Проектирование функциональных и принципиальных электрических схем узлов цифровых устройств

Цель и задачи курсового проекта

Курсовой проект по предмету” Микросхемотехника” является самостоятельной проектной работой студента и выполняется на 7 семестре обучения. Срок выдачи задания на первой неделе. Защита проекта на 8 неделе. Ориентировочные затраты времени на выполнение проекта составляют 30 часов. Целью курсового проектирования является проверка способностей студентов самостоятельно и творчески решать вопросы выбора методов расчета и проектирования узлов на базе современных серий интегральных микросхем. На первой неделе курсового проектирования руководитель должен сформулировать тему проекта, выдать технические задания на бланке, рекомендовать литературу. Помимо этого, преподаватель знакомит студента с рейтинг листом выполнения объема проекта в баллах в соответствие с календарными сроками.

Темой курсового проекта является, как правило, проектирование функциональных и принципиальных электрических схем узлов цифр устройств (регистров, счетчиков, сумматоров и др.), выполняющих заданные функции арифметические и логические операции, например операции вычитания и сложения чисел, преобразования в обратный код операции инвертирования чисел, логического сложения и др.

В качестве исключения отдельным студентам, имеющим хорошую подготовку, по усмотрению кафедры могут быть выданы курсовые, а также работы, связанные с практическим изготовлением лабораторных макетов, узлов и стендов экспериментальным исследованием.

Допускается выполнение проекта совместно двумя студентами с четким разделением работы между ними.

Этапы над проектом включают:-

-ознакомление с литературой и материалами по теме проекта

-сравнительный анализ различных вариантов построения функциональных схем проектируемого узла устройства по быстродействию, надежности и т.д.

-разработку или выбор наилучшего варианта функциональной схемы устройства в смысле требовании технического задания:

-выбор комплекса элементов и серии интегральных микросхем для построения проектируемого устройства, расчет основных параметров устройства, характеризующих его быстродействия, надежность, выполнения требований технического задания:

-экспериментальные разработки и исследования (если проводились)

-оформление пояснительной записки и выполнения графической части проекта.

II. Содержание пояснительной записки для курсового проекта

Расчетно-пояснительная записка начинается с титульного листа и включают;

1). Рецензия (1с.)

2).Задание на типовом бланке (1с.)

3).Введение (3-4с)

4).Основная часть (12-13с.)

4.1).выбор и описание функциональной схемы проектируемого устройства.

4.2).расчет параметров проектируемого устройства.

4.3).выполнение чертежей функциональных и принципиальных схем.

4.4).таблицы работы принципиальных схем.

4.5).временные диаграммы.

5).Заключительная часть.

5.1).список литературы

5.2).содержание

В скобках указаны ориентировочные объемы разделов в страницах.

2.1 Пояснение содержания рас четно- пояснительной записки.

2.11.На бланке задания фиксируется название темы,техническое задание на проект, содержание пояснительной записки и графической части. Бланк подписывается руководителям с пометкой даты выдачи задания студенту.

2.12. В введении показываются назначение и функциональные возможности разрабатываемого узла в составе цифровых устройств вычислительной техники. Подчеркивается важность разработки и проектирования узлов рассматриваемого типа. Дается теоретическое описание и характеристика разрабатываемых узлов.

3.В основной части приводятся методы расчетов, согласно задания на курсовой проект. Приводятся результаты сравнительного анализа возможных подходов к решению вопросов, поставленных в техническом задании, подчеркивается все особенности разработанной или выбранной функциональной схемы. Дается подробное описание логики работы функциональной схемы. Дается подробное описание логики работы функциональной схемы со ссылкой на ее временную диаграмму. И таблица работы схемы.

В этом разделе выбранная или разработанная схема подвергается анализу для определения номенклатуры элементов, структуры и типов триггеров (однотактных, двухтактных, двухступенчатых,RS, D, JK и т д, коэффициентов объединения по выходу элементов, удобства реализации схемы в том или ином логическом базисе (например на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) и т.д. Осуществляется выбор комплекса элементов и серии интегральных микросхем, наилучшим образом удовлетворяющих требованиям технического задания. Далее производится расчет основных параметров проектируемого устройства с учетов выбранных для его реализации серии интегральных схем. В заключении пояснительной записки студентом подводится итог проделанной работе. Подчеркивается соответствие выполненной работы техническому заданию.

