Синтез комбинационной схемы свободной от состязаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

При выполнении данной курсовой работы будет произведено проектирование схемы свободной от состязаний.

Решению этой задачи отводится важная роль в проектировании цифровых устройств на интегральных микросхемах.

Развитие микроэлектроники, повышение степени интеграции базовых микросхем, используемых при проектировании дискретных управляющих устройств, привели к необходимости разработки новых методов синтеза дискретных структур. К важному классу дискретных структур относятся комбинационные схемы, математической моделью функционирования которых являются булевы функции.

Синтез комбинационных логических схем из сложных элементов базируется на теории декомпозиции булевых функций, основы которой были заложены в работах Шеннона, Поварова, Ашенхерста, Кертиса, Закревского, Карпа и Рота.

При разработке различных цифровых систем проектировщики часто сталкиваются с необходимостью синтеза комбинационных схем. Кроме комбинационных частей конечных автоматов, комбинационные схемы широко используются в качестве оригинальных функциональных узлов, функционирование которых не совпадает с работой стандартных функциональных узлов комбинационного типа.

Под комбинационной схемой понимается логическая схема, значения выходных сигналов которой в каждый момент времени полностью определяются значениями сигналов на её входах. Иногда говорят, что комбинационная схема - это конечный автомат с одним состоянием или последовательностная схема без памяти. Однако методы синтеза конечных автоматов и комбинационных схем значительно различаются между собой. Выходные величины комбинационных цепей завися только от текущего значения входных величин. После завершения переходных процессов в комбинационных цепях на их выходах устанавливаются выходные величины, на которые характер переходных процессов влияния не оказывает. С этой точки зрения переходные процессы для них не опасны. Но в цифровых устройствах в целом комбинационные цепи функционируют совместно с автоматами с памятью, что значительно изменяет ситуацию. Во время переходных процессов на выходах комбинационных схем появляются временные сигналы, не предусмотренные описанием работы комбинационной цепи и называемые рисками. Со временем они исчезают, и выход комбинационных цепей приобретает значение предусмотренное логической формулой, описывающей работу цепи.

Но эти риски могут быть восприняты элементами памяти автомата, что может привести к изменению работы цифрового устройства.

Различают статические и динамические риски.

Статические риски - это кратковременное изменение сигнала, который должен оставаться неизменным (единичным или нулевым, говорят о 1-риске или 0-риске.

Если при работе комбинационной цепи состояние выхода должно измениться, но вместо однократного перехода происходят многократные, то имеет место динамический риск. При динамическом риске первый и последний переходы всегда совпадают с алгоритмическими, предусмотренными логикой работы схемы. Статический риск такого свойства не имеет и поэтому считается более неблагоприятным.

Для исключения возможных сбоев в работе из-за явлений риска имеется два пути.

Первый состоит в синтезе схем, свободных от рисков, и требует сложного анализа процессов в схеме, введения избыточных элементов для исключения рисков.

Второй путь, основанный для современной схемотехники, предусматривает запрещение восприятия сигналов элементами памяти на время переходных процессов. Прием информации с выходов разрешается только специальным сигналом синхронизации, подаваемым на элементы памяти после окончания переходных процессов. Так исключается воздействие ложных сигналов на элементы памяти. Соответствующие структуры называются синхронными.

1. Проектировочный раздел

1.1 Назначение синтеза комбинационных схем

Комбинационная схема представляет из себя совокупность логических элементов соединенных определенным способом согласно поставленной задачи. Комбинационную схему можно построить для выполнения нескольких задач одновременно. Для этой цели служит задача синтеза.

Общая постановка задачи структурного синтеза комбинационной схемы заключается в построении оптимального в некотором смысле проектируемого узла (устройства), моделирующего закон функционирования цифрового автомата без памяти, представленного одной булевой функцией или системой булевых функций. К требованиям оптимальности могут быть отнесены: стоимость и сложность оборудования, быстродействие и надежность, однородность структуры, габариты и др.

Один из основных критериев получения оптимальной структуры проектируемой схемы - минимальность числа элементов, необходимых для ее реализации. Для комбинационных схем обеспечение этого критерия связано с представлением исходной булевой функции в минимальной форме.

