Схемотехника ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схемотехника ЭВМ

Вариант №1

цепь помеха логический модуль

1. Паразитные связи цифровых элементов по цепям питания:

а) указать основные причины возникновения помех в цепях питания;

б) привести схему, поясняющую возникновение этих помех;

в) указать основные способы борьбы с этими помехами.

а) Системой электропитания электронных цифровх электронных схем является совокупность элементов генерирования, выпрямления, стабилизации и распределения электроэнергии. Различают первичную и вторичную системы электропитания. В первичную систему входят напряжение питающей сети, генераторы, аккумуляторы. Вторичная система запитывается от первичной и представляет собой преобразователи переменного тока в постоянный или постоянного в постоянный другого качества. Каждая система электропитания имеет схему распределения электроэнергии, конструктивно реализуемую шинами и монтажными проводами и кабелями.

Основными параметрами источников вторичного электропитания (ИВЭ) являются выходное напряжение, максимальный ток нагрузки, нестабильность выходного напряжения, КПД, надежность, масса, габариты. Серии ИМС и БИС (СБИС, УБИС) питаются напряжением 3 - 5 В различной полярности. Практически для сложной вычислительной электронной техники необходимо иметь 5 -10 независимых источников вторичного электропитания с током нагрузки 1 - 200 А. нестабильность напряжения питания логических узлов не должна превышать 5 - 10% номинального значения. Однако сложные цифровые системы работающие под воздействием помех, требуют нестабильность питающего напряжения 1 - 2%, аналоговые системы 0,04 - 0,05%.

Существуют феррорезонансная, линейная и импульсная схемы ИВЭ (рис.1).

Феррорезонансная схема является наиболее простой и дешевой, обеспечивает коэффициент стабилизации 20 - 25 и используется в электронной аппаратуре мощностью до нескольких киловатт. Недостатки схемы: значительная зависимость стабилизированного напряжения от частоты, искажение формы сигнала стабилизированного напряжения и большие магнитные поля рассеивания.

В схемах линейных источников вторичного электропитания избыточное регулируемое напряжение падает на гасящем линейном элементе (транзисторы, работающие в линейном режиме). Основное достоинство схемы: коэффициент стабилизации достигает нескольких тысяч, малое внутреннее сопротивление, возможность плавной регулировки выходного напряжения. К недостаткам следует отнести: низкий КПД (30-40%), относительно большая масса и размеры понижающего трансформатора, сглаживающего фильтра.

В импульсных схемах ИВЭ напряжение сети выпрямляется высоковольтным выпрямителем и поступает на регулируемый преобразователь, работающий на частоте 20 - 200кГц. Трансформируемое напряжение подается на низковольтный выпрямитель и сглаживается фильтром. Схема управления (СУ) стабилизирует напряжение на выходе ИВЭ. Применение импульсной схемы обеспечивает высокий КПД, превышающий 80%, малые габариты и массу. недостаток - сложность схемы и генерация помех в операционные схемы из-за относительно высокого внутреннего сопротивления ИВЭ.

Таким образом, рассмотрев основные конструктивные особенности источников питания, можно сделать вывод, что паразитные связи в электронных цифровых схемах могут возникать через внутреннее сопротивление источника питания или через паразитное активное сопротивление и индуктивность шины питания. При этом паразитные связи возникают через внутренние цепи электронной схемы. Влияние таких паразитных связей на параметры и устойчивость схем, как правило, не зависит от значений величин элементов внешних цепей, подключаемых к выводам электронной схемы, за исключением параметров самой цепи питания. Расчет допустимых значений внутреннего сопротивления источника питания и индуктивности шины питания затруднителен без знания принципиальной схемы логических узлов, номиналов входящих в нее элементов, входного и выходного сопротивлений и параметров каждого в нее входящего электронного узла.

Отметим, что паразитная связь через внутреннее сопротивление источника питания и питающие шины является наиболее распространенной. Обычно используется источник питания общий для ряда элементов и узлов, различающихся своей мощностью и помехоустойчивостью. Через внутреннее сопротивление источника питания протекают токи всех узлов. Через внутреннее сопротивление шины питания протекают токи всех, одного или нескольких последовательно подключенных элементов или узлов. Через цепь источника питания протекают токи всех частот, составляющих спектр сигнала источника наводки.

При наличии емкостных накопителей на выходе источника питания его сопротивление

Ж_ип. = 1 / щ ? С_ф.п.,

Где С_ф.п. - емкость фильтра на выходе источника питания.

Очевидно, что для низкочастотных составляющих сигнала сопротивление источника питания больше, чем для высокочастотных.

