СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Методические указания к лабораторным работам
Часть 2
Составитель:
Туляков В.С.
Владимир 2014
УДК 681.3.06
ББК 32.973
Рецензент:
кандидат технических наук, профессор
кафедры информационных систем и информационного менеджмента
Владимирского государственного университета
В.Ф. Романов
Рекомендовано к опубликованию, как электронное средство обучения, учебно-методическим советом кафедры «Вычислительной техники»
Схемотехническое проектирование цифровых устройств: метод. Указания к лабораторным работам. Часть 2 / Владим. Гос. Ун-т.; сост. В.С.Туляков.- Владимир: Изд-во Владимир. гос. ун-та, 2014.- 64 с.
Представляет четыре лабораторные работы, посвященные разработке цифровых устройств последовательностного типа, схемотехническому анализу базовых логических элементов, изучению буферных схем простых микропроцессоров, организации и применению последовательных приемо-передатчиков асинхронного и синхронного типа, а также организации и применению цифроаналоговых преобразователей.
Предназначены для студентов второго курса обучения по направлению подготовки 230100 – информатика и вычислительная техника, а также могут быть полезны студентам других специальностей, изучающим принципы создания цифровых электронных устройств.
ВВЕДЕНИЕ
Понятия: электротехника, электроника и схемотехника - неразрывно связаны с уровнем современного и будущего технологического развития, так как являются основой для создания цифровых устройств различного назначения. Успехи в электронике в значительной мере определяют прогресс промышленности и науке. Современная промышленная продукция, производственные линии, станки, бытовая аппаратура – насыщены электроникой. Необходимо отметить, что электротехника, электроника и схемотехника являются основой самой бурно развивающейся области инженерной деятельности в современном мире. Таким образом, формирование знаний у студентов в этой области необходимо для становления их, как специалистов способных решать задачи связанные с проектированием, созданием и эксплуатацией цифровой техники. В рамках дисциплины студенты должны освоить базовые цифровые и аналоговые компоненты и структуры электронных систем обработки информации, являющиеся основой для создания разнообразной аппаратуры, как в области вычислительной техники, так и в смежных областях: цифровой автоматике, измерительной технике, телекоммуникациях. Дисциплина предназначена для выработки у студентов навыков практического применения интегральных схем, умения выбирать интегральные схемы по различным критериям, формирования практических навыков в применения справочников и разработки структурных электрических, функциональных электрических и принципиальных электрических схем цифровых устройств по техническому заданию.
Данная работа является второй частью методических указаний к лабораторным работам к курсу «Схемотехническое проектирование средств вычислительной техники». Тематически методические указания часть 2 разделены на четыре лабораторные работы: первая работа связана с применением программы схемотехнического анализа для исследования схем базовых логических элементов ТТЛ; вторая работа посвящена разработке устройств на базе контроллеров параллельного и последовательного ввода вывода и портов микроконтроллеров; третья лабораторная работа посвящена разработке устройств ввода вывода с использованием UART и SPI, встроенных в микроконтроллер; четвертая работа посвящена изучению схем цифроаналоговых преобразователей и разработке на их основе прикладных устройств.
Каждая лабораторная работа содержит индивидуальные задания для студентов. Результатом выполнения каждой работы является разработка структурной электрической схемы, функциональной электрической схемы и принципиальной электрической схемы цифрового устройства в выбранном или заданном интегральном базисе по техническому заданию с применением программных средств.
Выполнение лабораторных работ способствует: выработки устойчивых навыков в использовании и поиске справочной литературы; формирование четких представлений о содержании технического задания на разработку электронной цифровой схемы; этапов разработки устройства; правил создания чертежных документов с использованием специализированных программ.
Лабораторная работа №5
Исследование параметров базового логического элемента ТТЛ
Цель работы: Освоение методики моделирования базового логического элемента и определение его параметров с помощью программы схемотехнического моделирования MicroCap8.
Пояснения к работе
Существует множество схемных решений базовых логических элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), которые являются основой для построения серийных микросхем. Многообразие схемных решение логических элементов позволяет достичь определенной комбинации доминирующих внешних параметров микросхемы: быстродействия, помехоустойчивости, экономичности, нагрузочной способности, коэффициента объединения по входу и других показателей. Например, на рисунке 1.1 показан базовый логический элемент ТТЛ для серии микросхем К155.