После выполнения необходимой процедуры минимизации полученную минимальную форму исходной функции, формализующую работу комбинационной схемы, преобразуют в суперпозицию элементарных булевых функций (операторов), реализуемых выбранными ЛЭ.

Следующий этап синтеза - составление структурной схемы проектируемого устройства, которая является графическим отображением моделируемой булевой функции, выраженной в виде суперпозиции операторов ЛЭ. Структурная схема будет отражать связи между отдельными ЛЭ, представленными в виде условных обозначений. При этом должны выполняться требования правил взаимного соединения элементов, оговоренные техническими условиями на элементы.

На последнем этапе синтеза при технической реализации разрабатываемого устройства после решения вопросов усиления и временного согласования сигналов производится корректировка структурных схем. Для решения вопросов временного согласования сигналов необходимо учитывать условия правильного обмена информацией между элементами комбинационных схем: для повышения надежности устройства ввод новой информации осуществляется только после установления переходных процессов в элементах после действия сигналов предыдущей информации. Кроме того, для случаев, когда длительность сигналов существенно ограничена, предъявляют высокие требования к одновременной передаче на входы элемента сигналов, с предыдущих каскадов.

В случае, если задержка сигналов на предыдущих каскадах была неодинакова, для ее выравнивания применяют специальные линии задержки.

Многовыходная комбинационная схема реализует несколько булевых функций, число которых равно числу выходов схемы. Она может быть построена:

а) путем независимой реализации каждой булевой функции (такое построение схемы во многих случаях неэкономично).

б) в случаях, когда заданные функции имеют общие члены, можно произвести их совместную минимизацию и добиться сокращения общего числа ЛЭ для построения схемы:

1) способом, основанным на выражении одной функции через другую.

2) способом определения в МДНФ нескольких функций общих составляющих, из которых образуется промежуточная функция. Последняя может быть реализована только один раз и использована при построении нескольких булевых функций.

в) В некоторых случаях можно достичь упрощения исходных функций, применяя способ, основанный на использовании построенной функции в качестве дополнительной входной переменной при построении другой функции. В качестве исходной функции принимается та, которая допускает наиболее простую реализацию.

г) Значительного упрощения многовыходной схемы можно достичь, применяя метод каскадов, когда часть элементов схемы используется одновременно для реализации нескольких функций. Этот метод эффективен, например, при построении дешифраторов пирамидального и прямоугольного типов.

1.2 Сравнение обобщенных параметров цифровых микросхем

Основными параметрами, позволяющими производить сравнение базовых ЛЭ различных серий, являются время задержки распространения сигнала, потребляемая ЛЭ мощность Рсс и работа переключения - произведение потребляемой мощности на время задержки А = Рисс. Работа переключения обычно выражается в пикоджоулях, если мощность потребления - в милливаттах, а задержка распространения сигнала - в наносекундах. При сравнении базовых ЛЭ чаще всего используют типовые значения параметров. По величине работы переключения и числу ЛЭ на кристалле можно судить об уровне развития технологии и схемотехники цифровых микросхем.

Сравнение различных серий, выпускаемых отечественной; промышленностью, показывает, что наименьшая работа переключения для биполярной технологии достигнута на ИС КР1533, а для КМОП-технологии - на КР1554. Еще более впечатляющие результаты получены с использованием арсенида галлия - ИС К6500.

Использование диодов Шотки и усовершенствованной технологического процесса, в том числе применение изопланарной технологии, позволило уменьшить потребляемую мощность и времена задержек и создать маломощные (533, К555 КР1533) и быстродействующие (530, КР531, КР1531; ТТЛШ ИС.

Дальнейшее усовершенствование КМОП-технологии, со здание транзисторов с длиной канала 1,2 мкм позволил разработать новую микромощную серию ИС КР1554 с быстро действием до 125 МГц. Аналогичным для быстродействующих биполярных ТТЛШ ИС. Однако малая потребляемая мощность таких схем характерна на частотах до 10…30 МГц С увеличением рабочей частоты переключения КМОП ИС растет динамическая потребляемая мощность. На частотах выше 10 МГц мощность потребления возрастает и становится соизмеримой с мощностью потребления ТТЛШ ИС.