Поэтому наиболее мощные узлы обычно подключают ближе к источнику питания. В этом случае помеха на источнике питания:

U_ном. = ДI_и.ном. ? Ж_и.п. ДI_{и. ном.} / щ ? С_ф.п.,

Где ДI_{и. ном} - перепад тока наиболее мощного узла (элемента) - источника помех.

Попадание этой помехи на вход малосигнальных элементов и узлов может привести к ложному срабатыванию цифровой схемы. К подобному эффекту может привести помеха, возникающая при протекании тока по шине питания. Минимальные сигналы на входе логических модулей могут достигать долей микровольт. Построение источника питания, обеспечивающего подобный уровень помех, сложно и дорого. Поэтому обычно источник питания рассчитывают исходя из пульсации, допустимой для наиболее мощного электронного модуля или узла, а дополнительное сглаживание пульсаций осуществляют с помощью фильтров (это будем рассматривать в п. в.)).

б) Приведем схемы, поясняющие процесс возникновения помех в цепях питания (рис. 2, 3):

Обычно все виды паразитных связей делят на емкостные, индуктивные и кондуктивные. Емкостные и индуктивные паразитные связи осуществляются через поле, если источник помех отстоит от приемника на расстоянии меньшем длины волны л. Очевидно, что емкостные и индуктивные паразитные связи от источника питания можно совсем не учитывать. Поэтому для рассмотрения паразитных связей в нашем случае достаточно разобраться в схеме кондуктивной паразитной связи (рис.2,г) .

При кондуктивной паразитной связи помеха выделяется на сопротивлении связи Ж_общ., которое складывается из внутреннего сопротивления источника питания Ж_ип. И сопротивления шин питания Ж_шп.. Так как Ж_общ. обычно меньше сопротивления нагрузки Ж_н., то коэффициент кондуктивной связи будет:

К_Ж = Ж_общ. / Ж_общ. + Ж_н. Ж_общ. / Ж_н..

Величина Ж_общ. зависит от частоты сигнала, наводящего помеху. Для постоянного тока и очень низких частот это, в основном, сопротивление дросселей фильтра, диодов выпрямителя, внутреннего сопротивления химических источников питания; для звуковых частот - активное сопротивление шин питания, емкостное сопротивление конденсатора фильтра; на высоких частотах - индуктивное сопротивление шин питания и конденсаторов фильтра. На рис. 3 приведена расчетная схема помехи (паразитной связи) по шине питания.

Электроэнергия подводится к узлам и элементам электронной схемы по проводникам - прямым и обратным. Прямые проводники всех электронных схем называются шинами электропитания и выполняются в виде индивидуальных проводников, в большинстве случаев обратные проводники - в виде одного мощного проводника или металлического листа, называемого землей или шиной нулевого потенциала.

Надежная работа электронной аппаратуры будет обеспечена, если падение напряжения на шинах питания не превышает уровня критического для выбранной серии микросхем.

Эквивалентная схема на рис.3 позволяет рассчитать падение напряжения для любого вида разводки шин ( последовательной и петлевой). Для упрощения выводов будем считать, что токи I_п.э. равны, а также равны и сопротивления Ж_Д участков шин, между которыми подсоединены приемники электроэнергии (ПЭ). Не принимая во внимание падение напряжения (напряжение помехи) на земляной шине, получаем:

U_пом = I_п.э.• Ж_Д (1 + 2 + 3 +… + n) = I_п.э.• Ж_Д n (n + 1) / 2,

где n - количество ПЭ.

Ж_Д• n - представляет собой полное сопротивление шины питания. Полагая , что Ж_Д n = Ж_п•• l_ш, получаем

U_пом = I_п.э.• Ж_п •l_ш• (n + 1) / 2,

Где Ж_п , l_ш - погонное сопротивление и длина шины. Уменьшив сопротивление и длину шины питания, а также количество ПЭ, можно уменьшить уровень помех в любое число раз.

К кондуктивной связи относится связь через участки корпуса, по которому протекают блуждающие токи. Чем выше частота, тем больше вероятность такой связи.

в.) Рассмотрим основные способы борьбы с паразитными связями (помехами) в цепях питания.

Уменьшение кондуктивной связи осуществляется следующими мерами:

· исключением использования корпуса электронного узла или модуля и соединенных с ним элементов (лепестков, экранов и пр.) в качестве общей шины с нулевым потенциалом для различных сигнальных цепей;

· использование отдельных монтажных связей для малосигнальных и сильноточных цепей;

· уменьшением влияния внутреннего сопротивления источника питания и импеданса питающих шин;

· развязка цепей с помощью трансформаторов и фильтров;

· использование схем минимального быстродействия.