4. В разделе «Литература» приводится перечень литературы с обязательным указанием аспектов библиографической части.

-фамилия и инициалы авторов

-название первоисточника

-издательства

-год издания

5.В содержании указывается начало разделов, содержание задания и номера страниц, соответствующих разделам.

На каждый литературный источник должна быть по крайне мере одна ссылка в тексте пояснительной записки. При ссылке на источник его порядковый номер по списку помещается в квадратных скобках в соответствующем месте текста записки.

Пояснительная записка оформляется в компьютерном варианте на одной стороне формата А4 и содержит 20-25 с. В отдельных случаях допускается и больший объем. С левой стороны листа оставляется поле широкой 25-мм,а с правой 10-мм.

Текст расчетно-пояснительной записки должен быть написан разборчиво, чисто, аккуратно и грамотно. Следует помнить, что формулы и результаты вычислений должен входить в текст только составной частью предложений, согласуясь с другими частями последних. В тексте не допускается сокращения (кроме «т.е» и «т.д») и должно использоваться общепринятые технически термины и определения. Любое буквенное выражение, впервые применяемое в тексте, должно быть расшифровано.

Должна также указываться размерность каждой величины в соответствии с международной системой единиц СИ.

Текст пояснительной записки, состоящей из отдельных разделов (глав) и параграфов, должен иметь сквозную нумерацию страниц, рисунков и таблиц.

В пояснительной записке вместе с вариантами разработки отдельных вопросов и описаниями схем, даются также необходимые рисунки в виде схем и графиков. Все рисунки рекомендуются выполнять на отдельных листках, а не в тексте. Допускается размещение нескольких рисунков на одном листе. На каждом рисунке должна быть по крайне мере одна ссылка в тексте записи.

Ссылки на листы графического материала, содержащиеся в записке, не допускается. Рисунки должны быть выполнены в компьютерном варианте с соблюдением ГОСТов, стандартов ЕСКД.

III.Содержание графической части курсового проекта

Графическая часть выполняется на компьютере, на формате А3.

1). Функциональная схема

2). Принципиальная схема

3). Элементы принципиальной электрической схемы

Каждый чертеж имеет рамку и штамп расположенный в нижнем углу. Все конструктивные части и электронные компоненты на чертежах даются в масштабах, а не условно.

3.1 Пояснения содержания графической части проекта.

1).Функциональная схема.

Функциональная схема выполняется в условных обозначениях элементов в соответствии с ГОСТ 2.743-82 и по правилам в соответствии с ГОСТ 2.708-81. Она содержит необходимые связи для реализации логики всех режимов работы проектируемой схемы.

На функциональной схеме могут отсутствовать элементы, которые не несут логических функций. Временная диаграмма строится, как правило по тактно, иллюстрируя последовательность устойчивых состояний, через которые должно пройти устройство под действием входных информационных и управляющих сигналов

2). Элементы принципиальной электрической схемы.

В зависимости от количества заданных для расчета элементов на листе изображаются 1-3 элемента. Компоненты электрической схемы изображаются в соответствии с ГОСТ 2.730-73,ГОСТ 2.708-81,а величины их указываются из схемы в цифровом выражении входных и выходных сигналов изображением реальных форм сигналов (время фронта спада, длительности, амплитуды и др.)

3) Принципиальная электрическая схема..

Процесс разработки принципиальной электрической схемы заключается в покрытии функциональной схемы конкретными микросхемами.

На принципиальной электрической схеме после выполнения процедуры размещения микросхем и трассировки меж соединений указываются типы микросхем, их конструктивные адреса в соответствии с позициями микросхем на ТЭЗ ах (типовой элемент замены),проставляются номера контактов выбранных разъёмов и другая вспомогательная информация, обеспечивающая однозначное соответствие функциональной, принципиальной электрических схем.

IV.3адания на курсовое проектирование

4.1 ЗаданиеN1.Тема: Дешифраторы

01.Разработать функциональную схему дешифратора на n=2входа и n²-4 выхода Ток 40 м А. Время задержки распространения сигнала 32нс.

02.Разработать функциональную схему двухступенчатого дешифратора на Звхода n=3 (высокоскоростной дешифратор).

Потребляемый ток 74м А. Время задержки распространения сигнала 12нс-09. Разработать функциональную схему дешифратора n=4..Потребляемый ток 56м А. Время задержки распространения сигнала составляет 36 нс.

