3.3 Разработка принципиальной схемы

Этот вид проектных работ относится к техническому проектированию и заключается в выборе элементной базы объекта проектирования (ОП).

Требуется выбрать типо-номиналы всех «элементов», на которых будет реализовано устройство: микросхем, полупроводниковых приборов; резисторов; конденсаторов; коммутационных элементов (кнопки, ключи, переключатели) и т.д. Так как на курсовой проект по ЦСТ заданы в качестве основных серий ИМС ТТЛ и, совместимые как электрически, так и конструктивно ИМС ТТЛШ. В свою очередь это означает: Все элементы должны обеспечивать нормальную работу в технических условиях применения микросхем ТТЛ и ТТЛШ: напряжение питания 5В; уровни сигналов логического нуля не более 0.4 В; уровни логической единицы не менее 2.4 В; коэффициент разветвления по выходу – 10 (номинальный) [5,6,7].

Принципиальная схема разбивается на основе функциональной. Для этого, в соответствии с ФС, выбрать типы ИМС и определить способ их включения с целью реализации требуемой функции.

Если функциональный модуль (элемент) является комбинационным, то необходимо выбрать ИМС логических элементов и соединить их между собой так, чтобы выполнялась функция модуля. Фактически эта задача сводится к функциональной декомпозиции, при которой базисным будут функции, реализуемые конкретной микросхемой. Например, требуется сумматор по модулю 2 на 5 входов. Непосредственно таких ИМС в серии К155 нет, но есть ИМС К155ЛП5, в которой содержится 4 2-входовых элементов «Исключающее ИЛИ». Соединяя последовательно выходы элементов со входами других, получить такой сумматор просто. Практически же вариантов реализации может оказаться несколько. Необходимо выбрать вариант, требующий минимум ИМС, а если число корпусов ИМС одинаково, то вариант, при котором требуется минимум электрических соединений. (Тогда затраты на изготовление печатных плат будут меньше).

В случае последовательностных модулей прежде всего следует определить режим работы, в котором используется модуль, - непрерывный (автоколебательный) либо старт-стопный (с «ожиданием» входных сигналов). Затем выбрать ИМС аналогичного функционального назначения, допускающие возможность требуемых режимов, и обеспечить их соответствующим включением ИМС. То есть определить, на какие выходы надо подавать входные сигналы, какие входы следует соединить с шинами логического нуля (лог.0) или логической единицы (лог.1) какие выходы ИМС будут выходами модуля, а какие выходы следует соединить со входами других ИМС.

Так для выше упомянутого 12-разрядного двоичного счетчика можно выбрать ИМС К155ИЕ7, представляющую собой 4-разрядный двоичный реверсивный счетчик с возможностью предустановки и сброса. Из трех таких ИМС, соединив выход « 0» предыдущей со входом «-1» последующей микросхемы и подавая импульсы на вход «-1» первой, можно получить желаемый счетчик, работающий в режиме вычитания.

При разработке принципиальных схем на ИМС основным условием нормальной работы последних является обеспечение номинальных уровней сигналов по входам и выходам ИМС.

Нарушения этих уровней могут возникнуть из-за недопустимой «нагрузки» по выходам и наличия на входах реактивных сопротивлений (емкостей, индуктивностей), создающих при коммутации «выбросы» напряжения и тока. Поэтому обязательной оценке подлежит нагрузка микросхем. Если нагрузкой являются входы других ИМС той же серии, то количество подключаемых единичных (ток –1.6 мА) входов не должно превышать 10 (для ИМС ТТЛ). Иначе необходимо предусмотреть элементы с повышенной нагрузочной способностью (с коэффициентом разветвления 30). Справочники по ИМС обычно содержат таблицы, в которых указываются допустимый коэффициент разветвления по выходу (Краз) и создающие нагрузку входные токи для каждой микросхемы.

Недопустимые уровни сигналов по входам ИМС чаще всего возникают в схемах с времязадающими RC-цепями и контактными коммутационными элементами. Следует помнить, что кнопки, ключи и переключатели создают разрыв электрической цепи, во время которого на входе ИМС ТТЛ будет сигнал лог.1 И есть опасность, что сигнал лог.0 не возникнет либо появится непредвиденный сигнал лог.1!

