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
Порядок выполнения работы
Лабораторная работа № 2
Использование шин и программно реализуемых источников цифрового сигнала в системе OrCAD
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 .
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
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
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:
Пример минимизации логической функции при проектировании вычислительного устройства.
Рассмотрим логическую функцию от трех переменных в соответствии с выражением (7.1).
Лабораторная работа №5
Применение пятизначного моделирования для анализа цифровых элементов в системе автоматизированного проектирования OrCAD с наличием статических и динамических рисков сбоя
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
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 |
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
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
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
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. |