03.Разработать функциональную схему дешифратора, позволяющего преобразовать четырехразрядный код поступающий на входы в напряжение низкого логического уровня,. Позволяющее на одном из выходов. Потребляемый ток 50 м А. Время задержки распространения сигнала 20 нс.

4.2 ЗаданиеN2.Тема: Много разрядные сумматоры

Разработать много разрядный комбинационный сумматор с регистрами слагаемых АиВ м результата. Число разрядов сумматора 6. Выбор функциональной схемы сумматора, способа переноса, базовых элементов и серий интегральных микросхем осуществить с учетом требований технического задания и обеспечения минимума объема оборудования.

4.3 Задание N3.Тема:Регистры

01.Спроектировать и рассчитать многорежимный буферный 16 разрядный регистр. Ток потребления 75мА. Время задержки распространение сигналов от 8 до 10нс. Тактовая частота 30мгц.

02. Спроектировать и рассчитать много разрядный буферный 8 разрядный регистр. Ток потребления 60мА. Тактовая частота 35мгц.

03. Разработать 8 разрядный регистр сдвига с последовательным входом и параллельными выходами на Д- 'триггерах. Выходной ток 63мА. Тактовая частота 20м гц.

04.Разработать схему регистра выполняющих операции логического умножения и логического сложения. Потребляемый ток 72мА. Тактовая частота 28 мгц.

4.4 Задание N4.Тема: Счетчики

01.Разработать вычитающий счетчик с параллельным переносом с принудительным начетом Ксч =99. Рассчитать среднюю частоту поступления средних импульсов и определить время установки.

02/Разработать двоично-десятичный вычитающий счетчик со сквозным переносом

Ксч=90 на JК-триггерах.

03.Разработать двоично-вычитающий счетчик с параллельным переносом с принудительным насчетом.

04.Разработать суммирующий счетчик со сквозным переносом с принудительным насчетом Ксч=90.Расчитать среднюю частоту поступления счетных импульсов и определить время установки.

05.Разработать суммирующий двоично-десятичный счетчик со сквозным переносом и принудительным насчетом Ксч=110.

Рассчитать среднюю частоту поступления счетных импульсов. Определить время установки.

06. Разработать двоично-десятичный суммирующий счетчик с параллельным переносом с принудительным насчетом Ксч=100 на JK-триггерах.

Рассчитать среднюю частоту поступления счетных импульсов. Определить время установки кода.

07.Разработать вычитающий двоично-десятичный счетчик с параллельным переносом с принудительным насчетом Ксч=120.

Рассчитать среднюю частоту поступления импульсов и определить время установки кода.

08.Разработать четырехразрядный реверсивный счетчик, двоично-десятичный. Потребляемый ток 102 м А. Тактовая частота25мгц.

V. Порядок защиты

При защите курсового проекта на изложение его сущности студенту предоставляется 10 минут. В своем докладе студент должен четко сформулировать поставленную перед ним задачу, произвести сравнительный анализ известных вариантов решение задач. При оценке выполненного курсового проекта преподаватель учитывает: степень творчества при работе над проектом и оригинальность принятых решении:

-качество выполнения расчетной -записи и графических материалов:

-содержательность и доходчивость доклада на защите проекта :

-правильность и полноту ответов студента на поставленные вопросы:

-активность студента в период курсового проектирования (планомерность выполнения графика работ, посещение консультации и т.д.)

VI.Список литературы

1.Букреев И.К, Максуров Б.М., Горячев В.И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М. Сов. радио 1995.

2.Основы построения технических средств ЭВМ.на интегральных микросхемах. (Под. ред. Б.Н.Файзуллаева).М. Радио и связь 1989.

3.Конструирование функциональных узлов ЭВМ на интегральных схемах (Под ред. Б.И.Ермолаева).М.Сов Радио 1994.

4.Схемотехника ЭВМ (Подредакц. Г.Н.Соловьева М. Высшая школа 1991..)

5. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники. ГОСТ2.708-81. ЕСТД.М.СТАНДАРТЫ,2000.

6.Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники ГОСТ2.730-73.ЕСКД.М.Стандарты,1982.

7.В.Морголис. Поиск и устранение неисправностей в персональных компьютерах 1995.

8.В.И.Шило.Популярные цифровые микросхемы. Москва. Радио и связь 1987.

