АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ"

Леонов С.Ю., Гладких Т.В.

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

В КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМОТЕХНИКЕ

Учебное пособие

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів напряму “Комп’ютерна інженерія” вищих навчальних закладів

 

Харьков НТУ "ХПИ" 2010

 

 

ГЛАВА 7

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ В СИСТЕМЕ ORCAD

Лабораторная работа №1

Исследование функционирования базовых логических элементов

Элемент "И", еще его называют элементом логического умножения или конъюктором, из всех входных сигналов на выход выдыет минимальный.… Функция, выполняемая логическим элементом, его графическое изображение,…   Название элемента Графическое изображение Номер в библиотеке НЕ …

Порядок выполнения работы

Проектирование цифрового устройства

o Ввести имя нового проекта o Ok o Выбрать создание пустого проекта

Проектирование аналогового устройства

o Ввести имя нового проекта o Ok o Выбрать создание пустого проекта

Лабораторная работа № 2

Использование шин и программно реализуемых источников цифрового сигнала в системе OrCAD

Программно реализуемые источники входного сигнала в системе OrCAD

Разновидности программно реализуемых источников цифрового сигнала: Ø STIM1— задание входного сигнала для отдельного проводника; Ø STIM4 —задание входного сигнала для 4-х разрядной шины;

Способ №1

COMMAND1

0us 0

COMMAND2

5us 1

COMMAND3

20us 0

COMMAND4

25us 1

 

 

Способ №2

COMMAND1

Label L1: 0us 0

COMMAND2

10us 1

COMMAND3

20us GOTO L1 2 Times

 

 

Способ №3

COMMAND1

Label L1: 0us 0

COMMAND2

10us 1

COMMAND3

20us GOTO L1 –1 Times

 

 

Примеры использования различных команд источника STM4:

{Примечание: на временных диаграммах сигналы шин индицируются в 16-ричном формате}

Способ №1

COMMAND1

0us 0000

COMMAND2

5us 1010

COMMAND3

20us 0011

COMMAND4

25us 1110

 

 

Способ №2

COMMAND1

Label L1: 0us 0001

COMMAND2

10us 0110

COMMAND3

20us GOTO L1 2 Times

 

 

Способ №3

COMMAND1

Label L1: 0us 1010

COMMAND2

10us 1111

COMMAND3

20us GOTO L1 –1 Times

 

Элементы STM4 и STIM находятся в библиотеке SOURCE, которую можно вызвать при нажатии кнопки меню .

 

Использование шин в системе OrCAD

Ввод шины на схему устройства: Ø Выбрать Ø Нарисовать шину

Порядок выполнения работы

1. Согласно индивидуальному заданию, выполнить проектирование устройства, выполняющего функцию , где — 4-х разрядные двоичные числа, используя шины в качестве средств связи между логическими элементами.

2. Выполнить моделирование спроектированного устройства и убедиться в правильности его функционирования.

 

Индивидуальные задания

 

№	Описание функции	Способ задания входных значений
A	B	C	D
					*
					*
					*
					*
					*
					*
		*
		*
		*
		*
		*
		*
					*
					*
					*
					*
					*
					*
		*
		*

 

Звездочка означает выбор любого из предложенных методов программирования источников входного сигнала.

Пример выполнения работы

Пусть задана функция . Структурная схема устройства, выполняющего данную функцию, приведена на следующем рисунке:

 

 

Результаты моделирования спроектированного устройства:

 

 

Согласно индивидуальному заданию, , как видно из временных диаграмм, при и , C, согласно таблице истинности функции "И", примет значение ; при и , .

Аналогично, . На первом наборе, согласно таблице истинности функции "ИЛИ", , на втором наборе — .

Функция эквивалентна , поэтому можно убедиться, что на наборе и , согласно таблице истинности функции "Исключающее ИЛИ", , а на наборе и ,

Таким образом, можно сделать вывод о правильности функционирования спроектированного устройства.

 

 

Лабораторная работа № 3

Использование иерархических структур при проектировании сложных устройств в системе OrCAD

Иерархические блоки

Иерархический блок размещается на схеме по команде Place>Hierarchical Blockили нажатием на кнопку панели инструментов. На следующем рисунке…  

Порядок выполнения работы

1. Создать проект моделирования устройств; 2. Выполнить проектирование и моделирование устройства первого иерархического… 3. Выполнить анализ работы устройства;

Пример выполнения работы

Индивидуальное задание: Выполнить проектирование 4-х разрядного счетчика на D-триггерах.

Ø Часть I

п1. Создать новый проект;

п2. Выполнить проектирование D-триггера, согласно индивидуальному заданию.

