close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

KursSemenf

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
СИНТЕЗ И КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ
ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЦВМ НА БАЗЕ
ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА MICROCAP-9
Учебное пособие
по курсовому проектированию
«Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
230200-Информационные системы»
Санкт-Петербург
2009
УДК 004.94
ББК 32
С38
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Е. А. Крук;
доктор технических наук, профессор
Санкт-Петербургского государственного
электротехнического университета «ЛЭТИ» С. А. Яковлев
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Курсанов О. И., Осипов Л. А., Попов А. И. Семененко Т. В.
С38 Синтез и компьютерный анализ элементов и узлов цвм
на базе программного пакета microcap-9: учебное пособие по курсовому проектированию / О. И. Курсанов,
Л. А. Осипов, А. И. Попов, Т. В. Семененко. – СПб.: ГУАП,
2009. – 32 с.: ил.
ISBN 978-5-8088-0441-8
Учебное пособие к курсовому проектированию по курсу «Архитектура ЭВМ и систем» для направления 230200 «Информационные системы» содержит краткие теоретические сведения по
принципам построения и расчету параметров целого ряда операционных узлов ЭВМ. Даны рекомендации по порядку проектирования, освещены вопросы конструирования, оформления пояснительной записки и схем.
Пособие предназначено для студентов дневного и вечернего
факультетов специальностей 230201 «Информационные системы
и технологии (в бизнесе)», 230203 «Информационные технологии в дизайне», а также для студентов других специальностей и
направлений.
УДК 004.94
ББК 32
ISBN 978-5-8088-0441-8
© ГУАП, 2009
© О. И. Курсанов,
Л. А. Осипов,
А. И. Попов,
Т. В. Семененко, 2009
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Цель курсового проектирования
Целью курсового проектирования является освоение методов
расчета, схемотехнического проектирования и конструирования
элементов и блоков ЦВМ.
При выполнении проекта автор должен разработать электронное устройство в соответствии с предложенной схемой и исходными данными, которое обеспечило бы заданную точность
и качество работы. Работоспособность устройства обязательно
подтверждается моделированием с применением программного
пакета MicroCap-8 или MicroCap-9.
1.2. Задание на курсовое проектирование
и содержание проекта
Задание на курсовое проектирование выдается индивидуально каждому студенту. В задании указываются тема и исходные
данные для проектирования.
Разработка устройства включает в себя следующие этапы:
– составление и обоснование выбора функциональной схемы;
– обоснование выбора и всестороннюю оценку используемой
для проектирования элементной базы на основании техникоэкономического расчета;
– описание и таблицы выбранной элементной базы;
– составление принципиальной схемы и описание ее работы с
использованием временных диаграмм;
– моделирование с применением программного пакета
MicroCap-8 или MicroCap-9;
– конструирование проектируемого устройства.
1.3. Требования к отчету
В результате выполнения курсового проекта к защите должны быть представлены:
– расчетно-пояснительная записка;
3
– принципиальная электрическая схема устройства;
– конструктивный чертеж разработанного устройства;
– материалы моделирования (распечатанная программа, графики, таблицы и т. д.).
Пояснительная записка должна содержать результаты расчетов по всем этапам проектирования, обоснование принятых при
разработке решений и необходимые для изложения графические
материалы, в соответствии с разд. 1.2.
Записка должна быть оформлена в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-91, ГОСТ 2.105-95 на листах стандартного формата
с текстом на одной стороне листа. Объем записки – 15–30 страниц.
Чертежи выполняются на отдельных листах формата А2. Чертеж принципиальной электрической схемы должен содержать
перечень всех элементов, схемы и таблицы функционирования
которых помещаются в приложении к пояснительной записке.
Конструктивный чертеж является графическим изображением
разработанной конструкции и должен сопровождаться спецификацией всех элементов. Чертежи должны удовлетворять требованиям ГОСТ 2.301-68, ГОСТ 2.321-84, ГОСТ 2.109-73.
1.4. Содержание пояснительной записки
Содержание пояснительной записки должно быть разбито на
разделы и подразделы, а при необходимости на пункты и подпункты.
В начале пояснительной записки помещается титульный
лист, проектное задание и содержание. Последующее размещение материала в пояснительной записке рекомендуется провести
в следующем порядке:
– список принятых буквенных обозначений;
– введение, в котором кратко формулируется поставленная
задача, указывается назначение и область применения проектируемого устройства и анализируются исходные данные;
– выбор функциональной схемы, где сравниваются различные
варианты построения устройства и выбирается лучший из них;
– выбор элементной базы, где проводится сравнительный анализ различных серий микросхем для построения проектируемого устройства;
– составление принципиальной схемы устройства и построение временных диаграмм в контрольных точках;
4
– моделирование схемы устройства;
– разработка конструкции устройства;
– заключение, в котором перечисляются основные результаты
и дается оценка, насколько разработанное устройство удовлетворяет поставленным требованиям;
– список использованной литературы;
– приложения.