Наибольшее быстродействие в биполярных схемах на кремнии достигнуто на ЛЭ ЭСЛ-типа, однако работа переключения таких микросхем довольно велика из-за большой - мощности потребления. Минимальное время задержки, полученное в ЭСЛ ИС (К1500), составляет 0,7 нс/ЛЭ при мощности потребления 40 мВт.

Сверхвысокое быстродействие при малой мощности потребления удалось достичь в микросхемах на арсениде галлия. Работа переключения ЛЭ таких схем составляет десятые доли пикоджоуля при, быстродействии 100…150 пс. Снижение работы переключения цифровых микросхем различных схемотехнических решений за последнее десятилетие составило несколько порядков. Минимальные топологические размеры, реализованные микросхемах, близки к предельно достижимым значениям, поэтому дальнейший прогресс в микроэлектронике возможен в результате

1.4 Разработка принципиальной схемы блока

1.4.1 Выбор элементной базы, на основе которой будет производиться реализация данного блока

Выбор элементной базы производится исходя из задания на разработку и тех критериев (быстродействие, надежность и т.д.) которым должен соответствовать проектируемый блок.

Для конкретного выбора элементной базы необходимо рассмотреть несколько различных серий микросхем.

Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре получили серии микросхем ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и схемы на КМОП - структурах. Опыт показал, что эти цифровые микросхемы отличаются лучшими электрическими параметрами, удобны в применении, имеют более высокий уровень интеграции и обладают большим функциональным разнообразием.

Составим таблицу, в которой дудут представлены параметры выше указанных логик (Приложение А, Таблица 1). Из данной таблицы выберем более подходящую логику для реализации блока данной курсовой работы.

Проанализировав таблицу и сопоставив данные с заданием, можно сказать, что для реализации данного блока предпочтительно использовать быстродействующие серии ТТЛШ и ЭСЛ, КМОП. Недостатком ЭСЛ является их повышенная потребляемая мощность.

Отметим также, что цифровые микросхемы ТТЛШ остаются основой построения вычислительных устройств, а так же эта серия отличается наибольшим диапазоном выбора микросхем. Широкое применение получили микросхемы, в которых используются диоды и транзисторы с эффектом Шотки. Использование диодов Шотки позволило уменьшить потребляемую мощность и время задержек.

К достоинствам ТТЛ микросхем можно отнести высокий уровень схемно-технологической отработанности, и, как следствие, высокий процент выхода годных микросхем. Также микросхемы ТТЛШ отличает широкий функциональный набор элементов.

Рассмотрим сравнительные характеристики для микросхем ТТЛШ более детально (Приложение А, Таблица 2).

Проанализировав серии микросхем ТТЛШ, для реализации функционального узла выбираем микросхемы серии КР 1533.

1.4.2 Разработка принципиальной схемы

Основываясь на уравнения работы цифрового устройства, необходимо выбрать нужное количество микросхем, на основе которых будет реализован блок.

В базисе «И-НЕ»

1	1х4х2	И-НЕ	ЛА1
2	3х2х4	И-НЕ	ЛА3
3	1х3х3	И-НЕ	ЛА4

1.3 Логический расчёт последовательной схемы, свободной от состязаний

Исходные данные

Y1 =X₁X₂+X₁X₂

Y2 =X₁Y₂+X₁X₂+X₂Y₁Y₂ +X₂Y₁Y₂

Z =Y₂

Проанализировав исходные уравнения, строим карты Карно для Y₁ и Y₂ - внутренних следующих состояний и Z - выхода:

	00	01	11	10
00	1		1
01	1		1
11	1		1
10	1		1

	00	01	11	10
00		1	1	1
01	1	1		1
11	1	1	1	1
10		1		1

	00	01	11	10
00	1	1	1	1
01
11
10	1	1	1	1

Строим кодированную таблицу переходов последовательной схемы из устойчивого состояние в следующее внутреннее устойчивое состояние:

	00	01	11	10	Z
00	10	01	11	00	1
01	11	01	10	00
11	11	01	11	00
10	10	01	10	00	1
	У1У2	У1У2	У1У2	У1У2

Переходим от кодированной таблицы работы последовательной схемы к не кодированной: При этом а=00, b= 01, с= 11, d=10.