Схема D-триггера при его проектировании в системе OrCAD приведена на следующем рисунке:

 

 

 

Схема JK-триггера

 

 

 

Временные диаграммы функционирования D-триггера:

 

п4. Создать новый проект моделирования;

п5. Создать в проекте новый раздел "Schematic"

a. В окне "Analog or Mixed A/D" вызвать контекстное меню дизайна

 

 

b. Выбрать "New Schematic"

c. Ввести имя профиля "Schematic2"

п6. Создать новую страницу полученного профиля

a. В окне "Analog or Mixed A/D" вызвать контекстное меню профиля

 

b. Выбрать "Со следующей страницы"

п7. Результат выполнения данного пункта приведен на следующем рисунке:

 

ØЧасть II

п1. Открыть последний сохраненный проект.

п2. Схема D-триггера находится в профиле "Schematic22. Метка "Корень" установлена для профиля "Schematic12

п3. Ввод иерархических блоков

a. Выбрать

b. Ввести ссылку (D1)

c. Выбрать тип реализации "Схемы"

d. Ввести имя реализации "Schematic2"

e. Нарисовать контур блока

f. Скопировать иерархический блок в буфер обмена

g. Вставить из буфера обмена новый иерархический блок (имя ссылки изменится автоматически)

 

 

п4. Проектирование счетчика, согласно индивидуальному заданию

Временные диаграммы функционирования иерархического счетчика:

 

 

Лабораторная работа № 4

Синтез и моделирование комбинационных устройств, заданных в табличной форме

Представление логической функции, заданной таблично, в аналитической форме

СНДФ (так же как и нормальная дизъюнктивная форма) представляет собой совокупность минтермов объединенных знаком дизъюнкции. СНКФ (как и нормальная конъюнктивная форма) представляет собой совокупность макстермов объединенных знаком…

Пример представления логической функции в СНДФ

Пусть дана логическая функция от трех переменных , заданная в табличной форме. Необходимо получить ее аналитическое представление в совершенной нормальной дизъюнктивной форме.

 

X1	X2	X3	y

 

Аналитическое представление функции будет иметь вид:

=+++ (7.1)

Согласно приведенному представлению, принципиальная электрическая схема должна состоять из логических элементов И, ИЛИ, НЕ и может иметь следующий вид:

Использование минимизация логических функций при автоматизации проектирования.

Наиболее универсальным методом минимизации функций является метод Квайна, позволяющий получить минимальное представление логических функций любого… Общий принцип Для минимизации функции по методу Квайна, необходимо, чтобы она была представлена в СНДФ. Метод заключается в…

I этап.

      …   В таблице нет пустых строк, след. ранг всех импликант уменьшен до 1.

II этап.

Как видно, каждая из импликант является существенной, поэтому ФАЛ имеет вид + Пример 2

I этап.

В таблице одна пустая строка, которая соответствует импликанте , следовательно, она является первичной. При этом получена одна импликанта ранга 2 –…

II этап.

+

Пример минимизации логической функции при проектировании вычислительного устройства.

Рассмотрим логическую функцию от трех переменных в соответствии с выражением (7.1).

I этап.

        …   В таблице нет пустых строк, поэтому следующий ранг всех импликант уменьшен до 2.

II этап.

+ Согласно приведенному представлению, принципиальная электрическая схема должна…

Представление логических функций в различных базисах.

Следствие из правил де Моргана:

Порядок выполнения работы

2. Выполнить моделирование синтезированного устройства в системе OrCAD 3. Получить минимизированное заданной представление логической функции,… 4. Выполнить моделирование полученного устройства в системе OrCAD в базисе И-ИЛИ-НЕ.

Лабораторная работа №5

Применение пятизначного моделирования для анализа цифровых элементов в системе автоматизированного проектирования OrCAD с наличием статических и динамических рисков сбоя

Асинхронное моделирование.

Изменение значений выходных сигналов логического элемента происходит с некоторым запаздыванием по отношению к входным сигналам, которое учитывается… Временное рассогласование входных сигналов элемента может привести к появлению…  

Справочная информация по элементам

  Источник сигнала Название Изображение Описание параметров Синусоидальный VSIN …  

Порядок выполнения работы

6. Создать проект моделирования устройств; 7. Поместить на рабочую поверхность три элемента "НЕ", принадлежащих… 8. Подключить к трем элементам один аналоговый источник питания;

Пример выполнения работы

1. Подключение синусоидального источника сигнала.

 

2. Подключение импульсного источника сигнала.

 

 

 

3. Подключение экспоненциального источника сигнала.