В зависимости от особенностей разрабатываемой темы отдельные разделы допускается объединять, исключать либо вводить
новые разделы.
При выборе элементной базы для построения проектируемого
устройства следует руководствоваться разд. 3 настоящего пособия.
Правила выполнения принципиальных электрических схем и
перечня элементов приведены в ГОСТ 2.701-84, ГОСТ 2.743-91.
Моделирование схемы устройства следует проводить с учетом
рекомендаций разд. 3 настоящего пособия.
При разработке конструкции устройства следует руководствоваться ГОСТ 24460-80, ГОСТ 23751-86, РД 50-708-91.
5
2. ВАРИАНТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Схема 1
Преобразователь кода
¡ÅÁ˹ËÇÉ
»ÎǽÆǼÇ
Ãǽ¹™
©¾¼ÁÊËɹËÇÉ
»ÔÎǽÆǼÇ
Ãǽ¹›
™›
ªÎ¾Å¹ÃÇÆËÉÇÄØ
ÈɾǺɹÀÇ»¹ÆÁØ
»Ãǽ›
ªÎ¾Å¹ÃÇÆËÉÇÄØ
»Ô½¹ÐÁÃǽ¹™
Таблицы кодов
Десятичное
число
Двоичный
код
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1
8421
Двоично-десятичные кодые
2
3
4
5
6
7421 5421 2421 5211 ИЗБ3
7
Грея
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
1000
1001
1010
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
0000
0001
0010
0011
0100
1000
1001
1010
1011
1100
0000
0001
0010
0011
0100
1011
1100
1101
1110
1111
0000
0001
0011
0101
0111
1000
1010
1101
1110
1111
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
Задания на проектирование
Номер Входной код Выходной код Номер Входной код Выходной код
варианта
КП
КП
варианта
КП
КП
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
6
8421
7421
2421
5421
ИЗБ3
5211
Грея
7421
2421
ИЗБ3
5421
5211
5211
2421
5211
ИЗБ3
Грея
2421
7421
5211
ИЗБ3
5421
2421
8421
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
8421
8421
7421
5421
Грея
2421
5211
ИЗБ3
Грея
ИЗБ3
5421
5421
Грея
2421
ИЗБ3
7421
ИЗБ3
Грея
5421
8421
5421
7421
Грея
5211
Номер Входной код Выходной код Номер Входной код Выходной код
варианта
КП
КП
варианта
КП
КП
13
14
15
7421
5211
Грея
Грея
7421
2421
28
29
30
2421
ИЗБ3
Грея
7421
2421
8421
Схема 2
Запись и считывание из оперативной памяти
%"5" %$
ªÁ¼Æ¹Ä Ð˾ÆÁØ
À¹ÈÁÊÁ
%"5" 3( 3". 3(
.69
™½É¾Ê ØоÂÃÁ
¬Èɹ»Ä¾ÆÁ¾
Вариант №
±™Á±¬
Разрядность
1
2
3
4
8
16
ªÁ¼Æ¹Ä
Ð˾ÆÁØ
À¹ÈÁÊÁ
Адресность
128
64
32
По сигналам чтения и записи производится соответственно
либо чтение, либо запись регистров RG1 и RG2. Также из шины
адреса поступает адрес ячейки, в которой производится запись
или считывание данных.
Схема 3
Блок для работы памяти с периферийными устройствами
%"5"
%"5"
»ÌƹÈɹ»
ľÆÆÔÂ
3( %"5"
%"5"
3".
%$
ªÁ¼Æ¹Ä À¹ÈÁÊÁ ªÁ¼Æ¹Ä Ð˾ÆÁØ ™½É¾Ê
ØоÂÃÁ
±™Á±¬
7
Вариант №
Разрядность
Адресность
1
2
3
4
8
16
128
64
32
По сигналам чтения/записи производится соответственно
чтение/запись регистров RG1 и RG2. Также из шины адреса поступает адрес ячейки, в которой производится запись или считывание.
Схема 4
Блок сложения и вычитания
3( .69
4.
3( 3( ±¬ÊÄÇ¿¾ÆÁ¾Å»ÔÐÁ˹ÆÁ¾Å
ÁÊÁÆÎÉÇÆÁÀ¹ÏÁ¾Â
Вариант №
Разрядность
1
2
8
16
На вход блока подаются двоичные числа. Необходимо так выбрать разрядность сумматора и следующего за ним регистра, чтобы не было переполнения.
Схема 5
Блок умножения
˜
˜ O
" s"O
3( šÄÇÃ
ÈÇɹÀ
ÉؽÆÇ¼Ç š
šs#O ÌÅÆÇ
¿¾ÆÁØ
#O 3( ªÁ¼Æ¹Ä
Ð˾ÆÁØ
À¹ÈÁÊÁ
ª
½
»
Á
¼
¹
Ë
¾
Ä
Õ
3( ªÁ¼Æ¹Ä
Ð˾ÆÁØ À¹ÈÁÊÁ
±¬ 8
4.