Времязадающие RC-цепи применяют в генераторах импульсов и схемах временной задержки. Они могут быть дифференцирующими и интегрирующими. Если цепь дифференцирующая, то при разряде конденсатора создается отрицательный импульс, который , попадая на вход ИМС, может вывести из строя. – Необходим расчет для выбора номиналов резистора и конденсатора диф. цепи. Обеспечивающих допустимый уровень лог.0 на входе ИМС. В то же время, при большом сопротивлении резистора и длительном установившемся режиме, сигнала лог.0 можно и не получить! Если цепь интегрирующая, то сигнал лог.0 на вход ИМС поступает через резистор с выхода предыдущей микросхемы. – Необходимо рассчитать сопротивление этого резистора на обеспечение уровня лог.0 на входе при требуемой временной задержке.

Исключение составляют специальные «таймерные» ИМС, имеющие выводы («нелогические») для подключения времязадающих элементов. К ним, в частности, относятся одновибраторы К155АГ1 и К155АГЗ. В этих случаях стандартные уровни лог.0 и лог.1 не нарушаются, если сопротивление и емкость времязадающих R и C не превышают некоторых предельных значений. Необходимые сведения

для расчета названных параметров в зависимости от величины нормируемых временных интервалов можно найти в [5].

Таким образом, при разработке принципиальных схем, если нет типономинала ИМС промышленного выпуска, предписанного функциональной схемой, составляют эквивалентную схему из микросхем заданной серии. Выполнив расчеты по обеспечению нагрузочной способности и номинальных уровней сигналов, уточняют схему, вводя дополнительные элементы и, тем самым, принимая окончательное решение.

Составив полную принципиальную схему, производят поверочные либо «нормирующие» расчеты технических характеристик объекта проектирования: быстродействия, потребляемой мощности, погрешности, помехоустойчивости и т.д. Поверочный расчет выполняется, когда в задании на проектирование предписаны конкретные показатели. Цель такого расчета – доказать, что достигнутые показатели не хуже заданных. Цель нормирующих расчетов – определить значения технических показателей, предопределяющих условия применения спроектированного устройства в составе других! Как те, так и другие расчеты сводятся к поиску аналитических зависимостей соответствующего показателя от параметров ИМС и функциональных узлов на основе ИМС.

В курсовом проекте по ЦСТ обязательным является расчет потребляемой мощности – Р_сумм. В первом приближении Р_сумм рассчитывается как сумма максимальных мощностей, потребляемых микросхемами.

Р _сумм = Р_макс.i (1)

где Р _{сумм.i –} максимальная потребляемая мощность ИМСi-го типономинала;

n_i – количество ИМС i-го номинала;

М – число различных типономиналов ИМС, входящих в устройство.

В качестве Р _макс. Следует взять параметр Р_пот., указываемый в справочниках для большинства ИМС [12]. Если этот параметр не указан, воспользуйтесь формулой

Р_макс.i = I_пот.i U_пит. (2)

где U_пит. – напряжение источника питания микросхем (для ИМС серий ТТЛ и ТТЛШ U_пит.- 5В)

I_пот.i - максимально потребляемый ИМС i-го типа ток.

Иногда вместо I_пот. приводятся токи, потребляемые микросхемой в состоянии лог.0 ( _пот.) и лог.1( _пот.). тогда необходимо взять их среднее значение.

Если в схеме устройства есть дополнительные цепи потребления тока, то к величине, полученной по формуле (1), требуется прибавить рассчитанную по (2) дополнительную мощность.

Следует помнить, что по (1) находится мощность, потребляемая устройством в статическом режиме. Фактически, с увеличением частоты смены состояния цифровой ИМС, его потребляемая мощность возрастает. Для микросхем на основе стандартного базового элемента ТТЛ (ТТЛШ) динамическую мощность Р_дин. Можно расчитать по формуле:

Р_дин Р_ном (1+0.21f), (3)

где f – частота переключения состояния МГц;

Р_ном - номинальная потребляемая в статическом режиме мощность.

