G DPWR и $G DGND, соответственно.

3.6.В окне редактора после директивы .define ввести присвоенное COMMAND имя, в последующих строках записать строки команд управления формой выходного сигнала в соответствии с заданием.

3.7.Пронумеровать узлы схемы с помощью пиктограммы

При желании можно внести на чертёж схемы текстовую информацию с помощью пиктограммы Т, расположенной на нижней линейке рабочего окна. Также можно сохранить исследуемую схему: в нижней части рабочего окна записано имя файла с вашей схемой, которое программа дала автоматически с расширением .cir, кликнув по этому названию, ответьте «save», сохранить.

3.8.Провести анализ переходного процесса заданного варианта генератора:

по команде АНАЛИЗ (ANALYSIS)->АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ (TRANSIENT ANALYSIS) вывести на экран окно задания параметров анализа;

в строке время расчета (TIME RANGE) указать время анализа не менее, чем длительность сигнала по вашему заданию;

в столбце Р указывается номер страницы выводимого на экран графика, при наличии нескольких выходов желательно везде ставить 1, при этом все графики наблюдаются одновременно;

по оси Х указывается время Т, а по оси У – цифровой сигнал d(n) в соответствующих узлах схемы, n - номер узла, масштаб по осям X и Y лучше первоначально принять auto;

5

запустить анализ переходного процесса (RUN).

3.9.Определить численные параметры смоделированного сигнала: логические уровни и временные метки. Для этого воспользоваться курсорами

с помощью пиктограммы зарисовать или распечатать временные диаграммы полученных цифровых последовательностей с указанием размерностей по осям Х и Y.

3.10. Сделать выводы по проделанной работе.

4. Основные сведения о генераторах цифровых последовательностей

При компьютерном моделировании цифровых устройств и их тестировании необходимы источники цифровых сигналов, подобные тем, которые используются при анализе аналоговых схем: SIN, PULSE, USER и др. Цифровые генераторы вырабатывают на выходе пачку из n импульсов с заданной частотой следования, которая может иметь ряд дискретных значений.

4.1. Аппаратурная реализация генератора цифровых последовательностей

На рис. 3 показана упрощенная функциональная схема такого цифрового источника. Кварцевый генератор выдает высокостабильное колебание с частотой, например, 10 МГц. Десятичный делитель обеспечивает ряд дискретных частот в двоичной форме. Для этого каждое из десятичных чисел последовательно делится на 2 с записью остатка от деления на каждом шаге. Результат преобразования десятичного кода в двоичный – последовательная запись остатков, начиная с младшего значащего разряда (МЗР). Символическое обозначение такого преобразователя – (1/2). Двоично – десятичные переключатели обеспечивают формирование числа n и его запись в высокоскоростные вычитающие счетчики, тактируемые непосредственно импульсами от десятичного делителя. При двоично–десятичном представлении чисел каждая десятичная цифра числа записывается в виде группы из четырех двоичных разрядов (двоично–десятичный код). Триггеры (ТГ1 и ТГ2) и различные типы вентилей: И, ИЛИ, НЕ и др. обеспечивают синхронизацию и формирование заданной импульсной последовательности.

Для аппаратурной реализации цифровых устройств используется ТТЛ, КМОП, ЭСЛ–логика: каждой серии соответствуют свои источники питания и, следовательно, свои величины напряжений логических уровней 0 и 1.

Выходной каскад может обеспечить две пары прямых и инвертированных сигналов (если не запараллеливать выходы инверторов 1,2,3,4), при попарном параллельном включении увеличивается нагрузочная способность схемы и уменьшается количество выходов. Добавление

6

преобразователя уровня 5, 6 со своим, отличным от схемы источником питания позволяет регулировать величину напряжения логических уровней.

4.2. Компьютерное моделирование генератора цифровых сигналов

(Stimulus generator)

Как видно, реальный цифровой генератор содержит аналоговые и цифровые узлы. При компьютерном моделировании программа автоматически разрывает цепи в узлах, где сходятся аналоговые и цифровые схемы, и вставляет интерфейс: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) при переходе от аналога к цифре и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) при переходе от цифрового узла к аналоговому. При этом в схему добавляются дополнительные источники питания для введенного интерфейса.

Состояния цифровых узлов и их условные обозначения приведены в таблице 1.

Таблица 1

7

В программе МС каждому реальному цифровому компоненту ставятся в соответствие следующие модели:

для сопряжения с аналоговыми устройствами, которые могут подключаться к его входу и выходу, ставятся два устройства интерфейса Д/А (А/Ц) и А/Д (Ц/А), которые осуществляют обмен данными между подпрограммами, моделирующими аналоговые и цифровые устройства;

модели вход/выход (I/O model), отражающие входные и выходные комплексные сопротивления данного цифрового компонента;

временные модели, учитывающие запаздывания сигналов в различных элементах схемы.

Модели цифровых компонентов, стандартные и создаваемые пользователем, размещаются в библиотеке программы LIBRARY в файлах с префиксом dig.

При соединении нескольких цифровых компонентов различного назначения необходимо соблюдать соответствие длительностей переходных процессов составляющих элементов: времени установления и спада, называемых временем переключения TSWLH и TSWHL, и длительности сигналов. В свою очередь, эти параметры зависят от величин входных и выходных сопротивлений и емкостей цифровых моделей.

9

4.3.Модель вход-выход (I/O model)

Втаблице 2 приведены основные параметры модели вход/выход.

10