 

 

Ø Моделирование статических рисков сбоя на примере элемента "И"

1. Создать проект моделирования устройств;

2. Поместить на рабочую поверхность элемент "И" из библиотеки 7400.olb;

3. Подключить к входам элемента аналоговые источники питания;

§ Синусоидальный

o Синхронная подача сигналов

o Противофазная подача сигналов

o Подача сигналов в режиме моделирования статического риска сбоя

§ Импульсный

o Синхронная подача сигналов

o Противофазная подача сигналов

o Подача сигналов в режиме моделирования статического риска сбоя

§ Экспоненциальный

o Синхронная подача сигналов

o Противофазная подача сигналов

o Подача сигналов в режиме моделирования статического риска сбоя

4. Выполнить моделирование устройства;

5. Проанализировать результаты моделирования.

 

Ø Моделирование статических рисков сбоя на примере элемента "ИЛИ"

1. Создать проект моделирования устройств;

2. Поместить на рабочую поверхность элемент "ИЛИ" из библиотеки 7400.olb;

3. Подключить к входам элемента аналоговые источники питания;

§ Синусоидальный

o Синхронная подача сигналов

o Противофазная подача сигналов

o Подача сигналов в режиме моделирования статического риска сбоя

§ Импульсный

o Синхронная подача сигналов

o Противофазная подача сигналов

o Подача сигналов в режиме моделирования статического риска сбоя

§ Экспоненциальный

o Синхронная подача сигналов

o Противофазная подача сигналов

o Подача сигналов в режиме моделирования статического риска сбоя

4. Выполнить моделирование устройства;

5. Проанализировать результаты моделирования.

Ø Моделирование динамических рисков сбоя на примере комбинации элементов "И" и "ИЛИ" в соответствии с рис. 1 и рис. 2 данной методички.

 

Пример построения схемы

 

Получение динамического и статического сбоя на временных диаграммах системы ORCAD для приведенной схемы:

 

 

Лабораторная работа №6

Применение пятизначного моделирования для анализа работоспособности сложных цифровых устройств

Существенным в пятизначном моделировании является обозначение не только факта изменения сигнала, как это делается при троичном моделировании, но и… Для двухвходового логического элемента "И", на вход которого…   A B L X H …

Порядок выполнения работы

1. Выполнить проектирование цифрового устройства, согласно индивидуальному заданию;

2. Выполнить моделирование полученного устройства, используя цифровые источники сигнала;

3. Подключить к входам устройства аналоговые источники сигнала;

4. Выполнить моделирование устройства;

5. Проанализировать результаты моделирования.

Индивидуальные задания

№ п/п	Наименование задания
1.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы мультиплексора 16 ´ 1
2.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы дешифратора 4 ´ 16
3.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы сумматора
4.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы JK-триггера
5.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы шифратора 8 ´ 3
6.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы RS-триггера
7.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы D-триггера
8.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы дешифратора 3 ´ 8
9.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы дешифратора 4 ´ 10
10.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы мультиплексора 8 ´ 1
11.	Применение пятизначного моделирования для анализа работы 8-разрядной схемы проверки на четность или нечетность

 

Справочная информация по элементам

  Источник сигнала Название Изображение Описание параметров Генератор импульсов DigClock …  

Пример выполнения работы

Индивидуальное задание: Выполнить проектирование D-триггера.

Схема D-триггера при его проектировании в системе OrCAD приведена на следующем рисунке:

 

 

Временные диаграммы функционирования D-триггера:

 

Как видно из приведенных диаграмм, работа спроектированного триггера соответствует заданной таблице функционирования.

Подключим аналоговые источники питания к входам D-триггера. Модифицированная схема проектируемого устройства и временные диаграммы его работы приведены на следующем рисунке:

 

 

 

Для того чтобы проанализировать работу триггера в режиме динамического сбоя поставим на выходах аналоговых источников питания цифровые повторители. Повторители можно построить, соединив последовательно два элемента "НЕ" и объединив их в отдельный логический элемент.

 

 

Модифицированная таким образом схема D-Триггера приведена на следующем рисунке:

 

 

Воспользовавшись подобным приемом можно получить запись входных сигналов триггера в цифровой форме с использованием их пятизначного представления.

Временные диаграммы работы полученного устройства выглядят следующим образом:

 

 

Рассмотрим более подробно участок [30 us – 55 us] работы временной диаграммы.