На рис. 4, 5 приведены схемы применяемых фильтров.

При использовании RС - фильтров (рис. 4) резистор выбирают из условия:

R_ф = U_ф / I_ф = (0,05…0,5)Е / I₀,

Где Е - э.д.с. источника питания;

I₀ - постоянная составляющая тока.

Коэффициент развязки: Ф_р = U_пом. / U_доп. ,

U_пом. - амплитуда помехи на входе фильтра;

U_доп. - допустимая амплитуда помехи на входе фильтра.

В этом случае емкость можно вычислить по формуле:

С_ф = / щR_ф .

Фильтры могут включаться как последовательно, так и параллельно (рис. 4), суммарный коэффициент развязки равен произведению коэффициентов последовательно включенных фильтрующих ячеек:

Ф_р = Ф_р1 Ф_р2 Ф_р3… Ф_рп ,

Часто в качестве R_ф выступает индуктивное сопротивление самой шины. При l_ш = 1см индуктивность проводника равна 0,01 мкГн. Тогда при частоте f = 5 • 10⁵ Гц сопротивление этого участка:

Ж_ш = щL = 6,28 ? 5? 10⁵ •0,01 •10^-6 0,3 Ом.

Практически всегда значение коэффициента развязки несколько ниже теоретически вычисленного, что обусловлено тем, что при расчетах не учитываются паразитные параметры монтажа фильтров. Для уменьшения влияния активного и индуктивного сопротивления конденсаторов, как правило, фильтрующие емкости состоят из параллельно включенных конденсаторов. Для уменьшения индуктивности соединительных шин фильтрующие ячейки располагают как можно ближе к защищаемому модулю или узлу.

При наличии помех одинаковой амплитуды и противоположной полярности иногда так строят электромонтаж схемы, что эти помехи складываясь, компенсируют друг друга.

Что касается шин питания, то уменьшив сопротивление и длину шины питания, а также количество ПЭ, можно уменьшить уровень помехи в любое число раз. Введением в схему нескольких шин, присоединенных к одному и тому же источнику помехи также снижаются, причем последние уменьшатся во столько же раз, во сколько увеличится число шин питания. Того же эффекта достигают введением между шинами питания и земли развязывающих конденсаторов, в точках подсоединения которых шина питания будет замкнута на землю по переменному току. Требуемая емкость развязывающего конденсатора:

С_р t²_ф • k_п / L_ш ,

- наименьшая длительность фронта импульсного сигналас;

k_п - кратность уменьшения помехи;

L_ш - суммарная индуктивность шин питания и земли от ИЭ до источника питания.

2. Дан универсальный логический модуль (УЛМ): Дать реализацию заданного УЛМ с использованием логических элементов. F = Х₁ Х₂ V Х₁ Х₂ Х₃ V Х₁ Х₂ Х₄ .

Решение:

Строим схему на стандартных логических элементах.

Рис.6 схема УЛМ в логических элементах.

3. Построить трех разрядный двоичный счетчик с последовательным переносом на базе J - К триггеров с динамическим управлением. Привести временную диаграмму его работы.

Данному счетчику соответствует диаграмма состоянии, коэффициент счета К_сч = 8:

Схема счетчика будет:

Рис. 7. Трехразрядный счетчик на J -К триггерах.

Составим временную диаграмму работы этого счетчика:

Рис. 8 временная диаграмма работы счетчика.

4. Привести схему включения программируемой логической матрицы (ПЛМ) для переключательной функции: F = х₁ х₂ V (х₁ х₂ V х₁ х₂) х₃ ,

Определить информационную емкость.

Решение:

В скобках стоит функция «исключающее ИЛИ».

Будем применять библиотеку цифровых элементов ячеек базовых матричных кристаллов (БМК), применяемых в САПР БИС, СБИС и УБИС.

Применим стандартные матрицы:

V1, V3, V4, W1, W7 и W15.

Рис.9. Схема в цифровых элементах ячеек матричных кристаллов.

Одна из наиболее известных мер информации была предложена Шенноном, который предложил определять количество информации по следующей формуле:

Н = - У р_i • log₂ р_i ,

р_i - вероятности, соответствующие выбору некоторого одного сообщения из множества всех допустимых сообщений, каждому из которых поставлена в соответствие некоторая вероятность.

В нашем случае:

__ __

F = х₁ х₂ V (х₁ х₂ V х₁ х₂) х₃ , тогда

В итоге получаем: р₀ = 1/2; р₁ = Ѕ и:

Н = 1/2• log₂ 2 + 1/2• log₂ 2 = 1/2 • 1 + 1/2 • 1 = 1 бит.

Размещено на Allbest.ru