Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

KONSPEKT_LEKTsIJ_EiEKUiS

.pdf
Скачиваний:
49
Добавлен:
16.03.2016
Размер:
21.73 Mб
Скачать

__________

Чаще всего используются два состояния: «нуль» и «единица».

21

Дискретные функциональные преобразования разделяются на два больших класса: импульсные и логические; первые широко применяются в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, телевидении и т. п.; вторые используются в устройствах кодирования и декодирования в радиотехнических системах, цифровой телеметрии, вычислительной технике и автоматических устройствах управления. Аргументы логических функций и сами функции принимают только два значения: «нуль».или «единица» (0 или 1). Эти преобразования или, как их еще называют, логические операции подчиняются законам математической логики. В табл. 1.1 показано различие аналоговых, импульсных и логических преобразований.

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 1 . 1

 

Виды преобразования

 

 

 

 

 

 

 

Характеристики преобразования

 

импульсные

 

Аналоговые

 

 

 

 

 

логические

 

варианты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

преобразований

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число состояний сигналов по шкале времени

 

nt

 

nt

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Число состояний сигналов по шкале уровней

ny

 

 

ny

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Число сигналов, формирующих одно слово

1

p1

 

p2

 

p3

l

сообщения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число возможных комбинаций сигналов,

1

 

1

 

1

m

формирующих одно слово сообщения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание. Здесь m — число дискретных сигналов (объем алфавита): nt и ny — число квантованных изменений параметров сигналов по времени и по уровню.

Для того чтобы как-то систематизировать множество аналоговых, цифровых и смешанных функциональных преобразований, выделим в каждом из них три подкласса: генерирование сигналов, усиление и трансформация сигналов, формирование сигналов.

Первый и второй подклассы пояснений не требуют. В третий подкласс сведены все преобразования, связанные с изменением формы и Спектрального состава сигналов. Это наиболее обширный подкласс, включающий модуляцию и детектирование сигналов, смешение, фильтрацию, ограничение и т. д. Форма и спектральный состав сигналов связаны между

22

собой известными преобразованиями Фурье [1.38]. Следовательно, можно взять за основу изменение формы сигналов (временной подход) или изменение спектрального состава (спектральный подход). При дальнейшей классификации подкласса формирования сигналов, приведенной на рис. 1.3, выбран спектральный подход. Используя теоремы о спектрах, можно выделить в этом подклассе, по крайней мере, шесть видов математических преобразований, указанных в табл. 1.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 1 . 1

Название теорем

Математическая формулировка

Примеры технического

о спектрах

 

 

 

 

теорем

 

использования

Теорема о спектре

 

S1( ) j S( )

 

Дифференцирование

производной сигнала

 

 

сигналов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема о спектре

 

S1

( )

1

 

 

S( )

 

Интегрирование сигналов

интегрирования сигнала

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема о смещении

 

S ( ) e j S ( )

 

 

сигнала по шкале

 

 

Задержка сигналов

времени

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема о сумме

S( ) S1 ( ) S2 ( )

Смещение и фильтрация

спектров

сигналов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема о спектре

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Умножение на весовую

произведения (свѐртка

S( )

S1

( )S2 ( )d

 

 

 

функцию

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

функций)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема подобия

f (a,t)

1

 

 

 

 

Временное сжатие

спектров

 

 

 

S

 

сигналов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каждая микросхема, решающая ту или иную функциональную задачу, состоит из ряда элементарных функциональных преобразователей (ЭФП). Сложность каждого преобразователя зависит от сложности синтезируемой микросхемы, еѐ конкретных свойств и квалификации проектировщика. Конечным продуктов функционального синтеза все чаще становится мелкомасштабная часть микросхемы.

Все ЭФП можно условно разбить на две категории: э л е к т р и ч е с к и е ЭФП, с помощью которых в процессе функционального синтеза ИС можно

моделировать преобразования электрических сигналов, и так

называемые

с п е ц и а л ь н ы е

ЭФП, отражающие функциональные

механизмы

преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы и дополняющие связь ИС с аппаратурой и внешней средой. Специальные ЭФП можно разбить на четыре класса: механические (ЭФП перемещения,

23

ускорения, веса, объема и т. п.), физические (ЭФП магнитные, оптические,

 

тепловые и т. п.), химические (ЭФП концентрации и т. п.) и биологические

 

(ЭФП биопотенциальные, фоторецепторные, метаболические).

 

 

 

Классификация электрических ЭФП в основном совпадает с

 

классификацией, приведенной на рис. 1.1. Электрические ЭФП можно

 

разделить на четыре класса: а н а л о г о в ы е (АЭФП), и м п у л ь с н ы е (ИЭФП),

 

с м е ш а н н ы е (СЭФП) и л о г и ч е с к и е (ЛЭФП). Первые два класса в свою

 

очередь разбиваются на подклассы: ЭФП генерирования сигналов, ЭФП

 

усиления и трансформации сигналов и ЭФП формирования сигналов.

 

Последний обширный подкласс ЭФП удобно подразделить еще на две

 

группы: ЭФП индивидуального формирования сигнала (ограничение,

 

умножение и деление частоты, дифференцирование и интегрирование,

 

задержка во времени т. п.) и ЭФП группового

формирования

сигналов

 

(модуляция и детектирование, смешение и фильтрация, различение сигналов

 

и т. п.). Смешанные ЭФП подразделяются на два подкласса: ЭФП

 

видеосигналов и ЭФП радиосигналов. Логические ЭФП подразделяются на

 

ЛЭФП с запоминанием (управляемые и неуправляемые) и ЛЭФП без

 

запоминания (статические и динамические).

 

 

 

 

 

 

Каждый ЭФП характеризуется своим с и м в о л о м

и определяющими

 

его п а р а м е т р а м и *. В качестве символа ЭФП мы выбрали прямоугольник

 

со значком или буквами в середине (отражающими назначение

 

преобразования или форму выходного сигнала) и внешними стрелками,

 

характеризующими число входов и выходов. Параметры ЭФП удобно

 

проставлять по внешнему периметру символа. Число параметров зависит от

 

типа ЭФП и точности преобразования, задаваемой Проектировщиком (мы

 

проставим только наиболее характерные из них). В табл. 1.3 приводится

 

далеко не полный перечень преобразований, используемых в аналоговых,

 

импульсных, смешанных и логических ЭФП [1.4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

1 . 3

 

Принципиальная схема

 

 

 

Тип преобразования

 

 

 

 

 

 

Аналоговые ЭФП

 

 

 

 

 

 

 

Генерирование

синусоидального

сигнала: f0

частота

 

автоколебаний; f0 — нестабильность частоты; Uвых

— амплитуда

 

выходного напряжения

 

 

 

 

 

 

 

Усиление: Uвх (Iвх ) — амплитуда входного напряжения (тока); k

 

коэффициент усиления по

напряжению

(току), f

полоса

 

пропускания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Двустороннее

ограничение напряжения (тока): Uв (Iв )

и

 

соответственно

верхний

и нижний

пороги

ограничения;

 

K

Uвых

Uвх max

— коэффициент изменения величины сигнала после

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ограничения

 

 

 

 

 

 

 

 

Умножение частоты: Uвх (Iвх )

— амплитуда входного сигнала; fвх

 

частота входного сигнала; n — коэффициент умножения частоты; K

 

— коэффициент изменения амплитуды (мощности) сигнала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

 

 

 

 

 

 

_____________

*Функциональные элементы класса ЛЭФП обычно характеризуются только символом.

25

 

 

П р о д о л ж е н и е т а б л .

1 . 3

Принципиальная схема

 

Тип преобразования

 

 

 

 

 

Деление частоты: Uвх (Iвх ) — амплитуда входного сигнала;

fвх

 

частота входного сигнала; n — коэффициент деления частоты

 

 

 

 

 

 

 

Фильтрация: fв

— верхняя частота среза;

fн

— нижняя частота

 

среза; Пa — коэффициент прямоугольности на уровне a ;

KП

 

коэффициент передачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Смешение: Uвх1

— амплитуда первого входного сигнала; Uвх 2

 

амплитуда второго входного сигнала; f1

и

f2 — частоты первого и

 

второго сигналов; K — коэффициент пропорциональности между

 

входными сигналами

 

 

 

 

 

 

 

Амплитудная модуляция: Um (Im ) — амплитуда несущего сигнала;

 

U (I ) — амплитуда модулирующего сигнала; m

 

коэффициент, характеризующий глубину модуляции;

f — частота

 

несущего сигнала; — частота модулирующего сигнала

 

 

 

Импульсные ЭФП

 

 

 

 

 

 

 

Генерирование

прямоугольных импульсов:

длительность

 

импульса; U (I )

— величина импульсного напряжения (тока); F

 

частота повторения импульсов; ф1(ф2 )

— длительность переднего

 

фронта импульса

 

 

 

 

 

 

 

Генерирование

линейно изменяющего (пилообразного) сигнала:

 

Tпр (Tобр) — время прямого (обратного) хода сигнала; Um (Im )

 

максимальная величина сигнала; 1

и

2

— коэффициенты

 

нестабильности амплитуды и скорости нарастания сигнала;

 

коэффициент нелинейности прямого хода сигнала

 

 

 

 

Дифференцирование прямоугольного импульса: Uвх (Iвх ) —

 

напряжение (ток) входного импульса;

— длительность выходных

 

импульсов (на уровне 0.5); KП — коэффициент передачи

 

 

 

 

 

Интегрирование прямоугольного импульса: Uвх (Iвх ) — напряжение

 

(ток) входного импульса; — длительность выходного импульса

 

(на уровне 0.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разделение импульсов по амплитуде: U (I ) — напряжение (ток)

 

выделяемых импульсов; U (I ) — допустимый разброс селекции

 

 

 

 

 

Разделение импульсов по длительности:

длительность

 

выделяемых импульсов; — допустимый разброс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26

 

 

 

 

 

 

 

 

О к о н ч а н и е т а б л .