VII. Содержание

1.Цель и задачи курсового проектирования

2.Содержание пояснительной записки для курсового проекта

3.Содержание графической части курсового проекта

4.Задания на курсовой проект

5.Порядок защиты

6.Список литературы

7.Содержание8.Приложения

VII. Расчетная часть

Задача минимизации по методу Квайна состоит в попарном сравнении всех импликант с целью выявления возможности поглощения какой-то переменной:

Fx V Fx = F (1)

Таким образом удаётся снизить ранг термов. Эта процедура проводится до тех пор, пока не останется ни одного члена, допускающего поглощение с каким-либо другим термом. Термы, подвергшиеся поглощению, отмечаются. Полученное логическое выражение не всегда оказывается минимальным. Поэтому исследуется возможность дальнейшего упрощения. Для этого составляется таблица, в строках которой записываются найденные первичные импликанты, а в столбцах указываются термы исходного уравнения. Клетки этой таблицы отмечаются в случае, если первичная импликанта входит в состав какого-либо терма.

A = 562897

f (x₁, x₂, x₃, x₄) = V (5, 6, 2, 8, 9, 7)

5 = 0101 = x₁ x₂ x₃ x₄

6 = 0110 = x₁ x₂ x₃ x₄

2 = 0010 = x₁ x₂ x₃ x₄

8 = 1000 = x₁ x₂ x₃ x₄

9 = 1001 = x₁ x₂ x₃ x₄

7 = 0111 = x₁ x₂ x₃ x₄

Этап 1, нахождение первичных импликант. Прежде всего составляется таблица и находятся импликанты четвёртого и третьего ранга, т. е. снижается ранг членов. Затем составляется другая таблица, которая включает все термы, не подвергшиеся поглощению, а также первичные импликанты третьего ранга. Составление таблиц продолжается до тех пор, пока нельзя применить правило (1).

Задача упрощения сводится к тому, чтобы найти такое минимальное количество импликант, которые покрывают все столбцы.

Таким образом, найдены первичные импликанты наименьшего ранга.

Этап 2. Расстановка меток. Составляется таблица, число строк которой равно числу полученных первичных импликант, а число столбцов совпадает с числом минтермов СНДФ. Если в некоторый минтерм СНДФ входит какая-либо из первичных импликант, то на пересечении соответствующего столбца и строки ставится метка.

Этап 3. Нахождение существенных импликант. Если в каком-либо из столбцов таблицы имеется только одна метка, то первичная импликанта в соответствующей строке является существенной, так как без нее не будет получено все множество заданных минтермов. В таблице существенными импликантами являются термы x₁ x₂ x₄, x₁ x₃ x₄ и x₁ x₂ x₃. Столбцы, соответствующие существенным импликантам, из таблицы вычёркиваются.

Этап 4. Вычеркивание лишних столбцов. После третьего этапа в результате вычеркивания столбцов получается другая таблица. Если в этой таблице есть два столбца, в которых имеются метки в одинаковых строках, то один из них вычеркивается. Покрытие оставшегося столбца будет осуществлять отброшенный минтерм. В примере такого случая нет.

Этап 5. Вычеркивание лишних первичных импликант. Если после отбрасывания некоторых столбцов на этапе 4 в таблице появляются строки, в которой нет ни одной метки, то первичные импликанты, соответствующие этим строкам, исключаются из дальнейших рассмотрений, так как они не покрывают оставшиеся в рассмотрении минтермы.

Этап 6. Выбор минимального покрытия. Выбирается в таблице такая совокупность первичных импликант, которая включает метки во всех столбцах (по крайней мере, по одной метке в каждом столбце). При нескольких возможных вариантах такого выбора отдается предпочтение варианту покрытия с минимальным суммарным числом букв в импликантах, образующих покрытие. Этому требованию удовлетворяют первичные импликанты x₁x₂x₄, x₁x₃x₄ и x₁x₂x₃.

Таким образом, минимальная форма заданной функции будет складываться из суммы существенных импликант (этап 3) и первичных импликант, покрывающих оставшиеся минтермы (этап 6):

f (x₁, x₂, x₃, x₄) = x₁x₂x₄ V x₁x₃x₄ V x₁x₂x₃.

