4.3 Проектирование и расчет устройств цифровой схемотехники

4.3.1 Проектирование и расчет базовых логических элементов. Базовые логические элементы (БЛЭ) реализуют основные функции алгебры логики и являются основой для построения комбинационных, последовательностных и других устройств или входят в состав ИС средней или большой степени интеграции. По [ 16; 27 - 29 ] необходимо ознакомиться с различными типами БЛЭ, их основными параметрами и характеристиками, схемными решениями. Исходя из задания на проектирование следует выбрать тот тип БЛЭ, который обладает требуемым набором параметров и характеристик, его электрическую схему и выполнить расчет параметров элементов и рабочих точек активных компонентов (транзисторов) по методике, приведенной в [ 16; 17 ]. Затем с помощью программ анализа получить входную, выходную и передаточную характеристики, оценить быстродействие схемы и выполнить параметрическую оптимизацию по выбранному критерию качества.

4.3.2 Проектирование и расчет комбинационных логических устройств. К комбинационным логическим устройствам (КЛУ) относятся мультиплексоры, демультиплексоры, шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов, сумматоры и др. Принципы построения, схемные решения, основные параметры и области применения приведены в [18 - 20; 19; 24; 27; 28]. Если необходимо реализовать заданную логическую функцию, ее необходимо минимизировать по методу карт Карно, Квайна-Мак-Класки [27], перейти в выбранный логический базис (с помощью правила Моргана) и выбрать элементную базу. Логические функции также могут быть реализованы с помощью мультиплексоров и программируемых логических матриц [ 27 ]. Способы увеличения числа каналов мультиплексоров и наращивания разрядности дешифраторов приведены в [ 18; 19; 27 ]. Методика проектирования преобразователей кодов изложена в [ 27 ]. Для автоматического синтеза схем комбинационных устройств можно использовать программы EWB [ 35; 37 ] или MinRisk [ 39 ]. Наиболее подготовленные студенты могут воспользоваться возможностями языка VHDL [ 32; 38 ]. После синтеза схемы необходимо оценить ее быстродействие, проанализировать логику ее работы на ЭВМ, выявить возможные риски сбоя и устранить их.

4.3.3 Проектирование устройств с программируемой логикой. В цифровых системах обработки информации наряду со стандартными устройствами (процессор, память, интерфейс и др.) используются и нестандартные, специфичные для данной разработки. Это относится к схемам управления блоками, обеспечения их взаимодействия, ввода-ввывода информации и др. и, в первую очередь, затрагивает область биомедицинской электроники. Обычно нестандартные части реализуются на ИМС малого и среднего уровня интеграции, но это связано с применением большого числа корпусов ИС, приводит к усложнению монтажа, увеличению габаритов, веса, энергопотребления и снижению быстродействия и надежности. Проектирование специализированных ИС высокой степени интеграции связано с большими затратами средств и времени на проектирование БИС. Такое противоречие разрешается путем разработки БИС с программируемой и репрограммируемой структурой. К ним относятся PLD, CPLD, FPGA, SPGA[ 18 ]. Методика, этапы и средства "ручного" и автоматизированного проектирования цифровых устройств с программируемой логикой приведены в [ 18, с. 445-487]. Пример подготовки задачи реализации 4-х разрядного синхронного счетчика, выполняющего помимо операции счета также операцию параллельной асинхронной загрузки на программируемой матричной логике приведен в [ 18, с. 375], а применение программируемых логических ИМС на КМОП-структурах – в [ 31].

4.3.4 Проектирование и расчет схем запоминающих устройств. Микросхемы памяти оперативных запоминающих (ОЗУ-RAM), постоянных запоминающих (ПЗУ-ROM) и программируемых запоминающих устройств (ППЗУ-PROM) устройств находят широкое применение в устройствах цифровой электроники [ 18 - 20; 24 - 26 ]. Особенно следует выделить группу электрически перепрограммируемых (ЭППЗУ-EEPROM) энергонезависимых запоминающих устройств, разновидностями которых является так называемая флэш-память [ 18; 25 ]. При проектировании энергонезависимого ЗУ следует определиться: использовать непосредственно EEPROM или достаточно ограничиться схемой с дополнительным питанием от аккумулятора. Вариант последней схемы приведен в [ 19, с. 282]. Он отличается простотой, но требует разработки устройства для анализа величины питающего напряжения и управления сигналами записи-чтения. Проектирование устройств EEPROM сопровождается обоснованием выбора способа организации памяти (одноразрядная, многоразрядная, с произвольной выборкой элемента памяти и т.д)[ 24, с.10], выбора типа микросхем (в зависимости от организации, требуемой емкости и быстродействия [ 24, с.125]). Для нормального функционирования ЗУ необходимы также некоторые вспомогательные (обслуживающие) узлы – формирователи адресов записи-чтения, формирователь импульса записи, коммутатор адресов, дешифратор для поочередного включения ИМС, коммутатор входа-выхода, схема управления напряжением. Пример организации схемы ЗУ приведен в [ 20, с.72-75].

Вопросы построения схем ОЗУ, способы объединения ИМС памяти для увеличения разрядности шины данных и адреса, улучшение параметров ОЗУ (увеличение частоты чтения-записи), использование ОЗУ как информационный буфер между устройствами для промежуточного хранения данных с организацией LIFO, FIFO рассматриваются в [ 19, с. 258-283].