Рисунок 1.1 – Базовый логический элемент серии К155
Схема содержит три основных каскада: входной на много эмиттерном транзисторе Q1, реализующем функцию и, фазо разделительный каскад на транзисторе Q2 и выходной каскад на транзисторах Q3 и Q4 (три последних транзистора составляют инвертор). Рассмотрим, как работает данная схема.
При одновременной подаче на все входы транзистора Q1 сигнала высокого уровня напряжения переходы база-эмиттер закрыты, так как потенциал базы ниже, чем на эмиттерах. У коллектора транзистора Q1 потенциал при этом ниже, чем на базе и ток базы входного транзистора Q1 течет через резистор R1, его открытый переход база-коллектор в базу транзистора Q2 и базу транзистора Q4, открывая их. Потенциал коллектора открытого транзистора Q2 недостаточен, чтобы превысить необходимый порог для открытия транзистора Q3, который поэтому закрыт. Поэтому на выходе f напряжение равно напряжению открытого транзистора Q4 близкого к нулю вольт. Без диода D3 потенциал для запирания транзистора Q3 был бы недостаточен.
Если хотя бы на один из входов много эмиттерного транзистора Q1 подано напряжение низкого уровня, ток через R1, переход база-эмиттер течет на землю. При этом понижается потенциал базы до уровня открытого перехода база-эмиттер (примерно 0.7 вольт). Это напряжение ниже потенциала открытия транзистора Q2. Транзистор Q2 закрыт и напряжение на его коллекторе близко к напряжению источника питания. Поэтому транзистор Q3 открывается, а транзистор Q4 закрывается. И на выходе устанавливается напряжение равное разности напряжения питания и падения напряжения на R4, падения напряжения на переходе коллектор эмиттер Q3, падения напряжения на диоде D3 (примерно 3.5 В). Диоды D1, D2 предназначены для ограничения амплитуды импульсов напряжения помехи.
Для логического элемента различают статические и динамические характеристики и параметры. Пример статических и динамических параметров для микросхем серии К155 приведены на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Параметры логических элементов микросхем К155
Статические параметры можно получить из входной и передаточной характеристик. Входная характеристика – это зависимость входного тока от приложенного входного напряжения. Данная характеристика позволяет определить входные токи, а, следовательно, и условия согласованной его работы с источником сигнала. Пример передаточной характеристики показан на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Входная характеристика
Передаточная характеристика представляет зависимость напряжения на выходе от напряжения на входе. Входную характеристику можно получить, замкнув все входы кроме одного на шину питания, а на оставшиеся подают постоянное напряжение, меняя его от нуля до напряжения питания. Можно построить зависимость выходного тока от изменения входного напряжения или зависимость выходного напряжения от изменения напряжения на входе. Пример передаточной характеристики показан на рисунке 1.4
Рисунок 1.4 – Передаточная характеристика
По передаточной характеристике определяются такие параметры как помехоустойчивость, то есть значения сигналов помехи способные переключить логический элемент в противоположное состояние, области переключения и пороги переключения.
Динамические параметры логических элементов определяют его быстродействие через время задержки информации проходящей через логический элемент. Процесс изменения напряжения от низкого уровня к высокому называется положительным фронтом, а от высокого к нижнему - отрицательным. Они определяются временем нарастания (спада) выходного сигнала между его значениями от 0.1 до 0.9 (0.9 до 0.1) от максимального значения выходного сигнала. Это показано на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 – Зависимость между входным и выходным сигналом
Параметр 
- определяет время задержки переключения выходного сигнала из состояния единицы в ноль. Параметр 
- определяет время задержки переключения выходного сигнала из состояния ноль в единицу. Эти задержки обычно не равны друг другу. Поэтому для оценки задержки переключения обычно пользуются параметром называемым средним временем задержки. Этот параметр равен полусумме и .
Общая задержка цепочки однотипных логических элементов равна этой задержке умноженной на число элементов цепочки.
Задание
1. Изучить пояснение и приложение к лабораторной работе.
2. Выбрать вариант схемы согласно таблице 1.