BxC	a	b	с	d	Z
a	d	b	c	a	1
b	c	b	d	a
с	c	b	c	a
d	d	b	d	a	1

Проводим анализ полученных переключений последовательной схемы.

а) Определим динамические состязания:

Динамическое состояние возникает в том случае, если в схеме наблюдается неодновременный переход (переключение): Y₁-» у₂ Y₂ -» У₂, что может вызвать неправильное переключение в последовательной схемы, т.е. приведет к неправильной работе схемы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из схемы видно, что при переключении последовательной схемы из:

00 -» 11 11 -» 00 возникает состязание 2-х знаков, т.е. возникает динамическое состязание

б) Избавимся от динамического состязания.

Для того, чтобы избавится от динамического состязания знаков, произведём следующие изменения: с= 11, и d=10 поменяем местами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из схемы видно, что благодаря перестановки c «-» d, мы избавились от динамических состязаний в схеме.

В не кодированной таблице работы последовательной схемы внесём соответствующие изменения согласно п. 1.4.5 б), т.е. заменим: c «-» d и приведем к правильному ввиду, поменяв местами строки c и d

ВхС	a	b	с	d	Z
a	с	b	d	a	1
b	d	b	c	a
с	d	b	d	a
d	c	b	c	a	1

Переходим от не кодированной таблицы работы последовательной схемы к кодированной. При этом а= 00, b= 01, с= 10, d=11.

	00	01	1 1	10	Z
00	11	01	10	00	1
01	10	01	11	00
11	10	01	10	00
10	11	01	11	00	1

Переходим от не кодированной таблицы работы последовательной схемы к картам Карно:

	00	01	11	10
00	1	0	1	0
01	1	0	1	0
11	1	0	1	0
10	1	0	1	0

	00	01	11	10
00	1	1	0	0
01	0	1	1	0
11	0	1	0	0
10	1	1	1	0

	00	01	11	10
00	1	1	1	1
01
11
10	1	1	1	1

Произведя минимизацию, получаем итоговые уравнения работы последовательной схемы:

а) В базисе «ИЛИ-НЕ»:

б) В базисе «И-НЕ»:

На основании полученных логических уравнений Y₁, Y_2, Z строится принципиальная схема.

2. Конструкторско-технологический раздел

2.1 Выбор и обоснование способа изготовления печатной платы

В настоящее время применяют несколько методов изготовления ПП:

- субтрактивные, при которых проводящий рисунок образуется за счет удаления проводящего слоя с участков поверхности, образующих непроводящий рисунок;

- аддитивные, при которых проводящий рисунок получают нанесением проводящего слоя заданной конфигурации на диэлектрическое основание платы;

- полуаддитивный, при котором проводящий рисунок получают нанесением проводящего слоя на основание с предварительно нанесенным тонким проводящим покрытием, впоследствии удаляемым с участков поверхности, образующих непроводящий рисунок;

В соответствии с ГОСТ 23751-86 конструирование печатных плат следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления:

- химического для односторонних печатных плат и гибких печатных кабелей;

- комбинированного позитивного для ДПП, ГПП;

- электрохимического (полуаддитивного) для ДПП;

- металлизации сквозных отверстий для МПП;

Все рекомендуемые методы (кроме полуаддитивного) являются субтрактивными.

Химический метод или метод фольгированного диэлектрика заключается в том, что на медную фольгу, приклеенную к диэлектрику, наносят позитивный рисунок схемы проводников. Последующим травлением удаляется металл с незащищенных участков и на диэлектрике получается требуемая электрическая схема проводников.

Наиболее распространенными вариантами этого метода являются фотохимический и сеточно-химический, которые отличаются способами нанесения защитного слоя (фотопечать или трафаретная печать).

Основными этапами получения проводников являются подготовка поверхности, нанесение слоя фоторезиста, удаление фоторезиста.

