13.2 Етапи виконання роботи

Для синтезу логічного пристрою, заданого логічним вираженням необхідно зробити наступні дії.

1. Під час на робочому полі логічний перетворювач, в полі запису внести логічний вираз, з урахуванням синтаксису програми EWB. На даному етапі можлива мінімізація логічного виразу.

2. За даним логічного виразу засобами логічного перетворювача синтезувати схему в обраному базисі.

3. Перевірити правильність функціонування синтезованого пристрою. Для цього в інструменті «Генератор слів» задати циклічну послідовність імпульсів в шістнадцятковому коді.

4. Підключаючи на входи генератор слів, а на вихід - інструмент «Логічний аналізатор», синхронізовані один з одним, запускаємо програму на аналіз кнопкою 0 / 1.

5. Занести в звіт отриманий мінімізований вираз, синтезовану схему та результати моделювання.

14.3 Контрольні питання

1. Інтерфейс та призначення логічного аналізатора.

2. Інтерфейс та призначення логічного конвертора.

3. Інтерфейс та призначення генератора слів.

4. Моделі цифрових пристроїв.

5. Методика синтезу комбінаційного пристрою в EWB.

15 Лабораторна робота №15

Тема: Дослідження моделей комбінаційних та послідовносних пристроїв цифрової електроніки.

Мета: Ознайомитися із складом бібліотеки, та правилами формування систем параметрів моделей цифрових ІМС та моделювання цифрових пристроїв.

15.1 Основні теоретичні відомості

При розробці макромоделей логічних ІМС враховується, що електричні характеристики за зовнішніми виводами ІМС в межах серії або навіть декількох серій ідентичні, так само як ІМС, які виконують різноманітні логічні операції, мають однакові побудови вхідних і вихідних кіл. Так, для всіх ТТЛ ІМС входами є емітери багатоемітерних транзисторів, а виходами - складні інвертори. Тому вхідне коло в макромоделях ТТЛ та ТТЛШ схем задається спрощеною моделлю багатоемітерного транзистора. Для КМОП-схем модель вхідного кола складається з вхідних опорів та ємностей. Ця особливість логічних ІМС враховується при побудові універсальної моделі логічних ІМС.

Особливо чітко виділяється описана вище структура у вигляді трьох блоків у макромоделей логічних ІМС. Типовим прикладом таких макромоделей може бути макромодель двохвходового ТТЛ-вентиля І-НІ (рисунок 15.1) [10].

а б

Рисунок 15.1 - Двохвходовий ТТЛ-вентиль:

а – принципова схема; б – макромодель

Тут джерела струму J1 і J2 відображають вхід 1 і вхід 2 та задаються у вигляді таблиць або діодами. Джерело напруги E1=f (I1, I2) реалізує логічну функцію вентиля, а його інерційні властивості – елементи R1, C1. Кероване джерело E2=f (UC1) відображає вихідну напругу вентиля, а опір R2 — вихідний опір. Генератор струму I₀ введений для часткового врахування зміни режимів вихідного кола.

В Spice-сумісних програмах макромоделі примітивних вентилів (елементарних комбінаційних пристроїв) описуються на вхідній мові Spice, але для користувача-розробника схем необхідно лише заповнити атрибути моделей та визначити необхідні часові параметри в меню. На вхідних мовах програм ECAD, опис макромоделей враховує не тільки алгоритм функціонування, але й структуру об`єкта.

15.1.1 Особливості моделей цифрових схем

Моделі аналогових та цифрових приладів в ECAD-програмах принципово різні. Якщо моделі та макромоделі аналогових пристроїв мають схеми заміщення, по яких формуються компонентні й топологічні рівняння на основі законів Ома та Кірхгофа, моделі цифрових пристроїв представляються тільки реактивними лінійними, або нелінійними схемами заміщення входів та виходів (модель I/O – input/output) для узгодження із аналоговою частиною схеми. В цілому модель цифрового пристрою є алгоритмічною, фактично, це – підпрограма [10].

Макромоделі цифрових пристроїв можна назвати функціонально-логічними на відміну від компонентно-топологічних моделей аналогових приладів, загальними рисами яких є наявність схем заміщення та функціональних залежностей. Макромоделі цифрового елемента складаються з:

1. моделі I/O - задають комплексні опори вхідних та вихідних кіл;

2. моделей А/Ц і Ц/А – інтерфейсів (ATOD, DTOA - задають схеми заміщення та алгоритм перетворення аналогових сигналів у цифрові та навпаки));

3. моделі динаміки (Timing Model) із логікою і алгоритмом функціонування, часовими параметрами перемикання приладу. Останні поділяються на синхронні та асинхронні, асинхронні враховують час проходження сигналу зі входу на вихід ІМС (pin-to-pin Delay).

15.1.2 Особливості моделювання пристроїв аналогово-цифрового типу

В сучасних програмах аналогово-цифрові пристрої моделюються по окремих підпрограмах, але в єдиній оболонці, завдяки об`єднуючій ролі універсальних редакторів схем, в яких збираються схеми та компонуються моделі, та постпроцесорів, в яких виконується графічна обробка отриманих в результаті аналізу даних. Програма розглядає пристрій як аналогово-цифровий, якщо в описі схеми присутні макромоделі цифрових елементів і моделі та макромоделі аналогових приладів.

Рисунок 15.1 – Приклад позначення різних типів вузлів в програмі МС при сполученні елементів аналогових та цифрових

Програмно розрізняються вузли аналогові, цифрові та А/Ц, Ц/А, у останні автоматично додаються прилади сполучення. На рисунку 15.1 вузли 1-3,5,6 – аналогові, 4 – цифровий вузол, 1$ATOD, 5$DTOA – вузли узгодженням (інтерфейсні).

Прилади сполучення – це програмно-інструментальні інтерфейси А/Ц, Ц/А, джерела живлення із дискретними рівнями, заземлення із потенціалом „0” в форматі Integer), які не відображуються на схемі, але забезпечують обмін даними між підпрограмами моделювання електричних процесів в аналоговій частині ланцюга і п’ятизначного моделювання цифрової частини [15].

Алгоритм будування та розв`язання рівнянь ММС в аналоговій та цифровій частинах теж різний. Для аналогової частини діє традиційний алгоритм послідовної алгебраїзації та лінеаризації вихідної системи диференційних рівнянь ММС, отриманих в неявному вигляді модифікованим методом вузлових потенціалів. В цифровій частині схеми моделювання виконується подійне моделювання за правилами п`ятизначної логіки, де дискретні рівні сигналу приймають значення 1, 0, X, F, R (дозволені рівні напруги – алфавіт сигналу).

При моделюванні пристроїв мішаного типу, кроки інтегрування в аналоговій та цифровій частинах пристрою обираються незалежно один від одного. Мінімальне значення кроку інтегрування у цифровій частині визначається кроком дискретизації (частота дискретизації, як правило, 10ГГц), або параметром pin-to-pin Delay. Крок інтегрування у аналоговій частині визначається найменшою постійною часу у схемі. Загальна кількість кроків залежить від значення максимальної постійної часу в схемі, і в аналогово-цифровій схемі значно вища за кількість кроків у аналогових схемах тієї ж розмірності. Звичайно, аналогово-цифрові пристрої моделюються в режимі розрахунку перехідних процесів (Transient), однак інші режими – по постійному (DC) та змінному (AC) струму також доступні при певних спрощеннях схеми.