- •Минобрнауки россии
- •I sbn х-хххх-хххх-х ©сПбГэту «лэти», 2011 Техническое задание
- •1. Постановка задачи
- •1.1. Имитатор подвижного сигнала
- •1.2. Микропроцессор 1821вм85
- •2. Выбор и обоснование структурной схемы имитатора
- •2.1. Структурная схема имитатора
- •2.2. Расчет основных параметров имитатора
- •3. Выбор элементов принципиальной схемы
- •3.1. Выбор элементной базы
- •3.2. Синтез счетчика с тремя модулями пересчета
- •3.3. Синтез счетчика по mod м0
- •3.4. Синтез счетчика по mod м1i
- •3.5. Синтез счетчика по mod Мj
- •3.6. Контроллер клавиатуры
- •3.7. Приемопередатчик, обслуживающий внешние устройства схемы
- •3.8. Дешифратор адресов
- •3.9. Организация памяти
- •3.10. Дисплей
- •4. Создание макроэлементов в символьном редакторе
- •5. Инициализация микроконтроллера
- •6. Выполнение принципиальной схемы
- •7. Перечень элементов принципиальной схемы
- •Список литературы
- •Минобрнауки россии
- •«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
- •(СПбГэту)
- •Санкт-Петербург
- •201_ Г. Оглавление
- •Имитатор сигналов, отраженных от движущейся цели на бис Altera
- •197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5
3.2. Синтез счетчика с тремя модулями пересчета
Для реализации такого счетчика можно использовать макроэлементы 74161 (4-разрядный счетчик) и 7474 (два D-триггера с прямыми и инверсными выходными сигналами). Синхронная загрузка данных позволяет менять модуль пересчета изменением загружаемых данных dM = D3D2D1D0. Модуль пересчета двоичного 4-разрядного счетчика с такой загрузкой данных определяется соотношениями: M = 16 – dM, 0 dM 14, из которых следует, что dM = 16 – M, 2 M 16.
Рассмотрим синтез счетчика с переключением сигналами y1 и y2 трех модулей пересчета Mv = M0 – 1, M0, M0 +1 при M0 = 5 на двоичном 4-разрядном счетчике. Тогда загружаемые числа dM = 16 – Mv = 12, 11, 10. Из табл. 3.2 следует, что D3 = 1, , D1 = ,D0 = .
Управляющие сигналы y1 и y2 формируются с помощью двух схем временной привязки (СВП) входного сигнала управления к тактовому сигналуH, что необходимо для надежной работы синхронного автомата, каким и является счетчик с тремя модулями пересчета. Для увеличения быстродействия счетчика операция реализована с помощью одной из СВП без использования дополнительного ЛЭ. Длительность значений сигналовиравнаMvT0. Каждая из СВП реализована на двух D-триггерах (рис. 3.1), преобразующих переходы сигнала с 0 на 1 (= 1) в потенциальный сигнал
Таблица 3.2 | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
y1 |
y2 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
dM |
Mv |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
11 |
5 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
11 |
5 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
12 |
4 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
10 |
6 |
Таблица 3.3 | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
y1 |
y2 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
dM |
Mv |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
12 |
5 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
12 |
5 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
13 |
4 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
11 |
6 |
y1, сигнал же x2 не изменяется на интервале работы MvT0 , поэтому на вход триггера с выходомQ7 в этом случае следует подать сигнал .
Схему выполним на макроэлементах (МЭ) фирмы Altera, используя графический режим и используя макроэлементы (МЭ), предоставляемые папками Prim, Mf (megafunction), Edif (electronic design interchange format) и mega_LPM:74161. Двоичный 4-разрядный счетчик выполнен на макроэлементе 74161, а D-триггеры – на макроэлементе 7474 (два D-триггера с прямым Q и инверсным выходами; инверсные сигналы обозначаются какQN).