Вариант №
Разрядность
1
2
8
16
На вход блока подаются двоичные числа. Необходимо так выбрать разрядность сумматора и следующего за ним регистра, чтобы не было переполнения.
Схема 6
Комбинационный блок умножения
˜ " s" O
˜ O 3( " s" O
š
š
šL 3( 4.
4.
" s" O
šL 4.
#O
šO
4.
3(
±¬
Вариант №
Разрядность
1
2
8
16
На вход блока подаются двоичные числа. Необходимо так выбрать разрядность сумматора и следующего за ним регистра, чтобы не было переполнения.
Схема 7
Стек LIFO
¹ÈÁÊÕ
Ð˾ÆÁ¾
±¬
ªÁ¼Æ¹Ä ªÁ¼Æ¹Ä ªÁ¼Æ¹Ä ªÁ¼Æ¹Ä
Ð˾ÆÁØ
Ð˾ÆÁØ À¹ÈÁÊÁ Ð˾ÆÁØ
¬Ã¹À¹
˾ÄÕ
Ê˾ù
©¾¼ÁÊË
ªÎ¾Å¹
ÉÇ»¹Ø
ÌÈɹ»Ä¾ÆÁØ
ȹÅØËÕ
À¹ÈÁÊÕ×Á
3(
Ð˾ÆÁ¾Å
Ê˾ù
¨ÉÁÀƹÃ
ȾɾÈÇÄƾÆÁØ
¨É¾½ÌÊ˹Æǻù
ÐÁÊĹØо¾Ã
ªÁ¼Æ¹Ä
Ð˾ÆÁØ
»Ìƹ
Èɹ»
ľÆÆÔÂ
3(
±
9
Вариант №
Разрядность
Адресность
1
2
8
16
128
64
Предустановка числа ячеек означает объем стека. Схема сравнения разрешает прохождение сигнала записи. Анализируется
счетчик. Если счетчик +1, то схема управления заносит в стек.
Если >1, то схема управления выдает сигнал на сдвиг вниз с задержкой сигнала записи. По сигналу чтения производится чтение, и после чтения схемой управления вырабатывается сигнал
сдвига вверх. Схема сравнения необходима для анализа состояния заполнения стека.
Схема 8
Тактируемое регистровое запоминающее устройство
±Áƹ½¹ÆÆÔÎ
±Áƹ½¹ÆÆÔÎ
±Áƹ¹½É¾Ê¹
±Áƹ¹½É¾Ê¹
ªÁ¼Æ¹ÄÀ¹ÈÁÊÁ
Ð˾ÆÁØ
© ¬
3(
™¤¬
3(
ªÁ¼Æ¹ÄÀ¹ÈÁÊÁ
Ð˾ÆÁØ
Вариант 1
Тактируемое регистровое запоминающее устройство на 4 слова с одним входом, одним выходом и разрешением записи.
Вариант 2
Тактируемое регистровое запоминающее устройство на 4 слова с одним входом, двумя выходами и разрешением записи.
Вариант 3
Тактируемое регистровое запоминающее устройство на 4 слова с двумя входами, одним выходом и разрешением записи.
Вариант 4
Тактируемое регистровое запоминающее устройство на 4 слова с двумя входами, двумя выходами и разрешением записи по
каждому входу.
Примечание: В АЛУ по заданию преподавателя выполняется одна
из операций: суммирование, дизъюнкция, конъюнкция, сложение по
MOD2.
10
Схема 9
Стек FIFO
3(
±Áƹ
½¹ÆÆÔÎ
3(L
«¹ÃËÔ
3(L
3(O
©¹ÀɾѾÆÁ¾ÊÐÁËÔ»¹ÆÁØ «É¾Î
Ê˹ºÁÄÕÆÔÂ
ºÌÍ¾É «É¾Î
Ê˹ºÁÄÕÆÔÂ
ºÌÍ¾É ©¹ÀɾѾÆÁ¾»ÔÎǽ¹
«¹ÃËÔ
ªÎ¾Å¹ ÌÈɹ»Ä¾ÆÁØ
ªÁ¼Æ¹Ä
Ð˾ÆÁØ
Вариант №
ªÐ¾ËÐÁÃ
s
ªÁ¼Æ¹Ä
Ð˾ÆÁØ
ªÁ¼Æ¹Ä À¹ÈÁÊÁ ±¬
Разрядность
1
2
3
%$ Адресность
8
16
32
128
64
32
Схема 10
Блок деления
3(
3( ª½»Á¼¹Ë¾ÄÕ
¬Èɹ»Ä¾ÆÁ¾
.69
4.
.69
3(
½¾ÄÁ˾ÄÕ
3(
½¾ÄÁÅǾ
11
Вариант №
Разрядность
1
2
8
16
На вход блока подаются двоичные числа. Необходимо так выбрать разрядность АЛУ, чтобы не было переполнения и на количество.