Электрохимический метод заключается в нанесении на плату кислостойкой краской негативного рисунка схемы. Участки платы, не защищенные краской и соответствующими покрытиями, которые соответствуют будущим проводникам, металлизируются химическим, а затем электрохимическим способом.

Данный метод применяют для изготовления ДПП с высокой плотностью токопроводящего рисунка.

Основное отличие от комбинированного позитивного метода заключается в использовании нефольгированного диэлектрика СТЭФ.1-2ЛК с обязательной активацией его поверхности или диэлектрика слофодит с фольгой 5 мкм.

В зависимости от способа нанесения рисунка схемы возможны различные технологические варианты рассматриваемого метода: фотоэлектрохимический, сеточно-электрохимический и др.

Наиболее рационально использовать комбинированный позитивный метод печатного монтажа. Позитивный комбинированный метод обеспечивает Ш-й класс точности печатного монтажа и лучшие, по сравнению с другими методами, диэлектрические свойства плат.

Этот метод применяют для изготовления ДПП и ГПП с металлизированными отверстиями на двустороннем фольгированном диэлектрике. Проводящий рисунок получают субтрактивным методом, а металлизацию отверстий осуществляют электрохимическим методом. Поверхность обоих сторон платы и отверстия подвергают химическому и предварительному гальваническому омеднению для получения слоя меди толщиной 5…7 мкм. После подготовки металлизированных поверхностей на них создается негативное изображение схемы проводников. Это изображение может быть получено с помощью сеткографической краской или сухого плёточного фоторезиста.

На наружные поверхности, не защищенные резистивной маской, и в отверстия осаждается слой меди, толщина которого в отверстиях должна быть не менее 25 мкм. Гальваническое осаждение меди выполняется на заготовке платы, имеющей сплошной слой фольги, которая защищает поверхность диэлектрика и обеспечивает электрический контакт всех элементов схемы.

Металлизированные поверхности покрываются защитным слоем сплава «олово-свинец», толщина которого не менее 10 мкм. Покрытие этим сплавом хорошо защищает медь от травления, и после нанесения этого покрытия участки медной фольги, покрытые ранее фоторезистом, удаляются травлением.

После травления на плате остается требуемый рисунок схемы, образованный облуженной медной фольгой.

Изображение проявляют под душем при 1=40…508°С с легким протиранием поверхности губкой. Процесс проявления ускоряется при наложении ультразвуковых колебаний.

Удаление продуктов растворения осуществляется акустическими течениями, что ускоряет процесс проявления во много раз.

При этом плата меньше находиться в растворе. Проверка после проявления осуществляется внешним осмотром.

Основное преимущество позитивного метода заключается в снижении вредного воздействия химических растворов на изоляционное основание, которое закрыто слоем меди и не подвергается загрязнением. При этом методе исключается и обеспечивается хорошая адгезия проводников.

На основании вышесказанного, всех достоинств и недостатков методов получения печатных плат наиболее рациональным методом является комбинированный позитивный. Его и необходимо использовать для изготовления печатной платы.

Следует отметить, что кроме позитивного метода существует и комбинированный негативный, но его использование более ограничено. [4]

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений, для изготовления двусторонней печатной платы позитивным комбинированным способом выбираем фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35.

2.2 Выбор и обоснование монтажа печатной платы

В настоящее время применяют для монтажа изделия различные способы групповой пайки. Но наиболее широкое применение получили два способа: пайки погружением в расплавленный припой и пайка волной припоя.

При всех способах групповой пайки процесс начинается с подготовки поверхности печатной платы, которая заключается в зачистке мест пайки и обезжиривание.

Защита участков платы, не подлежащих пайке, осуществляется маской из бумажной ленты, пропитанной костным клеем. Маску приклеивают к плате так, чтобы места пайки не выходили за пределы отверстий в маске.

Вместо бумажной маски применяют слой краски, наносимой через сетчатый трафарет. Следующим этапом является нанесение флюса и подогрев платы, который удаляет влагу и уменьшает термический удар в момент погружения платы в расплавленный припой. Испарение влаги уменьшает разбрызгивание припоя и образование газов, приводящих к пористым соединениям.