B = 972035

f (x₁, x₂, x₃, x₄) = V (9, 7, 2, 0, 3, 5)

9 = 1001 = x₁ x₂ x₃ x₄

7 = 0111 = x₁ x₂ x₃ x₄

2 = 0010 = x₁ x₂ x₃ x₄

0 = 0000 = x₁ x₂ x₃ x₄

3 = 0011 = x₁ x₂ x₃ x₄

5 = 0101 = x₁ x₂ x₃ x₄

f (x₁, x₂, x₃, x₄) = x₁x₂x₃x₄ V x₁x₃x₄ V x₁x₂x₄ V x₁x₂x₄.

Булево выражение в дизъюнктивной нормальной форме получается введением символа операции ИЛИ. Упрощенное булево выражение имеет вид

АС+АВ=Y.

Очевидно, что это упрощенное булево выражение потребует для своей реализации значительно меньше электронных компонентов, чем исходное выражении. Интересно отметить тот факт, что столь не похожее на оригинал булево выражение, описывается той же самой таблицей истинности, что и исходное булево выражение. Существенно, чтобы карта Карно была составлена именно так, как показано на рисунке. Заметьте, что смещаясь вправо по верхней части карты на каждом шагу изменяется лишь одна переменная. Если карту Карно составить неправильно, она не будет давать ожидаемого эффекта.

Таблицы истинности для четырех переменных включают 16 возможных комбинаций. В связи с этим задача упрощения булевого выражения с четырьмя переменными кажется сложной, однако применение карты Карно облегчает эту задачу. Рассмотрим булево выражение f (x₁, x₂, x₃, x₄) = x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄. Карта Карно с четырьмя переменными, показанная на рисунке допускает 16 возможных комбинаций x₁x₂x₃x₄. Эти комбинации представлены соответственно 16 квадратами карты. Нанесем на карту шесть единиц, которые соответствуют шести членам в заданном булевом выражении.

X₃X₄ X₃X₄ X₃X₄ X₃X₄

Х₁X₂ 1

X₁X₂ 1 1 1

X₁X₂

X₁X₂ 1 1

Группы из двух и четырех единиц объединены контурами. Верхний контур из двух единиц дает возможность опустить x₂ и x₂. После этого в нем остается член x₁x₃x₄. Далее в среднем контуре опускаются x₃ и x₃, так что в результате этого средний контур дает член x₁x₂x₄. В нижнем контуре опускается x₄ и x₄, и получается член x₁x₂x₃. Наконец, члены x₁x₃x₄, x₁x₂x₄ и x₁x₂x₃ объединяем символом операции ИЛИ. Упрощение булево выражения в дизъюнктивной нормальной форме имеет вид

f (x₁, x₂, x₃, x₄) = x₁x₃x₄ V x₁x₂x₄ V x₁x₂x₃.

Для упрощения булевых выражений, с двумя, тремя и четырьмя переменными применяется общая процедура и одинаковые правила, и чем больше размеры объединяющих контуров, тем больше переменных можно опустить.

B = 972035

f (x₁, x₂, x₃, x₄) = V (9, 7, 2, 0, 3, 5)

9 = 1001 = x₁ x₂ x₃ x₄

7 = 0111 = x₁ x₂ x₃ x₄

2 = 0010 = x₁ x₂ x₃ x₄

0 = 0000 = x₁ x₂ x₃ x₄

3 = 0011 = x₁ x₂ x₃ x₄

5 = 0101 = x₁ x₂ x₃ x₄

f (x₁, x₂, x₃, x₄) = x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄ V x₁x₂x₃x₄

X₃X₄ X₃X₄ X₃X₄ X₃X₄

X₁X₂ 1 1 1

X₁X₂ 1 1

X₁X₂

X₁X₂ 1

В этом примере используется нестандартный способ построения контуров. Рассмотрим булево выражение, представленное выше. Шесть его членов представлены на карте Карно шестью единицами. На этом же рисунке показан правильный способ построения контуров. Карта Карно представляется в данном случае свернутой в цилиндр в котором левый ее край совмещается с правым. При этом в верхнем контуре опускаются члены x₃ и x₃. Упрощенное булево выражение имеет вид

f(x₁, x₂, x₃, x₄) = x₁x₂x₄ V x₁x₃x₄ V x₁x₂x₄ V x₁x₂x₃x₄.

Схемы и таблицы работы устройств, построенных по полученным упрощенным булевым выражениям, показаны в приложении к курсовому проекту.