12
3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ, РАЗРАБОТКЕ
И КОНСТРУИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
3.1. Применение макроопределений (макросов)
при моделировании устройств и построении принципиальных схем
В процессе выполнения задания в ряде случаев отдельные элементы могут отсутствовать в библиотеке компонентов. В этом случае необходимо строить макросы, представляющие собой компиляцию однородных или разнородных элементов и объединенных
в отдельную схему, которой присваивается некоторое название.
Подобную процедуру также удобно применять для объединения
блоков схемы одинакового функционального назначения с целью упрощения самой принципиальной схемы.
Рассмотрим процедуру составления макроса на примере
4-разрядного трехстабильного буферного элемента, широко используемого для подключения к общей магистрали.
Входы: макрос имеет 4 информационных входа, один управляющий вход OE и 4 информационных выхода.
Принцип работы: при подаче на OE сигнала низкого уровня
происходит соединение информационных входов и выходов.
Если на ОЕ подать высокий уровень, элемент переходит в третье
состояние.
Для создания макроса открываем меню Файл, выбираем
пункт Новый, выбираем Схема, нажимаем кнопку OK. Появляется пустое окно, в котором нужно нарисовать схему (рис. 3.1 и
рис. 3.2).
Заходим в меню Компоненты, выбираем пункт Russian
Digital, выбираем пункт Буферные элементы, выбираем
K555LP8 (рис. 3.3).
Ставим выбранный элемент 4 раза вертикально. Объединяем
входы OE всех элементов на один вывод, этот вывод называем
OE, нажав на иконку с буквой T.
На каждом информационном входе всех элементов создаем
(рисуем) выводы, каждый из которых помечаем соответственно
D0, D1, D2, D3, а выходы Y0, Y1, Y2, Y3 (рис. 3.4).
Сохраняем схему под именем «buff_4» с расширением mac.
Для разработанного макроса необходимо создать (нарисовать)
его условное обозначение в соответствии с действующими стандартами.
13
Рис. 3.1. Меню Файл
Рис. 3.2. Меню начала проектирования
14
15
Рис. 3.3. Меню выбора компонентов
Рис. 3.4. Начальный вид макроса
В меню Окна выбираем пункт Редактор графики компонента. Справа в дереве нажимаем кнопку Добавить, вводим имя
«buff_4», рисуем фигуру, соответствующую элементу «БУФЕРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ на 4 входа и 4 выхода», затем нажимаем кнопку
Закрыть, подтверждая сохранение изменений (рис.3.5).
Вторично выбираем меню Окна, выбираем пункт Редактор
компонентов. Нажимаем иконку Add component.
В поле Name пишем «buff_4». В поле Форма выбираем buff_4.
В поле Определение выбираем Macro. Устанавливаем галочки в
полях с соответствии с рис. 3.6.
В окне с изображением схемы наводим курсор на каждую ножку и вводим ее название в соответствии с названиями на схеме.
Нажимаем кнопку Закрыть, подтверждая сохранение изменений (рис. 3.6).
На этом заканчивается процесс создания макроса. Следует отметить, что созданные макросы могут выступать как подмакросы при построении макросов более высокого уровня.
16
17
Рис. 3.5. Окно составления макроса и выводов
Рис. 3.6. Окно обозначения выводов буфера
На рис. 3.7 показан пример анализа построенного макроса.
Для условия выхода буфера из третьего состояния на вход ОЕ
подан низкий потенциал. На входы буфера подключены выходы генератора импульсов. Временная диаграмма демонстрирует
функционирование буфера. Здесь по вертикальным пунктирным
линиям наблюдается задержка между входными и выходными
сигналами.
3.2. Применение генераторов сигналов
в задачах моделирования схем
Генераторы сигналов в схемах используются для синхронного взаимодействия элементов схемы, создания информационных
сигналов и для их стробирования. При моделировании необходимо определить предельно допустимые параметры генераторов,
при которых схема работает устойчиво. К таким параметрам относятся период следования сигналов (частота) и длительность
сигналов. Далее приводятся варианты настойки параметров генераторов.
18
19
Рис. 3.7. Пример анализа построенного макроса
Следующие строки допустимы в описании поля «COMMAND»
генераторов:
COMMAND= 0 0 LABEL=START +50n 1 +50n 0 +50n
GOTO START -1 TIMES
COMMAND= 0 0 LABEL=START 50n 1 100n 0 150n
GOTO START -1 TIMES
COMMAND= 0 0 LABEL=START +5c 1 +5c 0 +5c
GOTO START -1 TIMES
COMMAND= 0 0 REPEAT FOREVER 50n 1 100n 0 150n ENDREPEAT
LABEL=START – установка точки возврата
GOTO START N TIMES – переход на ранее заявленную точку возврата N раз
(при N=-1 бесконечное число раз)
REPEAT <условие>... ENDREPEAT – цикл по условию (FOREVER – всегда)
Все они генерируют следующую последовательность во времени:
T 
0  50n  100n 
150n  200n  250n  300n  350n  ...
D(IN)
0
1
0
1
0
1
0
1
...