3. Загрузить в компьютер программу MicroCap8.
4. Начертить принципиальную схему логического элемента согласно номера задания в редакторе MicroCap8. Задать параметры всех компонентов схемы из встроенной базы моделей компонентов. Пример показан на рисунке 1.27.
5. Провести анализ работы схемы с помощью программы. Получить передаточную, входную, переходную характеристики.
6. Вычислить время задержки переключения логического элемента.
Таблица 1 – Варианты схем базовых логических элементов
Приложение к лабораторной работе №5
Работа в среде MicroCap
Согласно задания разрабатываем модель принципиальной электрической схемы в средеMicroCap. При этом заменяя модели многоэмиттерных транзисторов на связки из нескольких транзисторов объединяя их эмиттеры и базы, согласно рисунку 1.6
Рисунок 1.6 – Многоэмиттерный транзистор.
При добавлении элемента на схему необходимо указывать его модель. Данное действие выполняется в окне свойств компонента. При добавлении компонента на схему оно будет отображаться по умолчанию. В данной лабораторной работе возможно использование любых моделей электрических компонентах. Рассмотрим выбор модели на примере. Из меню показанного на рисунке 1.7 - выбора компонентов, выбираем нужный компонент NPN транзистор.
Рисунок 1.7 – Меню выбора компонента
.
При добавлении компонента на схему открывается меню свойств компонента. Выбираем модель компоненту «NPN Транзистор».
Рисунок 1.8 – Меню выбора модели транзистора.
После размещения и предварительной установки номиналов электрической нагрузки необходимо выполнить приближения выходных уровней выходных сигналов к логическому нулю или логической единице. В ТТЛ логике эти уровни соответственно составляют: уровень нуля не более 0,4 В., уровень единицы не менее 2,4 В. Изменение выходного сигнала можно добиться путем изменения номиналов резисторов, включенных в схему.
Выполнение сборки схемы
В качестве опорного источника питания следует рассматривать источник ЭДС номиналом 5 В.
Устанавливаем параметры статического источника ЭДС (Battery).
Рисунок 1.9 – Меню выбора параметров источника.
В качестве нагрузки будем использовать компонент логический пробник.
Рисунок 1.10 – Меню выбора нагрузки.
В качестве задающего источника во время предварительной установки номиналов можно использовать «Цифровой переключатель» (Animated Digital Switch) или резистор, подключенный к постоянному источнику ЭДС. В данном случае в качестве задающего источника будет использован цифровой переключатель. Вывод переключателя подключается к одному из эмиттеров. К открытым (незадействованные) эмиттерам подключаются диоды, аноды диодов объединяются и подключаются на землю (Ground).
Для выполнения последующих видов анализа необходимо создать текстовую подпись проводника выхода. Для этого необходимо выполнить двойной щелчок ЛКМ по соответствующему проводнику и добавить текстовую подпись.
Рисунок 1.11
Вводим имя узла и подтверждаем ввод, нажав кнопку «Да». После установки текстовых подписей узлов схема готова к анализу характеристик.
Рисунок 1.12 – Общий вид схемы.
Общий вид схемы, подготовленной к анализу уровней выходного сигнала показан на рисунке 1.12.
Для просмотра текущих статических параметров цепи, в том числе уровня выходного сигнала в зависимости от внешнего воздействия необходимо выполнить динамический анализ по постоянному току. Для этого необходимо перейти в меню Анализ ->Динамический анализ по постоянному току (Dynamic DC).
Рисунок 1.13 – Меню видов анализа схемы
После установки внешней температуры будут отображены текущие значения токов и (или) напряжений.
Рисунок 1.14 - Установка параметров динамического анализа.
Установим схему в состояние логической единицы. Для этого подадим на все выводы эмиттеров уровень логического нуля.
Рисунок 1.15.
Установим схему в состояние логического нуля. Для этого подадим на один из эмитеров уровень логической единицы.
Рисунок 1.16.
Делаем выводы о соответствии выходного напряжения стандартам ТТЛ и заявленной логике работы схемы согласно полученному индивидуальному заданию.
После проверки соответствия статических характеристик согласно логике работы и стандартам ТТЛ необходимо выполнить рассчитать статические параметры полученной схемы на основании трех видов анализа.