На рис. 3.1 представлена синтезированная схема; временные диаграммы, приведенные на рис. 3.2, поясняют работу счетчика. Пока сигнал = 0, в счетчик записывается число d = 11, и счетчик имеет 5 внутренних состояний: 11, 12, 13, 14 и 15, т. е. делит на 5. С каждым приходом сигнала = 1 в счетчик записываются числа d = 10 при x2 = 1 (= 0) илиd = 12 при x2 = 0 ( = 1), при этом происходит изменение коэффициента деления на 6 или на 4 соответственно.
В рассмотренном счетчике основное влияние на максимально допустимое значение частоты тактового сигнала H оказывают задержки в счетчике и ЛЭ НЕ сигнала переноса P4, а также задержка в триггерах, формирующих данные. Время переходных процессов в синхронных автоматах не должно превышать периода тактового сигнала, поэтому указанная задержка резко снижает максимальное значение частоты тактового сигнала. Для определения
Рис. 3.1. Счетчик с тремя модулями пересчета Mv= 4, 5 и 6 |
Рис. 3.2. Временные диаграммы работы счетчика по mod 4, 5, 6 |
граничной частоты тактового сигнала подсчитаем значения длительностей переходных процессов в схемах, формирующих сигналы = 0 и сигналы данных, загружаемых в счетчик (эти значения берутся при моделировании в пакете Max+plus II.Формирование сигнала = 0 (в наносекундах):
t з = t зP4 + t зНЕ = 7.4 + 5 = 12.4,
а формирование данных (в наносекундах):
t зD0,1,2 = t зP4 + t зТР = 7.4 + 2.8 = 10.2.
Наибольшее значение задержки в 12.4 нс ограничивает частоту тактового сигнала величиной fmax = 80 МГц. В табл. 3.4 представлены задержки, получаемые при временном анализе (Delay Matrix).
Таблица 3.4
Результаты временнóго анализа
Сигналы |
Выход | |||||||||
Вход |
|
LDN |
P4 |
Q0 |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Q5N |
Q7N |
CLK, нс |
|
7.4 |
7.4 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
|
7.8 |
7.8 |
X1, нс |
|
|
|
|
|
|
|
2.8 |
|
|
Используя результаты временного анализа (максимальная задержка формирования данных D2-0 составляет 7.8 нс), позволяет считать максимальную частоту работы делителя 120 МГц, хотя в результате анализа указывается частота 93.45 МГц, что можно объяснить лишъ тем, что имея два тактовых сигнала CLK и сигнал , анализатор при вычислении минимального периода тактовой частоты производит сложение величины задержки данных относительно сигнала CLK и задержки сигнала Q4 относительно сигнала . Поэтому граничную частоту следует считать равной 1/7.8 128 МГц.
Увеличить быстродействие счетчика с программируемым модулем пересчета можно с помощью дополнительного D-триггера [3], используемого для задержки сигнала переноса P4 на один такт (рис. 3.3). В этом случае модуль пересчета M определяется соотношениями [3]: M = 17 – dM, 0 dM 15, из которых следует, что dM = 17 – M, 2 M 17. Составив табл. 3.3, аналогичную табл. 3.2, легко получить
D3 = 1, D2 = ,D1 = y1y2, D0 = y1.
Полученным функциям соответствует схема счетчика на макроэлементах фирмы Altera на рис. 3.3. На рис. 3.4 показаны временные диаграммы работы такого счетчика. Запись числа в такой счетчик происходит в состоянии j = 0: при = 0 в счетчик записывается число d = 12 и M0 = 5, а при = 1 и x2 = 0 в счетчик записывается число d = 13, обеспечивая модуль M0 – 1 = 4, а при = 1 иx2 = 1 в счетчик записывается число d = 11, обеспечивая модуль M0 + 1 = 6.
Для определения граничной частоты подсчитаем длительность переходных процессов в схеме. Задержка формирования сигнала (в наносекундах) = 0
t з = t зТР = 2.8,
Рис. 3.3. Быстродействующий счетчик по mod 4, 5, 6 |
Рис. 3.4. Временные диаграммы работы быстродействующего счетчика по mod4, 5, 6 |
а задержка формирования данных (в наносекундах)
t зD0,1,2 = t зТР + t зТР = 2.8 + 2.8 = 5.6.
Граничная частота в этом случае определяется частотой работы самого счетчика и равна 160 МГц.