Процесс пайки установленных на плате элементов заключается в нанесении расплавленного припоя на обработанные флюсом поверхности. При пайке погружением плату помещают в кассету и погружают в расплавленный припой на половину толщины платы. Затем включают вибратор, что создает условия для проникновения флюса и припоя.

Время выдержки при температуре припоя 240°С составляет 6… 11 с, а при температуре 250°С - 4…8 с.

Ванны для припоя оснащают терморегуляторами, поддерживающими температуру припоя в заданных пределах, и реле времени со звуковой сигнализацией. Нагревательные элементы обеспечивают более интенсивный нагрев дна ванны. В этом случае

благодаря естественной конвекции в жидком припое будет происходить непрерывное его перемешивание, обеспечивающее однородность состава припоя во всем объеме ванны. По окончанию пайки плату извлекают из припоя и, не выключая вибратор, выдерживают над ванной 5…7 с.

Недостатками пайки погружением являются коробление платы вследствие температурных деформаций, необходимость поддержания постоянной высоты уровня припоя в ванне и быстрое окисление расплавленного припоя.

Повышенное коробление ограничивает применение этого метода для плат размером до 150 мм.

Учитывая вышеперечисленные недостатки, а главным образом тепловые воздействия, использование пайки методом погружения нерационально для данного проектируемого изделия. Наиболее рационально правильным будет являть использование пайки волной припоя.

Пайка волной припоя представляет собой процесс, при котором нагрев паяемых материалов, перемещаемых над ванной, и подача припоя к месту соединения осуществляется стоячей волной припоя, возбуждаемой в ванне. Под стоячей волной понимается состояние среды, при которой расположение максимумов и минимумов перемещений колеблющихся точек среды не меняется во времени.

При пайке волной припоя устраняется возможность быстрого окисления припоя и температурных деформаций платы. В ванне находиться припой, расплавленный нагревателем.

Печатная плата проходит по гребню волны, которая создается подачей припоя через сопло определенной формы валом с крыльчаткой.

Постоянный контакт платы с припоем обеспечивает быструю передачу теплоты, что сокращает время пайки.

Пайка струёй припоя является разновидностью метода пайки волной припоя. При этом происходит более интенсивное перемещение.

2.3 Расчет потребляемой мощности

Для построения принципиальной схемы синтезируемой комбинационной схемы необходимо применить 1 микросхемы 2И-НЕ КР1533ЛА1 и 3 микросхемы 4И-НЕ КР1533ЛА3, 1 микросхема 3И-НЕ КР1533ЛА4.

Суммарная мощность устройства равна сумме произведений мощности микросхемы определенного типа на количество таких микросхем.

Мощности микросхем, входящих в устройство указаны в таблице 2.1.

Таким образом, потребляемая мощность равна:

Р= 8*3+6*1+10*1 = 40 мВт.

Таблица 2.1 - Мощность используемых в регистре микросхем

Тип микросхемы	Потребляемая мощность, мВт	Количество, шт.
К1533ЛАЗ	8	3
К1533ЛА4	6	1
К1533ЛА1	10	1

В справочных данных по микросхемам указаны максимальные значения мощности, значит потребляемая регистром мощность не более 40 мВт.

Заключение

Задание, указанное в курсовом проекте было выполнено. Проектируемое устройство было реализовано на элементной базе.

Были рассмотрены конструкторско-технологические решения, которые заключались в выборе способа изготовления и монтажа печатной платы.

По аналогии с рассмотренным синтезом комбинационных схем осуществляется построение устройств для более сложных и больших комбинационных схем.

Литература

схема комбинационный булевый автомат

1. Дроздов В.Г. Проектирование цифровых устройств на интегральных микросхемах. Мн.: МГВРК, 2002

2. Охрана труда в радио- и электронной промышленности: Учебник для техникумов. / С.П. Павлов, Л.С. Виноградов и др. М.: Радио и связь, 1985

3. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / М.И. Богданович, И.Н. Грель, С.А. Дубина и др. Мн.: Беларусь, Полымя, 1996

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХП-Петербург, 2004

5. Уэркейли Дж.Ф. Проектирование цифровых устройств Москва, 2002

Размещено на Allbest.ru