· Входная характеристика – строится на основании зависимости входного тока (Iвх) от входного напряжения (Uвх) Iвх = f (Uвх).
· Передаточная характеристика – строится на основании зависимости выходного напряжения (Uвых) от входного напряжения(Uвх). Uвых = f (Uвх).
· Переходная характеристика – строится на временной оси и отражает зависимость выходного сигнала при единичном воздействии входного.
Для этого необходимо изменить схему, заменив «Цифровой переключатель» на источник напряжения. Для этого необходимо выбрать соответствующий элемент на панели компонентов.
После выбора компонента будет открыто диалоговое окно установки модели источника напряжения. Установите режим генерации меандра Square.
Рисунок 1.17.
После добавления источника напряжения на схему и подключения соответствующего вывода источника «+» к коллектору, а «-«на землю схема примет вид, показанный на рисунке 12.
Рисунок 1.18.
Для получения входной и передаточной характеристик необходимо воспользоваться меню «Анализ постоянному току (DC)».
Рисунок 1.19 – меню выбора типа анализа.
При выборе соответствующего пункта в меню «Анализ» будет отображено диалоговое окно задания параметров анализа. Для получения входной характеристики необходимо задать следующие параметры.
Рисунок 1.20 – Меню параметров анализа.
Где V2 - источник напряжения, подключенный к коллектору. Диапазон изменения задается в формате [[Максимальное значение], [Минимальное значение [Шаг]]
Выражение по оси Y – i(V2) означает, что в качестве значений отложенных по оси Y будут значения входного тока. Так как значения токов малы и составляют единицы или десятки миллиампер используем внутреннее обозначение системы MicroCap дольной единицы m, соответствующая приставке «милли».
При завершении установки параметров схемы получаем график зависимости входного тока от входного напряжения, где:
Ось Х - Входное напряжение;
Ось Y- Входной ток.
Рисунок 1.21 – Входная характеристика.
Анализируем полученный график в соответствии с методическим пособием и получаем значения входных токов схемы.
Завершим данный анализ, закрыв соответствующую вкладку в системе MicroCap. Для получения входной характеристики необходимо повторно выполнить анализ по постоянному току (DC), при этом задать следующие параметры:
Рисунок 1.22.
где v(out) напряжение на выходе схемы. Нажав кнопку «Запуск» получаем график зависимости выходного напряжения от входного, где:
- Ось Х - Входное напряжение на задающем источнике;
- Ось Y- Выходной напряжение.
Рисунок 1.23 – Передаточная характеристика.
Анализируем полученный график в соответствии с методическим пособием и получаем значения сигналов помехи способные переключить логический элемент в противоположное состояние, области переключения и пороги переключения.
Завершим данный анализ, закрыв соответствующую вкладку в системе MicroCap.
Для выполнения анализа переходных характеристик полученной схемы необходимо воспользоваться следующим видом анализа – «Анализ переходных процессов (Transient)».
Рисунок 1.24 – Меню выбора анализа переходных характеристик
После выбора соответствующего пункта меню будет отображено окно настройки параметров анализа. Необходимо заполнить поля в соответствии с предложенным вариантом.
Рисунок 1.25
Нажав кнопку «Запуск» получаем график переходных процессов схемы, где:
- Ось Х - Временная ось;
- Ось Y- Значение напряжения узла.
Рисунок 1.26 – Переходная характеристика.
Анализируем полученный график в соответствии с методическим пособием и получаем значения времени задержки переключения выходного сигнала из состояния единицы в ноль и из нуля в единицу.
Для удобства анализа, возможно, установить визуальные метки, активировав курсорный режим клавишей F8 или выбрав соответствующую кнопку в меню.
Рисунок 1.27 – Пример принципиальной схемы логического элемента ТТЛ в среде MicroCap8.
Контрольные вопросы
1. Поясните принцип работы базового логического элемента ТТЛ.
2. Какие динамические характеристики базового логического элемента вы знаете и какие параметры они определяют.
3. В чем заключается процесс моделирования логического элемента.
4. Перечислите статические и динамические параметры логического элемента.
5. Зачем необходим автоматизированный анализ работы схемы.
Лабораторная работа №6