Таблица 3.5
Результаты временного анализа
Сигналы |
Выход | ||||||||
Вход |
LDN |
P4 |
Q0 |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Q5 |
Q7 |
CLK, нс |
2.8 |
7.4 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
|
7.8 |
7.8 |
X1, нс |
|
|
|
|
|
|
2.8 |
|
|
Однако результаты временного анализа, представленные табл. 3.5, показывают, что уменьшается задержка тактового сигнала загрузки данных с 7.4 до 2.8 нс, задержка же формирования самих данных остается такой же, как и в предыдущей схеме, т. е. 7.8 вместо 5.6 нс. Таким образом, включение дополнительного D-триггера не позволяет повысить граничную частоту выше 128 МГц.
Счетчик по mod 9, 10, 11. Для такого счетчика будем использовать реверсивный 4-разрядный счетчик и D-триггеры (макроэлементы 74169 и 7474), хотя можно использовать элементы 74161 и 7474. Для реверсивного счетчика в режиме вычитания M = d + 1 или M = d + 2 ( с дополнительным D-триггером). Из табл. 3.6 находим D0 = ,D1 = y1y2, D2 = 0, D3 = 1. По этим функциям построена схема на МЭ фирмы Altera, представленная на рис. 3.5, а на рис. 3.6 – временные диаграммы работы схемы.
Для вычисления граничной частоты определим длительность (в наносекундах) двух переходных процессов, формирующих сигналы = 0 и сигналы данныхDi :
t з = t зP4 = 7.4,
а формирование данных:
t зD0,1,2 = t зP4 + t зНЕ + t зТР = 7.4 + 5 + 2.8 = 15.2.
Наибольшее значение задержки в 15.4 нс ограничивает частоту тактового сигнала величиной fmax = 64.9 МГц.
Таблица 3.6 | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
y1 |
y2 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
dM |
Mv |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
10 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
9 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
10 |
11 |
Таблица 3.7 | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
y1 |
y2 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
dM |
Mv |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
10 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
10 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
7 |
9 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
11 |
Рис. 3.5. Счетчик по mod 9, 10, 11 |
Рис. 3.6. Временные диаграммы работы счетчика по mod 9, 10, 11 |
Таблица 3.8
Результаты временного анализа схемы рис. 3.5
Сигналы |
Выход | ||||||||
Вход |
P4 |
Q0 |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Q5N |
Q7N | |
CLK, нс |
7.4 |
7.4 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
|
7.8 |
7.8 |
X1, нс |
|
|
|
|
|
|
2.8 |
|
|
Результаты временного анализа схемы на рис. 3.5, представленные в табл. 3.8, позволяют определить граничную частоту работы схемы f = = 1/7.8109 128 МГц.
Для быстродействующего счетчика из табл. 3.7 находим
D3 = ,D2 = D1 = ,D0 = y1.
По схеме счетчика, представленной на рис. 3.7, определяем граничную частоту работы величиной 140 МГц (определяется длительностью переходных процессов): задержка формирования сигнала = 0 (в наносекундах)
t з= t зТР = 2.8,
Рис. 3.7. Быстродействующий счетчик поmod9, 10, 11 |
Рис. 3.8. Временные диаграммы работы быстродействующего счетчика по mod 9, 10, 11 |
Таблица 3.9
Результаты временного анализа схемы рис. 3.7
Сигналы |
Выход | ||||||||
Вход |
P4 |
Q0 |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Q5N |
Q7N | |
CLK, нс |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
2.8 |
|
7.8 |
7.8 |
X1, нс |
|
|
|
|
|
|
2.8 |
|
|
задержка формирования данных (в наносекундах):
t зD0,1,2 = t зТР + t зТР = 2.8 + 2.8 = 5.6.
На рис. 3.8 представлены временные диаграммы работы быстродействующего счетчика. Загрузка данных происходит в состоянии = 15 (Fh); при значении сигнала = 0 записывается число d = 8, тем самым задавая Mv = = M0 = = 10, а при = 1 записывается d = 7 или d = 9, что переключает Mv на 9 или 11.