Допустима запись вида:
.define IN
+ 0ns 0
+ LABEL=START
+ +50n 1
+ +50n 0
+ +50n GOTO START -1 TIMES
Данная запись производится на закладке Text рабочего файла, при этом в поле «COMMAND» генератора записывается «IN»
(см. ранее).
************************************************************************
****************
COMMAND= 0 0 LABEL=START +25n INCR BY 1 50n
GOTO START UNTIL GT B +100ns F
FORMAT = 4
INCR BY 1 – увеличить на 1
20
GOTO START UNTIL GT B – выполнять, пока значение меньше или равно B
(1011)
+100ns F – через 100ns выдать значение F (1111)
T 
D(4,3,2,1)
0  0000
25n  0001  ;Цикл увеличения значения числа на 1 каждые 25ns
50n  0010
75n  0011
100n  0100
125n  0101
150n  0110
175n  0111
200n  1000
225n  1001
250n  1010
275n  1011
300n  1100  ;Появилось значение, большее числа B(1011)
425n  1111  ;На 325ns цикл заканчивается и через 100ns
;(425ns) появляется значение F (1111)
************************************************************************
*****************
COMMAND= LABEL=START 5ns RND 10ns GOTO START -1 TIMES
Данная команда генерирует каждые 5ns случайное значение
на выходе генератора (RND)
************************************************************************
*****************
COMMAND= 0ns ??A10 100ns ??4FR 200ns ??801 300ns ??BXZ 400ns 00000
T D(IN8,IN7,IN6,IN5,IN4,IN3,IN2,IN1)
0 ??101010 
;IN8, IN7 случайны (0 или 1)
100n ??0100FR  ;IN8, IN7 случайны (0 или 1), IN2 – значение Fall,
;IN1 – значение Rise
200n ??100001  ;IN8, IN7 случайны (0 или 1)
300n ??1011XZ  ;IN8, IN7 случайны (0 или 1), IN2 неизвестно,
;IN1 – high impedance
400n 00000000  ;Все выводы установлены в 0.
3.3. Особенности практического использования ИМС
различных типов логики
В процессе выполнения курсового проекта необходимо обоснованно выбрать элементную базу для реализации заданного
блока. С этой целью следует рассмотреть основные характери21
стики различных базовых элементов, наиболее часто используемых при создании ЭВМ типов микросхем. В табл. 3.1 приведены
для сравнения значения среднего времени задержки распространения tз и максимальной потребляемой мощности P max [1, 2].
Таблица 3.1
Тип микросхемы
ТТЛ
ТТЛШ
КМДП
ЭСЛ
И2Л
tз, нс
5...10
1...3
3...80
1...2
1...25
P max, мВт
1...10
1...5
0,0002...0,2
30...50
0,1
При использовании микросхем ТТЛ и ТТЛШ, в частности серии 555, на неиспользуемые входы можно подать напряжение
высокого уровня от напряжения источника питания через резистор 1 кОм или от выхода свободного логического элемента, заземлив его вход. Допустимо также оставлять такие входы неподключенными. При этом не следует соединять входы логических
элементов между собой, чтобы не повышалась входная емкость
элемента. Входы неиспользуемых элементов ТТЛ рекомендуется
заземлять для меньшего потребления токов от источника питания.
Малая потребляемая мощность микросхем КМДП обусловливает перспективность их использования в бортовых устройствах,
а также во всех устройствах с автономным питанием. Однако
следует учитывать некоторые особенности подключения таких
схем [1]. Входы КМДП микросхем нельзя оставлять неприсоединенными. Следует предусматривать шунтирующие резисторы
к источнику питания или к общей шине. Импульсы синхронизации не должны иметь большую длительность фронтов во избежание сбоев работы схемы из-за наведенной помехи. Следует
применять меры защиты выходов микросхем. Недопустимо непосредственное соединение выходов микросхем, так как один из
каналов при этом замкнется на источник питания. Следует избегать замыканий выходов буферных элементов с повышенным
выходным током на провод питания. Для буферных элементов
нельзя применять емкости нагрузки, превышающие 5000 пФ,
поскольку незаряженный конденсатор такой емкости равноценен перемычке короткого замыкания.
Микросхемы ЭСЛ являются самыми быстродействующими и
потому эффективно используются при построении ЭВМ высоко22
го быстродействия. К их достоинствам следует также отнести и
удобство применения в условиях повышенной плотности компоновки с использованием многослойного печатного монтажа и
низкоомных коаксиальных и плоских кабелей. Принципиальная особенность микросхем ЭСЛ – отрицательное напряжение
источника питания. Оно подается со стороны эмиттеров, а коллекторные цепи заземляются, причем коллекторная шина питания делается большого сечения [3].
Элементы И2Л по своим основным параметрам: площади занимаемой на кристалле, потребляемой мощности и другим − являются наиболее перспективной базой для построения микросхем высокой степени интеграции и потому часто используются
в БИС микропроцессоров.