4.3.5 Проектирование и расчет схем генераторов импульсов. Генераторы - это специальные элементы цифровых устройств, предназначенные для формирования последовательности сигналов различной формы. Последовательность может быть периодической или нерегулярной, в том числе с изменением параметров и формы. Генераторы обеспечивают работу цифрового устройства во времени по определенному закону и по своей структуре могут изменяться от простейшего автоколебательного мультивибратора до сложного цифрового устройства. Ряд схем мультивибраторов на ЛЭ, триггерах и таймере, в том числе с изменяемой скважностью приведен в [ 23, с. 80-107]. Наиболее полно отражены вопросы разработки мультивибраторов на ЛЭ разных типов (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП), на триггерах, с различными значениями скважности и с многофазными выходами в [21]. Следует отметить, что для получения больших скважностей (порядка сотен и даже менее) существуют специальные схемотехнические решения [ 21, с.166, с. 201, с. 230]. Кроме того, следует выбирать схемы с применением автоуправляемого смещения для устранения жесткого режима самовозбуждения и предусматривать меры по стабилизации временных соотношений [ 21]. Если применяемая элементная база не обеспечивает необходимые выходные уровни, то необходимо использовать преобразователи уровней.

4.3.6 Проектирование и расчет схем счетчиков и делителей частоты. Счетчики и делители частоты – распространенные узлы цифровой техники. В зависимости от задания выбирается схема суммирующего, вычитающего или реверсивного двоичного, двоично-десятичного или с заданным коэффициентом пересчета счетчика. Синхронные счетчики обеспечивают большее быстродействие, кроме того, при каскадировании ИМС счетчиков можно соединять различными способами. Наращивание разрядности может быть выполнение по схемам [ 19, с. 176, с. 185, 215; 24, с. 131 ]. Методы синтеза счетчиков с произвольным коэффициентом пересчета изложены в [ 18, с. 157 - 174]. Примеры построения счетчиков также приведены в [ 11; 20; 27 ]. Счетчики Джонсона рассмотрены в [ 18, с. 165; 24, с. 134 ]. В [ 19, с. 186, с. 216; 24, с. 133 - 142] рассмотрены принципы построения и схемы программируемых делителей. Дробный коэффициент деления можно получить в схеме [ 24, с. 141]. В случае необходимости получить большие значения коэффициента деления при высокой скважности выходных импульсов целесообразно использовать делители на ИЛЭ с времязадающими RC-цепями [ 21, с. 181, с. 206 ].

4.3.7 Построение схем АЦП и ЦАП. АЦП находят широкое применение в устройствах для ввода аналоговой информации в цифровую систему с ее последующей цифровой обработкой. Центральное место в проектировании занимает выбор АЦП, который производится в зависимости от параметров входного сигнала, а именно – частотного спектра, амплитуды и полярности. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации выбирается в два раза больше высшей гармоники. Амплитуда входного сигнала должна быть достаточной для нормальной работы АЦП, иначе (как в случае сигналов ЭКГ, ЭЭГ и др.) необходимы каскады предварительного усиления с достаточным подавлением синфазной помехи (см. п. 4.2). Если сигнал двухполярный, то необходим АЦП с двухполярным входом. Важным является выбор разрядности АЦП (если это не задано заранее). В зависимости от требуемого быстродействия выбирается также тип АЦП – последовательный, параллельный, с промежуточным преобразованием. Обязательным является проектирование схемы тактового генератора и расчет параметров ее элементов [ 23 ], а в случае необходимости - использование схем преобразователей логических уровне выходного сигнала АЦП (например, преобразование ТТЛ-уровней в ЭСЛ). Вопросы проектирования схем АЦП, а также их основные параметры и характеристики рассмотрены в [ 19 - 21; 24; 25 ].

ЦАП преобразуют цифровые коды в аналоговые величины – напряжение, ток, сопротивление. Наиболее распространены две схемы суммирования токов: параллельная и последовательная. Параллельная используется лишь при малом числе разрядов. В последовательной требования к точности резисторов намного меньше, поэтому имеет значительно большее распространение. Выбор конкретного типа ЦАП производится в зависимости от разрядности входного кода, допустимой погрешности, полярности выходного аналогового сигнала. При разработке схемы АЦП необходимо также выбрать тип используемых ключей двоичных разрядов. Вопросы проектирования ЦАП, а также их основные параметры и характеристики рассмотрены в [ 19 - 21; 24; 25 ].

4.3.8 Проектирование устройств индикации. Индикаторы применяются для отображения состояния цифровых устройств. Тип индикатора (газоразрядный, жидкокристаллический, светодиодный) выбирается исходя их назначения цифрового устройства и соответственно требованиям габаритов, энергопотребления, удобства использования. Особые требования предъявляются к графическим индикаторам, обычно применяемые в биомедицинских приборах. Они позволяют выводить не только алфавитно-цифровую, но и графическую информацию (например, ЭКГ). Составной частью устройства индикации должен быть декодер или контроллер (в случае графического индикатора). Для построения устройства индикации следует ознакомиться с существующими решениями и воспользоваться литературой [ 20, с. 128; 24, с. 196; 27; 40 ]. Возможно применение схем динамической индикации, вариант которой на счетчике и дешифраторе приведен в [ 19, с. 197 ].

4.3.9 Проектирование цифровых устройств бытовой и автомобильной электроники. К таким устройствам могут быть отнесены различные цифровые и аналого-цифровые бытовые и автомобильные приспособления. Возможные варианты схем "Цифровой печати", устройства для предотвращения подключения к чужой телефонной линии, ИК-приставок для управления бытовыми приборами, автомобильного цифрового тахометра, автосторожа и др. приведены в [ 20 ]. Также следует провести обзор современной периодической литературы, такой как журнал "Радио", "Радиоаматор", "Схемотехника" и др. При построении таких устройств необходимо построить функциональную (или структурную) схему исходя из назначения, выбрать элементную базу, привести электрическую схему и подробно проанализировать логику ее работы. Рассчитать параметры компонентов отдельных функциональных узлов (по указанию преподавателя), проанализировать с помощью ЭВМ и построить соответствующие временные диаграммы.