1 . 3

 

 

 

 

Смешанные ЭФП

 

 

 

 

Различение амплитуды ( AP ): Umax Umin — диапазон изменения

 

величины

аналогового сигнала;

U — допустимый

разброс

 

чувствительности амплитудного различения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Амплитудное

детектирование

радиоимпульсов: Um (Im ) —

 

амплитуда несущего сигнала; f — частота несущего сигнала; —

 

длительность радиоимпульсов; Uвых (Iвых ) — величина выходного

 

сигнала после детектирования

 

 

 

 

 

 

 

Логические ЭФП

 

 

 

 

Сложение сигналов (дизъюнкция). Символически

записывается

 

c а б в a

или b а б в

(сигнал на выходе существует,

 

если на входы подан хотя бы один сигнал)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Умножение сигналов (конъюнкция). Символически записывается

 

c а б в а иб ив а б в (сигнал на выходе существует, если

 

на все входы поданы сигналы)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отрицание

сигнала (инверсия).

Символически

записывается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c а б ; c а б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число типов аналоговых,

импульсных и

смешанных ЭФП весьма

велико. В отличие от указанных типов ЭФП полная система переключательных ЛЭФП (функции с двумя состояниями) разработана еще Дж. Булем в прошлом веке. Таких ЛЭПФ всего 16. Помимо приведенных и

табл.

1.3,

существуют еще

ЛЭФП

эквивалентности

или

равнозначности

f (x1, x2 ) x1

x2

,

импликации x1

в

x2

f (x1, x2 ) x1 x2

, Шеффера

f (x1, x2 ) x1 / x2 , Вебба f (x1, x2 ) x10x2 , сложения по модулю 2

f (x1, x2 ) x1 x2 и

другие. Принцип действия перечисленных ЛЭФП показан в табл. 1.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 1 . 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разновидности ЛЭФП

 

 

 

 

x1

 

x2

 

 

ЛЭФП

 

ЛЭФП

 

ЛЭФП

 

ЛЭФП

 

ЛЭФП

 

 

 

эквивалентн

 

 

 

 

сложения по

 

 

 

 

 

 

 

импликации

Шеффера

 

Вебба

 

 

 

 

 

 

 

ости

 

 

 

модулю 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

1

 

1

 

 

1

 

1

 

 

0

0

 

 

1

 

 

0

 

1

 

 

1

 

0

 

 

1

1

 

 

0

 

 

0

 

0

 

 

1

 

0

 

 

1

1

 

 

1

 

 

1

 

1

 

 

0

 

0

 

 

0

Практически наиболее часто используют ЛЭФП сложения (ИЛИ), умножения (И) и отрицания (НЕ). ЛЭФП достаточно хорошо рассмотрены в работах [1.35-1.41] и др.

Основной задачей функционального синтеза ИС является построение ее мелкомасштабной схемы, обладающей высокой степенью однородности. Под мелкомасштабной функциональной схемой (моделью) ИС будем понимать документ, определяющий число ЭФП, комплекс которых полностью отражает характер и последовательность происходящих в ИС

27

функциональных преобразований сигналов, их типы и взаимосвязь между ними. Процесс синтеза функциональной схемы, в основном; сводится к ее последовательной детализации с помощью разукрупнения функциональных элементов вплоть до ЭФП. Первый этап указанного синтеза, предусматривающий разделение общего алгоритма функционирования ИС на ряд частных и менее сложных алгоритмов, осуществляется посредством специальной отработки технического задания.

Частные алгоритмы решения основных и вспомогательных задач взбираются по степени их важности. Первая, основная задача реализуется в виде определенного участка синтезируемой схемы, она становится как бы центром (ядром) ее «кристаллизации». Этот участок последовательно наращивается по мере реализации основных, а затем и вспомогательных задач алгоритма. Полученная таким образом схема может быть относительно крупномасштабной. Поэтому ее детализируют последовательным понижением уровня сложности функциональных элементов, т. е. с помощью «расщепления» их на простые. В результате общее число элементов интегральной микросхемы увеличивается.