3.4. Проблемы питания цифровых схем
Как известно, во избежание паразитных связей по питанию
и для аналоговых, и для цифровых схем рекомендуется использовать развязывающие фильтры (RC-цепочки) [5]. Что касается
питания цифровых схем, то здесь имеют место особенности, которые следует принимать во внимание. К числу таких особенностей относится то, что при малых напряжениях в шинах питания
протекают достаточно большие токи (до десятков ампер). В связи
с этим следует, во-первых, снижать сопротивление шин питания
за счет увеличения площади их сечения (ширины в случае печатного монтажа) и, во-вторых, увеличивать количество параллельных контуров при прокладке шин питания.
Другая особенность состоит в том, что в основном из-за индуктивных свойств шин питания имеют место значительные величины изменения потребляемого тока − так называемые броски
тока, продуцируемые некоторыми (или всеми) микросхемами.
Поскольку устранить индуктивность шины питания невозможно, то применяют конденсаторы развязки, обеспечивающие компенсацию изменения потребляемого тока микросхемой. Такой
конденсатор включается между проводом питания и общим проводом. Методика выбора величины емкости конденсатора развязки приведена в работе [4, с. 346]. Руководящие материалы по
монтажу интегральных схем рекомендуют устанавливать около
каждого корпуса микросхемы конденсатор развязки, обеспечивающий емкость 20 тыс. пФ/вентиль. Обычно ставят конденсатор емкостью 5–10 мкФ на четыре–пять корпусов интегральных
23
схем. В целях эффективного подавления низкочастотных и высокочастотных помех в цепях питания необходимо параллельное
включение низкочастотных электрических конденсаторов и высокочастотных керамических конденсаторов небольшой емкости
(0,01–0,1 мкФ) с малой собственной индуктивностью. Большая
собственная индуктивность электролитических конденсаторов
не обеспечивает эффективного подавления высокочастотных помех при использовании только электролитических конденсаторов большой емкости.
3.5. Способы снижения электромагнитных помех и наводок
В схемотехнике следует учитывать оказываемое на работу
схем влияние помех и наводок, т. е. токов (напряжений) в функциональных цепях схемы, обусловленных внешними электрическими и (или) электромагнитными источниками энергии. Причины возникновения электромагнитных помех и наводок подробно изложены в работе [4].
Подавление внешних и внутренних помех требует тщательной проработки вопросов, связанных с конструкцией цепей питания, с заземлением, экранированием, с топологией печатных
плат, требует учета особенностей применяемой элементной базы.
Так, при разработке цифровых схем необходимо иметь в виду
следующие моменты [6]:
– интегральные микросхемы ТТЛ имеют малое входное сопротивление и потому весьма чувствительны к переменному
напряжению по линии питания между отдельными корпусами
микросхем;
– микросхемы КМДП управляются напряжением и имеют
высокое входное сопротивление, они особенно чувствительны к
емкостным наводкам;
– интегральные ЭСЛ схемы коммутируют в линиях связи
большие токи за малое время, и в этом случае наибольшую важность приобретают проблемы реализации линий связи с минимальными перекрестными связями. Требуется согласование линий связи с нагрузками. Обеспечение помехоустойчивости этих
схем затруднено в связи с малой величиной допустимой статической помехи и с учетом того, что транзисторы в интегральной
схеме работают в линейном режиме.
Принимая во внимание перечисленные положения, целесообразно руководствоваться следующими рекомендациями:
24
– применять в цепях питания конденсаторные развязки;
– недопустимо смешивать понятия «общий провод» и «земля», а также нельзя путать провода, их реализующие. Шина
«земля» не должна использоваться для передачи мощности.
Проводники «общий провод» и «земля» должны соединяться в
одной точке конструкции с целью исключения замкнутых контуров, излучающих электромагнитные наводки;
– выполнять питание микросхем или отдельных узлов, потребляющих большие токи, отдельной линией или отдельным
источником питания. Следует принимать во внимание, что
шины питания индуктивно связаны с информационными линиями;
– резисторы утечки (резисторы, обеспечивающие режимные токи микросхем) необходимо выбирать минимально допустимой величины. Это особенно важно для микросхем с МДПтранзисторами на входе (и цифровых, и аналоговых);
– в узлах и устройствах, использующих ТТЛ-схемы, входы,
не задействованные в функциональном отношении, следует подключать к шине питания через резистор (ориентировочно 1 кОм).
В узлах и устройствах на основе КМДП (МДП) микросхем входы
подключаются к шине питания («плюс» или «общий провод» в
зависимости от реализуемой логической функции) непосредственно;
– при использовании на одной печатной плате цифровых и
аналоговых микросхем общий провод питания обязательно должен быть разделен на «аналоговый» и «цифровой». Эти провода
должны соединяться в одной точке.
3.6. Разработка конструкции печатной платы
При разработке конструкции печатной платы необходимо решить следующие задачи:
– конструктивную – выбор формы и габаритов платы, элементов крепления платы, способа электрического соединения платы
с внешними устройствами, способа крепления дискретных элементов;
– компоновочную – размещение дискретных элементов на
плате, трассировку печатных проводников и числа слоев;
– схемотехническую – расчет параметров линий связи, паразитных связей и наводок, переходных сопротивлений, размещение экранов;
25
– теплотехническую – расчет температурных режимов элементов и проводников, расчет теплоотводов;
– технологическую – выбор метода изготовления, защитных
покрытий и т. д.