 

 

На протяжениее всего этого участка сигналы NS и NR держат значение "1", что соответствует режиму работы триггера. Сигнал C находится в состоянии "1", D – "0", Q – "0", а NQ, соответственно, "1". В момент времени t = 35 us сигнал С переключается в "0", а через 0,5 us начинается переключение сигнала D из "0" в "1", что находит отражение в том, что через 0,035 us на выходе Q триггера начинается процесс переключения "0" ® "1", что в свою очередь вызывает начало процесса переключения выхода NQ из состояния "1" в состояние "0". Нестабильное состояние на выходах триггера держится в течении 11 us до тех пор, пока сигнал C не переключится в "1", что через 0,018 us приводит к установлению на выходе Q состояния "1", таким образом на входах элемента "3И-НЕ", формирующего сигнал NQ устанавливаются три логических "1", что определяет значение "0" на инверсном выходе триггера.

 

 

Лабораторная работа №7

Формирование многоступенчатого сигнала при помощи ключей, управляемых напряжением

Ключи, управляемые напряжением

, где — выходное напряжение; — входное напряжение; — пороговое напряжение; —… Если входное напряжение превысит заданный пороговый уровень, то на выходе ключа формируется "ступенька"…

Формирование многоступенчатой функции

Ø Ввести на схему столько ключей, сколько должно быть выходных "ступенек"; Ø Назначить каждому ключу соответствующие пороговое и опорное… Ø Соединить выходные напряжения ключей через сопротивления, величина каждого из которых должна быть тем больше,…

Порядок выполнения работы

1. Показать работу ключа, управляемого напряжением с параметрами, соответствующими индивидуальному заданию;

2. Выполнить формирование многоступенчатого сигнала согласно индивидуальному заданию.

Индивидуальные задания

№	Ключ, управляемый напряжением	Многоступенчатый сигнал
Ампл (V)	(V)	(V)	Вид	Форма сигнала	Количество ступенек
				SIN	EXP	PULSE
				EXP	SIN	PULSE
				PULSE	SIN	EXP
				SIN	EXP	PULSE
				EXP	SIN	PULSE
				PULSE	SIN	EXP
				SIN	EXP	PULSE
				EXP	SIN	PULSE
				PULSE	SIN	EXP
				SIN	EXP	PULSE
				EXP	SIN	PULSE
				PULSE	SIN	EXP

 

Лабораторная работа №8

Моделирование гибридных компонентов в системе автоматизированного проектирования OrCAD

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство, позволяющее преобразовать некоторый аналоговый сигнал, поступающий на его вход… Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) является устройством, которое позволяет…

Моделирование аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

Изображение 8-ми разрядного АЦП в системе ORCAD приведено на следующем рисунке: Перечень выводов данного компонента и их назначение сведено в таблицу:

Моделирование цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

Изображение 8-ми разрядного ЦАП в системе ORCAD приведено на следующем рисунке:  

Индивидуальные задания

№	Задание №1
АЦП	ЦАП
Элемент	V(IN)	V (REF)	Элемент	V (REF)
Форма	Амплитуда
	ADC10break	SIN	12V	30V	DAC12break	40V
	ADC12break	PULSE	50V	20V	DAC10beak	7V
	ADC10break	EXP	32V	40V	DAC12break	40V
	ADC12break	SIN	7V	7V	DAC10beak	60V
	ADC10break	PULSE	60V	40V	DAC12break	100V
	ADC12break	EXP	100V	60V	DAC10beak	50V
	ADC10break	SIN	120V	100V	DAC12break	30V
	ADC12break	PULSE	25V	50V	DAC10beak	20V
	ADC10break	EXP	45V	30V	DAC12break	40V
	ADC12break	SIN	10V	20V	DAC10beak	7V
	ADC10break	PULSE	15V	40V	DAC12break	30V
	ADC12break	EXP	35V	7V	DAC10beak	20V

 

Лабораторная работа №9

Применение элементов библиотеки ABM.slb для проектирования нестандартного источника входного напряжения

Элементы библиотеки ABM

Таблица 1 Название элемента Функциональное назначение Графическое изображение ABM Число p (источник ЭДС) …  

Порядок выполнения работы

1. Промоделировать элементы библиотеки ABM.slb, указанные в табл. 1.

2. Выполнить анализ правильности функционирования этих элементов. Пояснить принцип их работы.

3. Используя элементы библиотеки ABM.slb выполнить построение собственного источника входного напряжения, согласно функции, приведенной в индивидуальном задании.

Примечание

Для задания функции, изменяющейся во времени и зависящей от параметра t, необходимо использовать блок ABM и в качестве аргумента использовать переменную "time" с соответствующим масштабным коэффициентом. Этот масштабный коэффициент должен учитывать, что моделирование в системе OrCAD выполняется в наносекундах.

Индивидуальные задания

№	Функция источника ЭДС
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.