При синтезе относительно несложных функциональных схем последние непосредственно составляются из ЭФП. При синтезе логических схем со множеством входов и одним выходом придерживаются следующих правил: а) выбирается так называемый базис или система ЛЭФП (чаще всего схемы И, ИЛИ, НЕ), из которых будет синтезироваться интегральная схема; б) алгоритм работы схемы описывается известными законами математической логики через соотношения, определяемые выбранными ЛЭФП; в) общее выражение алгоритма разбивают на ряд менее сложных взаимосвязанных между собой частных функций; г) на основе выбранной системы частных функций строят логическую схему.

Для иллюстрации рассмотрим два примера.

Пример 1.1. Синтезировать логическую функциональную схему автоматического устройства.

Входы. Схема имеет четыре входа, на которые подаются потенциальные сигналы (логические «нуль» и «единица»).

Выходы. Схема имеет один сигнальный выход.

Алгоритм работы схемы имеет вид (x1, x2 , x3, x4 ) (x1 x2 ) (x3 x4 ) x2

28

Рис. 1.4. Логическая функциональная схема с компонентами уровня i (а) и уровня ЛЭФП (б).

В качестве базиса выберем схемы: И, ИЛИ, НЕ. Выразим алгоритм через эти три типа ЛЭФП (избавимся от ЛЭФП импликации и эквивалентности):

(x1, x2 , x3 , x4 ) (x1 x2 ) x3 x4 x2 [(x1 x2 ) x3 x4 ] x2 ([x1 x2 ] x3 x4 x2 ) .

Разобьем полученное выражение на более простые функции:

1 x1 x2 ; 2 1 x3 x4 ; 3 2 x2 ; 4 2 x2 ; 3 4 .

На рис. 1.4 приведены варианты логической схемы с компонентами уровня i

и мелкомасштабной микросхемы с элементами уровня ЛЭФП.

Пример 1.2. Синтезировать аналоговую функциональную схему распределителя сигналов.

Входы. Схема имеет один сигнальный вход. На него подается высокочастотный ЧИМ/АМ сигнал, представляющий серию импульсных

посылок. Частоты: несущего сигнала

f0 10 Мг ц , заполнения

импульсов

f 40кг ц; f

2

50 кг ц;

f

3

60 кг ц. Длительность импульсов — 100 мксек .

1

 

 

 

 

 

 

Величина входного сигнала Uвх 0,5в .

 

 

Выходы.

Схема имеет

 

три выхода.

С каждого из них

снимаются

видеоимпульсы, соответствующие частотам заполнения: выход 1 — f1 ; выход

29

2 — f2 и выход 3 — f3 . Амплитуды выходных сигналов должны быть равны

1 в.

Алгоритм работы схемы. Первая основная задача алгоритма: выделить из высокочастотного ЧИМ/АМ сигнала импульсы посылки и разделить их по трем каналам. Вторая основная задача: обеспечить заданные параметры выходных сигналов. Реализация первой основной задачи приведена на рис. 1.5, а. Полная функциональная схема распределителя сигналов приведена на рис. 1.5, б. В схеме используется десять АЭФП трех типов: ограничения, фильтрации и усиления.

Рис. 1.5. Реализация первой основной задачи (а) и полная аналоговая функциональная

схема распределителя сигналов (б):

Для Ф1 fв 42 кг ц

fн 38 кг ц; для Ф2 fв 52,5кг ц fн 47,5кг ц ; для

Ф3 fв 63кг ц fн

57 кг ц; k 0.3 П0

1.5 .

 

 

1

 

После определения состава ЗФП следует этап электрического моделирования, основной задачей которого является синтез и оптимизация алгоритма процессов преобразования электрических сигналов создаваемой ИС. Указанный алгоритм, как известно, неразрывно связан со структурой электрической модели ИС, синтезируемой одновременно с его разработкой. Модель обычно представляется в виде электрической Цепи или схемы, состоящей из схемных элементов. При электрическом моделировании радиотехнических устройств, включая ИС, используют два основных вида схем-моделей: п р и н ц и п и а л ь н ы е электрические схемы и э к в и в а л е н т н ы е электрические схемы. Последние отличаются предельной мелкомасштабностью. Число типов элементов эквивалентной схемы стремятся строго ограничивать. Число типов элементов принципиальной схемы практически не ограничено. К ним относятся: резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы, трансформаторы, диоды, транзисторы, тиристоры, кварцевые резонаторы, RC-структуры, элементы памяти и т. д., а также специально изготавливаемые отдельные элементы и участки ИС*.

_____________

*Этот перечень с каждым годом увеличивается по мере разработки и выпуска промышленностью новых типов элементов и приборов.

На практике элементы принципиальной схемы являются дискретными и

30

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]