Наиболее часто печатные платы изготавливают из фольгированного диэлектрика – листового стеклотекстолита или гетинакса, на одну или обе поверхности которого наклеена медная фольга. В процессе обработки на пластине фольгированного диэлектрика создают монтажные, крепежные отверстия и проводящий
рисунок (на одной или обеих сторонах). Для монтажа интегральных микросхем средней и высокой степени интеграции применяют многослойные печатные платы.
При конструировании следует придерживаться следующих
рекомендаций и правил [6, 7].
Размеры печатной платы следует выбирать таким образом,
чтобы устройство, собранное на плате, было функционально законченным и имело минимальное число внешних связей, при
этом руководствуются ГОСТ 28601.1-90, ГОСТ 28601.2-90, ГОСТ
28603.1-90. Максимальный размер стороны платы не должен
превышать 500 мм. При больших размерах платы следует предусматривать средства повышения ее жесткости. Линейные размеры печатной платы рекомендуется делать кратными 2,5 (при
длине до 100 мм), 5,0 (при длине до 350 мм), 10,0 (при длине более 350 мм).
Толщина печатной платы должна соответствовать одному из
чисел ряда: 0,8; 1,0; 1,5; 2,0.
Отверстия на печатной плате размещают в местах пересечения линий координатной сетки, шаг которой в соответствии с
ГОСТ 10317-79 равен 2,5 и 1,25 мм. При размещении элементов,
шаг выводов которых не соответствует шагу координатной сетки, необходимо совместить с координатной сеткой хотя бы один
вывод. Диаметры в миллиметрах монтажных отверстий выбирают из ряда: 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5. Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой.
Зазор между кромкой печатной платы и контактной площадкой
должен быть не меньше толщины платы.
Размещение элементов и трассировку проводников следует
производить таким образом, чтобы суммарная длина проводников была минимальной. Число пересечений проводников также
надо делать минимальным. Для односторонней печатной пла26
ты пересечения нежелательны, так как они требуют установки
перемычек. Размещаемые рядом элементы должны обладать тепловой и электромагнитной совместимостью. Тепловыделяющие
элементы надо по возможности рассредоточить. Все навесные
элементы рекомендуется располагать на одной стороне.
Следует избегать близкого расположения проводников и элементов входных и выходных цепей. В случае невозможности разнесения их необходимо разделять экранами.
Цепи «земля», по которым текут суммарные токи, следует
выполнять максимально возможной ширины. Предпочтителен
вариант прокладки для каждой цепи своего земляного провода.
При ширине проводников, большей 5 мм, рекомендуется
предусматривать перфорацию во избежание вспучивания фольги
из-за газовыделения при пайке. Перфорацию делают овальной с
расположением большой оси вдоль направления электрического
тока в целях снижения сопротивления проводника.
Размеры отверстий под выводы навесных элементов выбирают так, чтобы при металлизации его диаметр был на 0,14–0,5 мм
больше диаметра вывода. Для каждого вывода элемента должно
быть предусмотрено отдельное отверстие. Не допускается установки в одно монтажное отверстие двух выводов или проводников.
Расстояния между краями соседних элементов платы, полученных механической обработкой (отверстия, пазы, вырезы и
т. д.), должны быть не менее толщины платы, а расстояния от
края платы − не менее 0,5 мм.
Расстояния между проводниками, минимально допустимый
зазор, зависят от величины действующего напряжения [6]. Минимальный изоляционный зазор между проводниками при напряжении до 50 В должен быть не менее 0,4 мм. Выбор ширины проводников производится в соответствии с проникающим
током, исходя из необходимой плотности тока в печатных проводниках до 50 А/мм2, но не менее 0,5 мм, в узких местах – не
менее 0,3 мм. Следует избегать острых углов и перегибов проводников, так как это ведет к концентрации напряжений и отслаиванию проводников при пайке.
С целью повышения надежности и обеспечения стабильной
работы цифровых устройств в условиях воздействия агрессивной
внешней среды могут быть применены следующие меры. Подбирают материалы, устойчивые к воздействию предполагаемых
27
внешних факторов, наносят защитные покрытия (лаки, эмали,
грунт) либо герметизируют отдельные элементы, узлы или все
устройство. Наиболее надежным средством является герметизация с помощью электроизоляционных материалов (посредством
пропитки, заливки, обволакивания или опрессовки) и непроницаемых для газов оболочек.
28
Библиографический список
1. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/ М. И. Богданович, И. Н. Грель, С. А. Дубина и др. Мн.: Беларусь, Полымя. 1996.
605 с.
2. Пухальский Г. И. Новосельцева Т. Я. Цифровые устройства: Учеб.