Согласно (3) удвоение потребляемой мощности будет при частоте 5МГц. Если же частота меньше 1 МГц, то увеличение мощности незначительно и им можно пренебречь. Тем не менее, по формуле (3) легко уточнить расчет потребляемой мощности для микросхем, работающих в динамическом режиме, т.е. в схемах генераторов и делителей частоты импульсов.

Расчет мощности Р_сумм следует оформить таблицей, в которой указать типы ИМС, количество каждого типономинала, потребляемую мощность по типам ИМС и суммарную мощность.

Основу расчетов, нормирующих динамические характеристики объектов проектирования, составляет временные зависимости выходных сигналов от входных. Для устройства цифровой техники к таким характеристикам относят: максимальную скорость приема (передачи) сигналов и скорость «обработки информации»; производительность – как количество некоторых операций, выполняемых в единицу времени; быстродействие; граничную частоты работы и т.д. Выбор «динамического» показателя, характеризующего функционирование объекта, зависит от назначения последнего в составе внешних систем. Например, для устройства преобразования сигналов в системах передачи информации за «показатель» следует взять скорость передачи/приема сигналов либо «быстродействие», определяемое как минимальный интервал времени, необходимый для преобразования входных сигналов в

выходные. Для устройств автономных таким показателем является максимальная (граничная) частота формирования выходных сигналов. Причем во всех случаях расчетов динамических показателей принимается, что уровни и форма выходных сигналов соответствует номинальным. Это – основные условия, при которых определяются максимальные значения показателей. В свою очередь форма и уровни сигналов будут соблюдены, если длительности сигналов лог.0 и лог.1 превышают соответствующие задержки их распространения через ИМС.

Для микросхем ТТЛ указанные длительности должны быть не менее 100 нс (=0.1мкс). Так как в схемах, содержащих несколько «последовательных включений» ИМС, длительность выходного сигнала будет определятся длительностью входного минус суммарные задержки распространения по всем микросхемам, то обеспечить длительность входного сигнала, второй способ – «восстановить» длительности промежуточных сигналов, предусмотрев для этого специальные элементы, например одновибраторы. В любом случае необходимо рассчитать задержки сигнала от входа схемы к ее выходу:

_зд (к) (4)

где - суммарная задержка в распространении сигнала через n микросхем от входа 1-й к выходу n-й

_зд(к) - средняя задержка распространения сигнала для n-й микросхемы:

_зд= ( )/2 (5)

В формуле (5): t^1,0 - задержка распространения сигнала при переходе от уровня лог.1 к уровню лог.0;

- то же , но при переходе от уровня лог.0 к уровню лог.1. Эти параметры указываются в справочниках [12].

Следует заметить, что для ИМС со многими функционально неравнозначными входами и несколькими выходами задержки распространения по различным входам неодинаковы. Необходимо при разработке принципиальных схем использовать такие цепи передачи взаимодействий, которые создают минимальные задержки.

Для оценки быстродействия следует выбрать цепь наибольшей «длины» и по формуле (4) рассчитать суммарную задержку _макс.

Очевидно, чтобы схема из нескольких включенных последовательно ИМС отреагировала на входной сигнал, его сигнал, его длительность должна быть

(6)

где - минимальная длительность выходного (и входного) сигнала.

Формулу (6) можно непосредственно использовать для оценки быстродействия комбинационных устройств. Согласно (5) задержки по фронту и спаду сигнала, усредняются. Это означает, что минимальные длительности сигналов лог.1 и лог.0 считаются одинаковыми. Поэтому граничную частоту работы (F_гр.раб) схемы из нескольких последовательно соединенных ИМС можно определить по формуле

F_гр.раб= ( )/2 (7)

Смысл выражения (7): если частота входных воздействий будет превышать F_гр.раб, то уровни выходных сигналов не будут соответствовать номинальным и работа схемы нарушится.

Если устройство не комбинационное, то в его функционировании обычно различают «такты» и «циклы» работы. Такт – элементарный интервал времени, в течении которого все сигналы сохраняют неизменное значение. Цикл – интервал времени, отображающий периодичность работы устройства. Как правило, цикл состоит из конечного числа тактов, после которых значения всех выходных сигналов повторяются. В зависимости от назначения проектируемого устройства и выполняемых им функций количество тактов в цикле может быть различным. Начало цикла рассматривается как начало процесса формирования выходных сигналов, а конец цикла как завершение этого процесса, когда результат преобразования «готов». Поэтому быстродействие (или производительность) последовательностных устройств оценивают длительностью цикла. Соответствующее аналитическое выражение для расчета длительности цикла получают из анализа временных диаграмм, построенных на этапе разработки функциональной схемы устройства. При этом могут возникнуть два случая: 1-й, когда длительности всех тактов одинаковы, постоянны и число тактов в этом цикле неизменно; 2-й, когда - либо длительности тактов различны, либо число тактов в различных циклах не одинаково. В первом случае быстродействие устройства определяется однозначно через длительности тактов. Во втором случае его следует определить

максимальной длительностью цикла, либо указать минимальную и максимальную длительности циклов, оговорив условия, при которых эти длительности обеспечиваются.

Очевидно, что в любом случае минимальная длительность тактов должна удовлетворять условию (6)!

Расчеты временных соотношений, определяющих динамику работы устройств, следует так же, как и расчет потребляемой мощности, оформить соответствующими формулами и таблицей. В таблице указать типы ИМС, значения t^1.0 и t^0.1 или других временных параметров, используемых для оценки быстродействия, а также привести результат расчета.

Материал, посвященный разработке принципиальной схемы устройства, оформить в гл.3, разбив ее на параграфы. В отдельный параграф-подраздел включают логически завершенную часть материала, содержащего анализ возможных вариантов принципиальной схемы нет индивидуального функционального узла (модуля) на ИМС конкретного типа. Причем функциональные или принципиальные схемы ИМС стандартного исполнения приводить не следует. Если выбранный модуль многорежимный, универсальный, то необходимо привести таблицу режимов его работы и обосновать способ включения такого модуля, при котором будут реализованы требуемые функции. Это касается, прежде всего, ИМС регистров, счетчиков импульсов, счетчиков-делителей частоты импульсов и других многофункциональных ИМС. При необходимости, если функционирование во времени выбранной ИМС отличается от требуемого согласно функциональной схеме, приводят временные диаграммы работы модуля. И таким образом обосновывают и режим работы и способ включения модуля.

Количество параграфов в гл.3 может быть различным и зависит от сложности принципиальной схемы. Отдельным параграфом следует оформить расчеты.

Спецификация на элементы принципиальной схемы устройств также относится к текстовым документам и оформляются в соответствии с ГОСТ 2.108-68. Однако в данном проекте можно привести ее в упрощенном варианте, указав только графы: «Поз.обозначении»; «Наименование,тип»; «Количество». Причем в спецификации достаточно указать сведения только о микросхемах. Согласно названному ГОСТу спецификацию помещают непосредственно на чертеже принципиальной схемы, над основной надписью «штампом», если есть место, либо в ПЗ в качестве

приложения. В последнем случае спецификация оформляется по формату записки и снабжается основной надписью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стандарт предприятия. Проекты (работы) курсовые и дипломные. Общие требования к содержанию и оформлению. Сургут, изд. СурГУ, 1997. – 44 с.

2. Запевалов А.В. Индивидуальные задания на курсовой проект по дисциплине «Цифровая схемотехника» Сургут, изд. СурГУ 1999.

3. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. – М.: Радио и связь, 1987 – 400 с.

4. Опадчий и др. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Радио и связь, 1996 – 768 с.

5. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М,: Радио и связь, 1989 – 352 с.

6. Петровский И.И. и др. Логические ИС КР1533, КР1534. Справочник. В двух частях. Ч1, Ч2. – М.: ТОО Бином, 1993 – 499 с.

7. Интегральные микросхемы: Справочник/ под ред. Б.В. Тарабрина. – М.: Радио и связь, 1984.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1. Тематика, цели, задачи и сроки выполнения проекта 3

2. Требования к содержанию и оформлению проекта 5

2.1 Общие разделы ПЗ и требования к ним 6

2.2 Основная часть ПЗ 7

2.3 Графическая часть проекта 10

3. Выбор и обоснование методов проектирования 19

3.1. Выбор принципов построения 20

3.2. Функционально-логическое проектирование 23

3.3 Разработка принципиальной схемы 26

Литература 34

35