пособие для втузов. СПб.: Политехника, 1996. 885 с.
3. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.:
Радио и связь, 1988. 352 с.
4. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования. М.: Горячая линия-Телеком, 2001. 344 с.
5. Завадский В. А. Компьютерная электроника. Киев: ВЕК, 1996.
368 с.
6. Воробьев Н. И. Проектирование электронных устройств: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1989. 223 с.
7. Микроэлектронные устройства автоматики: Учеб. пособие для
вузов/А. А. Сазонов, А. Ю. Лукичев, В. Т. Николаев и др.; Под ред.
А. А. Сазонова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 200 с.
8. Амелина М. А. Компьютерный анализ и синтез электронных
устройств: Конспект лекций. Электронный вариант. Смоленск, Филиал Московского энергетического института (Технический университет),
2006.135 с.
9. ГОСТ 7.32-91. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления. М.: Изд-во стандартов, 1991. 18 с.
10. ГОСТ 2.105-95. Единая система конструкторской документации.
Общие требования к текстовым документам. М.: Изд-во стандартов,
1995. 36 с.
11. ГОСТ 2.301-68. Единая система конструкторской документации.
Форматы. М.: Изд-во стандартов, 1968. 2 с.
12. ГОСТ 2.321-84. Единая система конструкторской документации.
Обозначения буквенные. М.: Изд-во стандартов, 1984. 2 с.
13. ГОСТ 2.109-73. Единая система конструкторской документации.
Основные требования к чертежам. М.: Изд-во стандартов, 1973. 43 с.
14. ГОСТ 2.701-84. Единая система конструкторской документации.
Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению. М.: Изд-во
стандартов, 1984. 16 с.
15. ГОСТ 24460-80. Микросхемы интегральные цифровых устройств.
Основные параметры. М.: Изд-во стандартов, 1980. 3 с.
16. ГОСТ 2.743-91. Единая система конструкторской документации.
Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники. М.: Изд-во стандартов, 1991. 62 с.
17. ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры конструкции. М.: Изд-во стандартов, 1986. 11 с.
18. РД 50-708-91. Инструкция. Платы печатные. Требования к конструированию. М.: Изд-во стандартов, 1992. 39 с.
19. ГОСТ 28601.1-90. Панели и стойки. Основные размеры. М.: Издво стандартов, 1990. 6 с.
20. ГОСТ 28601.2-90. Шкафы и стоечные конструкции. Основные
размеры. М.: Изд-во стандартов, 1990. 5 с.
29
21. ГОСТ 28601.3-90. Каркасы блочные и каркасы вдвижные. М.:
Изд-во стандартов, 1990. 14 с.
22. ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры. М.: Изд-во
стандартов, 1979. 2 с.
23. Гуртовцев А. Л., Гудыменко А. В. Программы для микропроцессоров: Справочное пособие. Мн.: Вышайш.шк., 1989. 352 с.
24. Балашов Е. П, Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1981. 328 с.
25. Злобин В. К., Григорьев В. А. Программирование арифметических
операций в микропроцессорах: Учеб.пособие для вузов. М.: Высш. шк.,
1991. 302 с.
26. Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и сиcтемы:
Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат,
1991. 592 с.
27. Янсен Й. Курс цифровой электроники. М.: Мир, 1987. 825 с.
28. Лысиков Б. Г. Арифметические и логические основы цифровых
автоматов. М.: Высш. шк., 1980. 336 с.
29. Схемотехника ЭВМ: Метод. указ. к выполнению курсового проекта / СПбГУАП. СПб., 2002. 42 с.
30
Содержание
1. Основные положения.............................................................. 3
1.1. Цель курсового проектирования........................................ 3
1.2. Задание на курсовое проектирование и содержание проекта.. 3
1.3. Требования к отчету........................................................ 3
1.4. Содержание пояснительной записки.................................. 4
2. Варианты индивидуальных заданий на курсовое проектирование. 6
3. Рекомендации по моделированию, разработке и конструированию электронных узлов.............................................................. 13
3.1. Применение макроопределений (макросов) при моделировании устройств и построении принципиальных схем.................... 13
3.2. Применение генераторов сигналов в задачах моделирования
схем.................................................................................... 18
3.3. Особенности практического использования имс различных
типов логики........................................................................ 21
3.4. Проблемы питания цифровых схем.................................... 23
3.5. Способы снижения электромагнитных помех и наводок........ 24
3.6. Разработка конструкции печатной платы........................... 25
Библиографический список......................................................... 29
31
Учебное издание
Курсанов О. И.
Осипов Л. А.
Попов А. И.
Семененко Т. В.
СИНТЕЗ И КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ
ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЦВМ НА БАЗЕ
ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА MICROCAP-9
Учебное пособие
по курсовому проектированию
Редактор В. П. Зуева
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 11.02.08. Подписано к печати 17.04.09.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная.Печ л. 2,0.
Уч.-изд. л. 1,86. Тираж 200 экз. Заказ № 323.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 136 Кб
Теги
kurssemenf
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа