1. Задачи и сроки выполнения проекта                   

2. Требования к содержанию и оформлению проекта

   2.1 Общие разделы ПЗ и требования к ним

   2.2 Основная часть ПЗ

   2.3 Графическая часть проекта

3. Выбор и обоснование методов проектирования

   3.1. Выбор принципов построения

   3.2. Функционально-логическое проектирование

   3.3 Разработка принципиальной схемы

Литература

 

1. ЗАДАЧИ И СРОКИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА

В задачи проекта входят:

1.1     Выбор и обоснование принципов построения объекта проектирования и выбор методов проектирования.

1.2     Разработка функциональной схемы и анализ работы устройства на соответствие заданным условиям функционирования.

1.3     Выбор способов реализации устройства и разработка его принципиальной схемы на интегральных микросхемах (ИМС) широкого применения.

1.4     Расчеты основных технических показателей, характеризующих функционирование спроектированного устройства.

Эти задачи предопределяют объем проекта, объем и содержание пояснительной записки (ПЗ) к проекту.

Следует учесть, что проектирование ведется в одном семестре одновременно с изучением материала на аудиторных занятиях. Это усложняет задачу проектирования и требует от исполнителя дополнительной самостоятельной работы с литературными источниками по учебному материалу, - еще не рассмотренному на занятиях. По этой же причине необходим самоконтроль за выполнением проекта: требуется весь объем работ разделить на этапы и составить график их выполнения. В качестве примера, такой график  приведен в таблице 1 где длительность семестра принята равной 17 рабочим неделям, а объем работ разделен на 5 этапов.

 Таблица 1.1 - Сроки выполнения проекта

Выдача индивидуальных заданий  производится на 1-2 неделе занятий, поэтому фактически на выбор принципов построения (1-й этап) отводится 4 недели.

Начало 7 недели – первая контрольная точка оценки готовности проекта (25%). Она же соответствует  началу II этапа и т.д.

Для защиты проекта следует предусмотреть последние две недели. Конкретные даты контрольных точек (аттестации) указывает руководитель проекта.

СОДЕРЖАНИЕ...

  2. ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ ПРОЕКТА

            Чтобы выполнить проект на «хорошо» и «отлично», необходимо не только правильно  выбрать все технические решения, но и в достаточной  степени их обосновать  и оформить проектные документы в соответствии  с требованиями нормативных документов. К последним относятся действующие в данный период стандарты Единой системы конструкторской документации (ЕСКД), стандарт предприятия СТП СурГУ – 01 - 97 и специальные методические (руководящие) указания и материалы.

            Основным проектным документом является расчетно-пояснительная записка (ПЗ), которая заменяет технический  отчет. Требования ГОСТ 2.118-73 по объему графической части можно упрощать, ограничиваясь чертежами функциональной и принципиальной схем. При этом ПЗ должна удовлетворять требованиям стандартов ЕСКД (ГОСТ 2.105-79 или СТ СЭВ 2667-80) и стандартов СТП СурГУ–01-97. Указанную схемную документацию разрешается оформить на миллиметровой бумаге  и привести в ПЗ как приложения.

            Таким образом, ПЗ будет содержать текстовую и графическую части. Сброшюрованная и оформленная пояснительная записка представляется к защите. Текстовая часть ПЗ оформляется форматом А4 (№ 11) (297х210 мм) в объеме 15-20 страниц. Форматы чертежей выбираются в зависимости от объема графического материала из рядя: А3 (№12) (297х420мм); А2 (№22) (594х420 мм) или А1 (№24) (594х841мм). Если для чертежа схемы выбран формат А1, то такой чертеж следует привести отдельно от ПЗ.

 2.1 Общие разделы ПЗ и требования к ним.

             Согласно СТП СурГУ – 01 - 97 в пояснительную записку к курсовому проекту должны входить: титульный лист; основная часть (с разбивкой по разделам); заключение; список использованной литературы и предложения.

            Форма титульного листа, общие обязательные требования к оформлению текста ПЗ и иллюстраций, а также общие требования к графической части проекта приведены в [1]

            Учитывая специфику дисциплины  “Цифровая схемотехника” (ЦСТ), задание на проект выдается  в форме “Первичного задания” на проектирование [2]. Оно содержит:

-  наименование темы проекта;

-  указания что надо сделать – Задание;

-  исходные данные.

Тема и исходные данные индивидуальны и содержат указанные выше сведения. «задание» состоит из перечня задач с конкретизацией (подсказкой) метода решения и вида расчетов. Например, «…выполнить анализ функционирования фазорасщепителя при помощи временных диаграмм…», «….оценить быстродействие…»

Обязательным является расчет потребляемой мощности, а в зависимости от темы проекта расчету подлежит либо погрешность формирования сигналов с заданными временными параметрами, либо быстродействие, либо граничная частота переключения цепей и т.д. Кроме того, по некоторым темам даются краткие рекомендации по использованию функциональных модулей в интегральном исполнении и указывается литература.

Задание и исходные данные следует полностью привести в ПЗ.

«Содержание» – перечень наименований разделов и подразделов ПЗ помещается на отдельной странице либо перед введением, либо перед приложениями. Этот перечень приводиться в порядке разделов в записке с указанием их номеров и номера страницы, с которой начинается раздел. Причем «Задание», «Введение», «Заключение», «Литература» и «Приложения» – эти части ПЗ не нумеруются.

Во введении (1-2с.) следует указать:

-  возможные области применения объекта проектирования (ОП);

-  достоинства и положительные свойства возникающие у систем, в которых будет использован ОП;

-  чем обуславливается актуальность и практическое значение создания и внедрения микроэлектронных устройств в технические системы и , в частности, ОП.

-  особенности проектирования устройств на цифровые ИМС и в том числе ОП.

Таким образом, «Введение» должно объяснять необходимость и полезность объекта проектирования и что следует ожидать от данного проекта.

«заключение» (1-2с.) подводит итоги проектирования: отмечается соответствие спроектированного устройства заданным условиям функционирования и возможные пути достижения лучших технических показателей или расширения его функций; конкретизируются условия его применения в составе систем ( на уровне требованиям к последним); даются рекомендации по применению ОП или (и) дальнейшему продолжению процесса его проектирования.

Список использованной  литературы оформляется под заголовком «Литература» в соответствии с требованиями ГОСТ 7.1-84. В нем указываются только те источники, на которые есть ссылки в тексте ПЗ, и только те, которые опубликованы в печати. Расположение источников в списке определяется порядком появления ссылок на них в тексте. По каждому источнику должны быть указаны: автор(ы); наименование (пособия, статьи); место издания; издательство; год издания; объем использованного материала (количество страниц). Для журнальных статей, а также для работ в сборниках трудов дополнительно указываются: номер тома, номер выпуска. (Для примера см. список в настоящих методических указаниях)

СОДЕРЖАНИЕ... 

2.2 Основная часть ПЗ (объем 15….20 с.)

 В этой  части приводится обоснование всех принимаемых (выбираемых) проектных решений. Методические и технические решения излагаются, анализируются и иллюстрируются конкретными примерами, подтверждающими высказанные утверждения.

Естественно, что рассматриваемые примеры должны иметь непосредственное отношение к теме проекта.

Материал основной части следует разбить на такие разделы (главы):

1. Выбор принципов построения…;

2. Разработка функциональной схемы….;

3. Разработка принципиальной схемы….

(Вместо многоточия поставить наименование объекта проектирования).

            Каждая  глава в свою очередь разделяется на параграфы, параграфы на пункты. Количество таких подразделов зависит от объема рассматриваемого материала и определяется сложностью решаемой задачи. Так материал, объединяемый в одну главу, посвящается решению достаточно сложной задачи, а материал отдельных ее параграфов – решению подзадач. Таким образом, излагаемые сведения должны иметь логическую связь. И сведения различных глав должны быть логически взаимосвязаны. Это – первое основное требование к изложению материала.

            Логическая взаимосвязь разделов обеспечивается последовательностью изложения и ссылками на раннее приведенный материал: последующее должно являться следствием предыдущего и, соответственно, предыдущее содержать постановку задачи и предпосылки для выполнения последующего. Например, выбранные принципы построения устройства, предопределяя его структуру, должны являться основной для разработки функциональной схемы, а функциональная схема давать необходимые сведения для разработки принципиальной.

Ссылки позволяют исключить повторения, сократить текст и, тем самым, объем ПЗ. Все ссылки должны быть конкретными. Поэтому ссылочное место либо выделяется абзацем, либо имеет индивидуальный номер (метку), либо указывается страница текста.

Вторым основным требованием к изложению материала является его доказательность : все высказанные утверждения (неочевидные) необходимо доказать, то есть подтвердить их справедливость. Для этого используют ссылки на литературные источники или, выбрав метод анализа, рассматривают условия, при которых высказанное утверждение будет справедливо. Как известно, существует два метода доказательства – «прямое» и «от противного» (косвенное). Выбирается тот метод, который приводит к наиболее короткому доказательству. Сокращение объема доказательного материала достигается применением иллюстрации (рисунков, таблиц, диаграмм) и формализованных методов анализа и синтеза.

Описанный материал – неотъемлемая часть текста ПЗ. Он должен быть минимальным  по объему не в ущерб полноте и ясности изложения. Это -  третье требование к тексту пояснительной записки. Необходимость описания возникает при:

-  обзоре литературных источников с целью выбора методов проектирования  и способов реализации функций, выполняемых устройством (в целом либо его блоками);

-  анализе процессов функционирования устройства  и его составных частей;

-  пояснении сущности выбранного метода (например, синтез) и принимаемых условий, при формулировании выводов.

Не следует описывать способы соединения элементов, если приведена соответствующая схема. Ведь это и так видно по схеме!

            Сократить объем описательной  части можно за счет использования формализованных методов анализа. Например, при описании логических зависимостей целесообразно воспользоваться их алгебраическими выражениями. Описывая процессы функционирования, следует использовать блок-схемы алгоритмов или временные диаграммы. Выбор вида иллюстрационного материала зависит как от метода анализа, так и от поставленной цели анализа.

Текст ПЗ пишется в сослагательном наклонении от имени первого лица множественного числа без подлежащего (не следует МЫ-кать и тем более Я-кать!) либо от имени неопределенного лица. Например, вместо «…я выбираю…» следует писать «…выберем…», «…примем…» или «необходимо выбрать…» (с объяснением причин выбора) и т.д. Распространенной стилистической ошибкой является выдача «кому-то» рекомендаций! Курсовой проект не методические указания и не учебное пособие. Исполнитель сам следует рекомендацией и указаниям, взятым из литературных источников! Поэтому необходимо писать «…по рекомендациям [ ] выбираем…” (где в квадратных скобках указывается порядковый номер литературного источника), а не так: «…в качестве буерного запоминающего модуля следует выбрать…» и т.д. И даже, при этом, не объясняют причин выбора!

            Материал ПЗ не должен изобиловать техническим и тем более разговорным жаргоном: текст должен быть литературно грамотным; используемые понятия – общепринятыми; не относящиеся к курсу ЦСТ специальные термины пояснены.

            Нельзя злоупотреблять условными сокращениями наименований функциональных узлов или элементов, а сами сокращения должны появляться только после  полного наименования блока, узла или элемента.

 СОДЕРЖАНИЕ...

 2.3 Графическая часть проекта

   К графической части относятся рисунки, диаграммы и схемы. Рисунок – небольшой по объему иллюстрационный материал, помещаемый по тексту в пояснительной записке и имеющий максимально тот же формат. На рисунках показывают схемы, диаграммы и специальные условные графические обозначения (например, карты Карно булевых функций). От чертежей они отличаются произвольным масштабом изображения и не имеют «силы» проектного документа. Рисунки должны располагаться непосредственно после ссылки на них в тексте и выполняться на листах пояснительной записки. Ссылки на рисунки выполняются в соответствии с ГОСТ 2.105-95, при этом указывается слово «рисунок» и далее следует порядковый номер без знака «№». Все иллюстрации имеют сквозную нумерацию. Возможна нумерация в пределах раздела арабскими цифрами. При этом номер иллюстрации состоит из номера раздела и порядкового номера иллюстраций, разделенных точкой, например: рисунок 3.5.

Иллюстрации могут иметь пояснительные данные (подрисуночный текст) и наименование, которые помещают под иллюстрацией. Слово «Рисунок» и наименование помещают после пояснительных данных и располагают следующим образом:

Рисунок 1 – Функциональная схема блока приема информации.

      На одном рисунке может быть несколько иллюстраций, каждую из которых помечают строчной буквой русского (либо латинского) алфавита. Тогда ссылку в тексте на конкретную иллюстрацию выполняют в круглых скобках после упоминания описываемого. Например: так: «Деление частоты импульсов на 2 осуществляется Т-триггером (рисунок 2.1а), а нормирование их длительности – одновибратором (рисунок 2.1.б)».При этом на рисунке 2.1.а и рисунке 2.1.б, соответственно, показывают условное графическое обозначение (УГО) Т-триггера и одновибратора.

Условные графические обозначения всех элементов и ИМС следует привести в одном масштабе. Размеры УГО нормируются соответствующими ГОСТами.

            Если рисунками являются фрагменты функциональных или принципиальных схем, то к ним предъявляются такие же требования, что и к чертежам названных схем. (Исключается необходимость спецификаций и регламентированных ГОСТами основных надписей).

            Еще одно замечание: рисунки схем несут информацию о количестве и номенклатуре используемых функциональных элементов (и блоков) и об их взаимосвязях. А функциональные и принципиальные схемы дополнительно позволяют уяснить назначение «элемента» и даже назначение его входов/выходов! Это можно сделать по меткам и специальным символам, проставляемым на УГО «элемента». Поэтому такую информацию не следует приводить в тексте записки. Исключение составляют многофункциональные (универсальные) логические модули, функции которых меняются в зависимости от последовательности входных сигналов или от способа подключения входов. Вот об этом и следует писать!

            В проекте, при анализе функционирования устройства во времени, строятся  временные диаграммы. Они вычерчиваются как для устройства в целом, так и для какой-либо его части. На  диаграммах показывают состояние каждого «элемента», условно отображаемое значениями сигналов на его входах и выходах в любой момент времени. Функционирование рассматривается в дискретном, так называемом машинном времени, за «единицу» которого принимается некоторый интервал. Величина интервала определяет масштаб по оси абсцисс (масштаб времени) и может  выбираться произвольно, но так чтобы наглядно и соразмерно отобразить длительность сигналов и длительность переходных процессов при переходе элемента из одного состояния в другое. Если длительностью перехода можно пренебречь либо она существенно меньше длительности устойчивого состояния, то переход показывают вертикальной линией («скачком») от одного значения к другому. В противном случае переходы изображают наклонными линиями. Их наклон выбирают в зависимости от длительностей переходных процессов.

            По линии ординат размечают значения сигналов либо условно показывают состояние элемента. В логических устройствах сигналы и состояния элементов изменяются в двоичном алфавите. Поэтому ординату размечают двумя уровнями логического нуля (лог.0) и логической единицы (лог.1) Допускается уровень лог.0 совмещать с осью абсцисс. Масштаб по ординате выбирается произвольно. Таким образом, временные диаграммы позволяют графически отобразить последовательности сигналов и изменения состояний элементов.

            Обычно анализируется работа схемы из нескольких взаимно связанных функциональных элементов: выход одного связан со входом другого и т.д. В этом случае на диаграммах можно показать только последовательности выходных сигналов и последовательности внешних входных воздействий. Тогда временные диаграммы будут содержать столько горизонтальных линий (осей абсцисс), каково общее число внешних входов и функциональных элементов в схеме устройства.

      Если рассматриваемый «элемент» имеет несколько неравнозначных выходов, то его состояние отображает соответствующим количеством диаграмм выходных сигналов. Например, состояние 4-разрядного двоичного счетчика импульсов показывается 4-мя диаграммами выгодных сигналов при условии, что сигналы по его входам уже отображены диаграммами  выходных воздействий предыдущих элементов.

      Порядок взаимодействия элементов, их влияние друг на друга указывают вертикальными линиями со стрелками  в направлении действия. Ответвления от этих линий делают, если одно и то же действие вызывает одновременно несколько других, либо несколько действий являются причиной одного.

      Соответствие диаграмм анализируемой схеме фиксируется метками у начала координат на линии абсцисс. Меткой может быть позиционное обозначение элемента в схеме или метка входа/выхода на УГО этого элемента. Если состояние элемента (функционального узла) отображается группой диаграмм, то соответствующее число линий объединяют фигурной скобкой у начала координат и помечают меткой основной функции, реализуемой элементом, и позиционным его обозначением. Таким образом, по диаграммам  можно «прочитать» не только значения сигналов и уяснить состояние элементов, но и понять смысл выполняемых преобразований и логику взаимодействия всех составных частей устройства.

      Кроме того, временные диаграммы, построенные с учетом длительности переходных процессов, позволяют установить временные соотношения для оценки быстродействия устройства в целом и каждой его части. Для этого на диаграммах следует указать характерные моменты времени (t1, i – 0,.1,2…). В многотактных устройствах иногда требуется знать номер такта по отношению к началу цикла работы. В таком случае на диаграммах наряду с обозначениями длительностей интервалов показывают десятичными числами номер такта. И обозначения длительностей и номера тактов проставляют так, как это принято в черчении при нанесении размеров в рабочих или сборочных чертежах изделий – на размерных либо линиях-выносках [3]. Примеры вычерчивания временных диаграмм Вы найдете в [4].

      Функциональные схемы микроэлектронных устройств оформляют, руководствуясь следующими требованиями:

2.3.1. Все УГО электрических элементов и ИМС должны соответствовать государственным стандартам ЕСКД.

2.3.2. Исполнитель самостоятельно, следуя рекомендациям ГОСТ 2.743-82, может формировать УГО ИМС и функциональных узлов без учета существующих ИМС промышленного выпуска.

      2.3.3. Размеры УГО должны соответствовать указанным в стандартах. Если стандарт не содержит прямых сведений о размерах, то УГО вычерчивается в тех размерах, в которых оно приведено в стандарте.

      2.3.4.Масштаб изображения УГО можно пропорционально (уменьшать либо увеличивать), сохраняя коэффициент пропорциональности постоянным для всех элементов рассматриваемой схемы. Минимальный шаг базового коэффициента «а» следует выбирать равным 5 мм.

2.3.5. Все элементы функциональной схемы должны иметь позиционные обозначения, формируемые по ГОСТ 2.710-81 (Обозначения букувенно-цифровые в электрических схемах). При этом в обозначениях допускается сведения о конструктивном расположении элемента не указывать.

2.3.6. УГО функциональных модулей (шифраторов, дешифраторов, регистров, счетчиков и т.д.) должны содержать метки основных функций и метки входов/выходов. Все метки на УГО элементов цифровой техники следует составлять по ГОСТ 2.743-82.

2.3.7. Если ГОСТами не предусмотрено УГО требуемого элемента или модуля и его нельзя сформировать в соответствии с рекомендациями ГОСТов, такие модули и элементы показывают как на принципиальных схемах. В некоторых случаях можно ввести новое графическое обозначение и обязательно пояснить его на свободном поле чертежа.

2.3.8. Функциональные схемы, по формату не превышающие размеры листа пояснительной записки, следует располагать по тексту, в противном случае – в приложении к записке.

Таким образом, функциональные схемы, благодаря применению сложных УГО модулей и элементов, отсутствию информации о типономиналах стандартных ИМС и о конструктивном расположении (по корпусам ИМС) элементов, дают ясное представление о способах реализации функций и более просты в чтении и анализе.

Принципиальные схемы, как и функциональные, должны удовлетворять требованиям 2.3.1., 2.3.3., 2.3.4. , 2.3.6., 2.3.8 (см. выше.)

В отличие от требования 2.3.5., на принципиальных схемах позиционные обозначения цифровых элементов должны содержать сведения о конструктивной принадлежности к ИМС стандартного вида (промышленного выпуска). Например, микросхема К155ЛАЗ содержит 4 логических элемента 2И-НЕ, имеющих индивидуальные входы и выходы Ее можно показать одним УГО в виде прямоугольника, разделенного линиями на 4 одинаковые части (по числу элементов), либо УГО каждого элемента расположить в различных местах схемы.

В последнем случае позиционные обозначения необходимо сформировать с учетом принадлежности элемента к названной микросхеме. Позиционное обозначение состоит из одной или двух букв латинского алфавита, порядкового номера ИМС в схеме и номера элемента в составе ИМС.

Буквенный код  указывает вид ИМС (цифровая или аналоговая). Если в схеме имеются и цифровые и аналоговые ИМС, то применяют двухбуквенный код: DD – для цифровых; DA – для аналоговых. Однобуквенный код из одной буквы D следует использовать, когда в схеме нет аналоговых ИМС.

Микросхемы нумеруются десятичными числами слева-направо и сверху-вниз чертежа или рисунка принципиальной схемы. Номер микросхемы записывают после буквенного кода позиционного обозначения без пробела(например, D23 – двадцать третья цифровая ИМС).

Номер элемента в составе ИМС записывается через точку после номера ИМС. Например, D23.4 будет соответствовать позиционному обозначению 4-го элемента в ИМС с позиционным обозначением D23.

В курсовом проекте по ЦСТ устройства достаточно простые. Поэтому нет надобности учитывать в позиционных обозначениях элементов их принадлежность к тому или иному конструктивному блоку.

Так как принципиальные схемы разрабатываются только на ИМС и электрорадиоэлементах промышленного выпуска, то все УГО элементов и ИМС промышленного выпуска имеют ограниченное число входов и выходов. Данный факт приводит к необходимости разрабатывать схемы с большим числом входов (или выходов) на ИМС с меньшим числом выводов. Тогда как на функциональной схеме можно показать УГО элемента с произвольным числом выводов.

Принципиальную схему всего проектируемого устройства, как указано выше, следует оформить чертежом стандартного формата согласно требованиям ГОСТов к схемной документации. Эти требования сводятся к следующему.

2.3.9. Чертеж должен иметь основную надпись по форме 1 по ГОСТ 2.104-68 (СТ СЭВ 140-74, СТ СЭВ 356-76). Формат ее приведен на рисунке 1, пример заполнения – на рисунке 2. 

 В основной надписи (см. рисунок 1) необходимо указать:

в графе (1) - наименование изделия;

в графе (2) - обозначение документа (чертежа) в соответствии с ГОСТ 2.201-80:

ХХХХ. ААААBB. CCCDD

ХХХХ - АиПУ - условное сокращенное наименование кафедры автоматики и процессов управления;

АААА - Тема курсового проекта по первым буквам 3-4-х ключевых слов в названии.

BB – аббревиатура «курсовой проект» - КП;

CCC - порядковый регистрационный номер - три последние цифры шифра студента по студенческому билету;

DDD - шифр документа по ГОСТ 2.102-68 и ГОСТ 2.701-84:

ВО - чертеж общего вида;

МЧ - монтажный чертеж;

ПЗ - пояснительная записка;

СБ - сборочный чертеж;

ТБ - таблица;

ТЧ - теоретический чертеж;

РР - расчет;

Э1 - схема структурная;

Э2 - схема функциональная;

Э3 - схема принципиальная (полная);

Э4 - схема соединений (монтажная);

Э5 - схема подключения;

Э6 - схема общая;

Э7 - схема расположения;

в графе (3) - обозначение материала детали (графу заполняют только на чертежах деталей);

в графе (4) «КП»- курсовой проект;

в графе (5) - масса изделий;

в графе (6) - масштаб чертежа;

в графе (7) - порядковый номер листа;

в графе (8) - общее количество листов документа (графу заполняют только на первом листе);

в графе (9) - СурГУ, факультет, номер группы;

в графе (10) - фамилия студента, выполнившего курсовой проект ;

в графе (11) - фамилия руководителя проекта ;

в графе (12) - фамилия ответственного за нормоконтроль;

в графах (14) - (17) - подписи лиц, указанных в графах (10)-(13);

в графах (18)-(21) - даты подписания документа;

в графах (22)-(26) - не заполняются.

Рисунок 2 - Пример заполнения основной надписи.

2.3.10. Все поле чертежа условно делится на основе (рабочее) и дополнительные. Основное поле – это центральная часть чертежа и область слева от основной надписи (так как чтение схемы обычно выполняется от верхнего левого угла, вниз и вправо). Правый нижний угол чертежа – место расположения основной надписи, над основной надписью (вверх) – правое дополнительное поле, в котором показывают «выходные цепи» рассматриваемого устройства, а также  приводят спецификацию на элементы принципиальной схемы (если это возможно). В левом и верхнем полях чертежа располагают «выходные цепи» устройства и снабжают их соответствующими надписями либо оформляют в виде условного обозначения электрических разъемных соединений («разъемов»). Нижняя часть чертежа («подвал») отводится для примечаний.

      2.3.11. Примечания к принципиальной схеме должны содержать:

-         указания по подключению выводов микросхем к шинам источника питания;

-         рекомендации по выбору типов и номиналов электрорадиокомпонентов для их эквивалентной замены при настройке схемы (коммутирующих элементов, резисторов, конденсаторов, диодов и т. д);

-         рекомендации и указания по выбору дополнительных источников питания (их мощности, напряжению), если таковые необходимые, а сведений о них на чертеже нет.

Примечания выполняют текстом с указанием позиционных обозначений элементов и ИМС. Пункты примечаний нумеруют, чтобы на них можно было сослаться в тексте пояснительной записки.

Еще несколько замечаний по компоновке схемы  на основном поле чертежа.

Как правило, в проектируемом устройстве можно выделить несколько «путей» преобразования входных сигналов – по количеству реализуемых функций. Часть преобразований выполняется одновременно, параллельно, а часть – последовательно. Некоторые можно назвать главными или основными, а другие – вспомогательными или второстепенными.

Целесообразно схему (или часть), реализующую основное преобразование и образующую главный путь, расположить вверху рабочего поля чертежа слева-напрво. Если есть несколько равнозначных путей, то соответствующие фрагменты схемы располагают сверху-вниз и слева-направо. Фрагменты же, выполняющие вспомогательные преобразования, следует поместить ближе к «подвалу» чертежа или (и) к правому дополнительному полю. В таком случае позиционные значения обозначения элементов приобретут близкие друг к другу порядковые номера, тем самым обеспечивается легкость поиска элементов на схеме (при упоминании позиционных обозначений в пояснительной записке) и логическая взаимосвязь описательного текстового материала со схемной документацией.

Плотность (насыщенность) чертежа не должна быть чрезмерной и в то же время на рабочем поле не должны оставаться свободные места. Этого можно достичь правильным выбором формата чертежа при соблюдении требований к размерам условных графических обозначений элементов и линий электрических связей на рассматриваемой схеме.

Часто нормальную насыщенность чертежа (схемы) можно обеспечить рациональным использованием линий групповой электрической связи – «шин» или «жгутов». То есть однолинейного и многолинейного способов изображения электрических соединений элементов.

Следует помнить основные правила выполнения групповой связи:

-         линия групповой связи показывается удвоенной толщиной;

-         нельзя в шину «прятать» электрические соединения линий. Необходимо эти соединения показать вне жгута;

-         линии одиночной связи (входящая и выходящая из шины) помечаются одинаковыми порядковыми номерами, не могут являться продолжением одна другой и должны располагаться в различных местах шины);

-         входящая и выходящая линии вычерчиваются к шине под прямым углом либо с изломом под углом в 45. Причем излом показывает направление, в котором следует искать выходящую и, соответстственно, входящую линии;

-         в одну линию групповой связи допускается объединять линии электрических соединений элементов только одного функционального назначения. Не следует «опутывать» все элементы схемы одной шиной!

Дополнительные рекомендации по оформлению графической части проекта приведены в разделе 3 (см. ниже).

СОДЕРЖАНИЕ... 

3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

            «Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания … еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и алгоритма его функционирования…»(ГОСТ 22487-77). Как правило, первичное описание и алгоритм задаются на естественном языке и могут иметь некорректные условия, которые ведут к неоднозначности либо невозможности «создания» объекта проектирования (ОП). Задача исполнителя – устранить некорректности и получить такое описание следуя которому можно реализовать (построить) ОП. Поэтому проектирование, по сути, - процесс перехода от первичного описания к результирующему (конечному) описанию, достаточному для построения ОП или продолжения проектирования.

            Курсовой проект по ЦСТ следует рассматривать как промежуточное проектное решение, результатом которого является принципиальная схема ОП. (Согласно ГОСТ 2.103-68 существуют 5 стадий, из них «Техническое предложение» – вторая стадия!)

В зависимости от характера решаемых задач различают структурное, функционально-логическое и техническое проектирование (задачи 1.1 – 1.4 см. выше).

При структурном проектировании выбираются, конкретизируются принципы построения устройства в целом. Определяется состав, устанавливаются связи взаимодействия между отдельными частями-блоками, формулируются требования к каждому блоку и выполняемым им функциям. Это – задача 1.1

Функционально-логическое проектирование направлено на  поиск и выбор способов реализации функций, возлагаемых на каждый блок. В результате определяются типы, номенклатура

функциональных узлов и модулей, входящих в тот или иной блок, то есть функциональный состав блоков, образующих устройство. Этот материал соответствует задаче 1.2

Техническое проектирование (задачи 1.3 и 1.4) представляет собой дальнейшую детализацию проектных решений: выбираются типы физических элементов, на которых будет реализовано устройство, т.е. элементная база; конкретизируются типо-номиналы элементов и модулей; проводятся расчеты на обеспечение заданных технических требований.

Таким образом, проектирование ведется «сверху-вниз» – от общих представлений об ОП к частной его реализации на заданной (или выбранной) элементной базе в заданных условиях функционирования.

Рассмотрим несколько подробнее методы решения указанных задач и состав разделов основной части ПЗ.

СОДЕРЖАНИЕ... 

3.1. Выбор принципов построения

 Принципы построения – это совокупность основополагающих технических решений, идей и методов, предопределяющих назначение, структуру и основные характеристики устройства. Выбрать принципы построения – значит сделать выбор метода, следуя которому можно достигнуть решения, а затем найти его.

Основным является функционально-блочный, функционально-узловой метод, базирующийся на разбиении (декомпозиции) сложной задачи на ряд более простых. Декомпозиция ведется по «функциональному» признаку, т.е. по тем преобразованиям – функциям, которые необходимо выполнить над исходными данными для достижения конечного результата. При этом преобразования могут быть достаточно сложными, состоять из одной или нескольких процедур, каждая из которых может быть реализована несколькими операциями.

Конечным результатом выбора принципов является структурная электрическая схема устройства. Количество блоков в схеме определяется количеством подзадач, выделенных при декомпозиции. Связи между блоками должны отображать последовательность решения подзадач и, соответственно, последовательность функциональных преобразований.

Взаимодействие проектируемого устройства с внешними отображается соответствующим числом входных и выходных связей («входов» и «выходов»). Поэтому структурная схема – это условное графическое представление, показывающее количество, номенклатуру блоков устройства, взаимосвязи между блоками и с внешними устройствами.

Обычно понятием «блок» охватывается часть устройства, реализующая одну достаточно сложную функцию либо несколько простых, объединенных одним функциональным назначением. Например, «блок ввода информации»» … может осуществлять: преобразование «параллельного кода в последовательный» или наоборот; временное хранение информационных сигналов или (и) их… «защиту по паритету» и т.д. Другой пример – «блок контроля входной информации»…может проверять входные сигналы по их параметрам (амплитуде, длительности, полярности и др.) и выполнять логический контроль: четности/нечетности, мажоритарности, селекции по комбинациям и т.д.

В понятие «функциональный узел», как правило, вкладывается меньшая по сравнению с «блоком» часть: например, функциональным узлом может быть схема контроля четности/нечетности входных сигналов…

Чтобы разработать структурную схему некоторого устройства, необходимо выбрать техническую идею его реализации, определить все составляющие действия (преобразования) и последовательности их выполнения. Для этой цели следует изучить по литературным источникам возможные пути (методы) решения задач, аналогичных задачам проектируемого устройства; сравнить эти пути и выбрать такой, который бы привел к наиболее простому решению.

Эти сведения приводятся в пояснительной записке в качестве обоснования выбора принципов построения ОП. Обоснованием также служит материал, показывающий необходимость того или иного преобразования (и, соответственно, блока, узла) для достижения промежуточной или конечной цели. При обосновании рассматриваются возможные варианты схем, приводится теоретический материал и делаются ссылки на источники, где есть необходимые доказательства.

Содержание первой главы целесообразно разбить на два параграфа. В первом изложить все сведения, относящиеся к выбору и обоснованию принципов построения. Во втором рассмотреть по-блочно составные части ОП, сформулировать в общем виде функции каждого блока, обосновать количество и назначение входов и выходов блока, а также последовательности входных и выходных сигналов. Этот параграф закончить описанием функционирования проектируемого устройства по структурной схеме и постановкой задачи на функционально-логическое проектирование.

            Как предостережение отметим распространенную методическую ошибку исполнителей – игнорируя предварительное обоснование начинают описывать структурную схему, как нечто «кем-то» данное!? Например, «…БДШ – блок дешифратора предназначен для декодирования поступающих сигналов…»!

            Так как структурная схема дает общее представление о составе устройства на уровне функциональных блоков и о их взаимодействии, а «сложность» блоков определяется исполнителем эвристически, то существует возможность «перекомпоновки» некоторых преобразований - функции по блокам. То есть за счет придания некоторому блоку большего или меньшего числа функций, можно менять как количество блоков в схеме, так и характер и количество связей между блоками. Сказанное подчеркивает тот факт, что для одного и того же устройства можно разработать несколько структурных схем, отображающих различные варианты его декомпозиции. Если сложность блока определять количеством реализуемых им функций, то необходимо стремиться к такому варианту, чтобы сложности всех блоков были примерно одинаковыми. Тогда получим оптимальную структуру проектируемого устройства.

            Однако существуют варианты, когда оптимальность состава может быть обеспечена при различной сложности блоков. Это случаи, при которых некоторые преобразования нельзя разделить на более простые без того, чтобы не придти к простейшим операциям, например, логическим. Поэтому не следует предусматривать отдельный блок, если ему будет предписано реализовать простейшие логические функции либо ИЛИ, либо И, либо инверсии.

            Структурные схемы должны удовлетворять требованиям ГОСТ 2.701-84 (Схемы, виды и типы); источник питания на таких схемах не показывать; взаимодействия указать линиями различной толщины, вычерчивая утолщенными линии групповой связи. Связи пометить наименования сигналов, например: ПУСК, СТОП, ИНФ.- информация, СИНХР.- синхронизация, ЗАП. – запись, КОНТР. –контроль и т.д .

            Рисунки структурных схем следует помещать по тексту ПЗ после ссылки на них.

 СОДЕРЖАНИЕ...

3.2. Функционально-логическое проектирование

Оно представляет собой дальнейшую проработку принятых на этапе структурного проектирования проектных решений. Результатом же является функциональная схема.

Разрабатывают функциональные схемы (ФС) на основе структурных по-блочно, в последовательности, предопределяемой порядком выполнения преобразований выходных сигналов-воздействий в выходные, т.е. от входов к выходам. Это относится не только к устройству в целом, но и к разработке ФС каждого блока, взятого отдельно. А в итоге из отдельных функциональных схем составляется общая ФС объекта проектирования.

В соответствии с ГОСТ 2.701-84 функциональная схема должна содержать сведения о способах реализации устройством (или блоком) заданных функций. По такой схеме можно определить, как осуществляются преобразования и какие для этого необходимы функциональные элементы, модули и узлы. (Подобной информации структурные схемы не представляют).

            Чтобы разработать ФС какого-либо блока, следует, во-первых, проанализировать характер изменения и форму представления входных и выходных сигналов, их назначение (смысловое) и последовательности во времени. Во-вторых, сформулировать зависимости выходных сигналов от входных, акцентируя внимание на заданных временных соотношениях между различными входными, различными выходными и между выходными и входными сигналами. При этом особо отметить наличие временных задержек, заданных длительностей и неоднозначности соответствия наборов значений выходных сигналов наборам входных. В-третьих, по результатам такого анализа дать ответы на два вопроса:

1. Относится ли рассматриваемый блок к комбинационным либо последовательностным логическим устройствам?

2. Требуется ли декомпозиция блока?

            Если значения выходных сигналов однозначно определяются значениями входных в каждый рассматриваемый момент времени, то блок следует считать комбинационным и выбрать соответствующий метод синтеза [3,4]. В противном случае необходимо воспользоваться методами синтеза последовательностных логических устройств [3,4].

            Положительный ответ на второй вопрос появляется в тех случаях, когда выбранный метод не позволяет отыскать ФС блока в целом из-за большой размерности задачи. Тогда, применяя функционально-узловой метод, необходимо выполнить декомпозицию и затем использовать выбранный метод синтеза для поиска ФС каждого функционального узла отдельно.

            Особенностью проектирования цифровых устройств является возможность применения типовых функциональных модулей (и узлов) в интегральном исполнении. Таких как: шифраторы двоичного безызбыточного кода; полные декодеры (декодеры-демультиплексоры); мультиплексоры - селекторы;  программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) и логические матрицы (ПЛМ); арифметические сумматоры; счетчики импульсов; буферные запоминающие и универсальные сдвиговые регистры и т.д. Для них нет надобности отыскивать функциональные схемы и использовать, соответственно, формализованные методы их синтеза. Для них ГОСТами рекомендованы условные графические обозначения (УГО) и правила их формирования. Поэтому исполнителю достаточно выделить из сложной задачи такие подзадачи, которые могут быть решены с помощью названных модулей, а затем сформировать УГО последних. К сожалению, для большинства указанных модулей до сих пор не разработаны формализованные методы их применения. И основным является эвристический метод. Сведения по правилам формирования УГО модулей, логических и других элементов, используемых при построении функциональных схем, находятся в ГОСТ 2.710-81 и справочной литературе.

            Кроме того, проектирование на основе универсальных логических модулей позволяет строить устройства (и блоки) как с типовой структурой, так и с индивидуальной. В первом случае набор функциональных модулей и порядок их взаимодействия остаются неизменными независимо от решаемой задачи. Во втором – набор и порядок взаимодействия модулей меняются в зависимости от конкретных условий. Следует проанализировать оба варианта и выбрать приводящий к наименьшим аппаратным затратам [5,6]

            Зависимости выходных сигналов от входных могут быть выражены аналитически (результат формальных методов), графо-аналитически (результат формализованных методов) или графически - с помощью временных диаграмм и функциональных схем, содержащих нормированные ГОСТами УГО модулей, при описании на естественном языке.

            Способ представления зависимостей (функций) определяется выбранным методом разработки ФС и предопределяет строгость, доказательность и компактность изложения материала. Необходимо стремиться к использованию формальных методов, т.к. они помимо отмеченных преимущества позволяет достичь нескольких вариантов схем. Для этого выполняют эквивалентные преобразования аналитических выражений, являющихся логико-математической моделью проектируемого устройства (или блока, или функционального узла). Только в сравнении вариантов можно принять оптимальное решение!

            Часто функциональный узел или блок не имеет «входов» либо входные воздействия не «преобразуются», а управляют «преобразование»…такие устройства называют автономными, соответственно неуправляемыми и управляемыми. К ним относятся различные генераторы последовательностей импульсов. По определению, генератор – это функциональный узел, преобразующий энергию источника питания в энергию периодических колебаний. Для генератора входным «воздействием» является включения источника питания, а момент его включения есть момент появления входного воздействия.

            При проектировании автономных устройств следует предусмотреть «задатчик» преобразуемых воздействий, в качестве которого проще выбрать генератор прямоугольных импульсов, работающий в автоколебательном режиме, - задающий генератор. Выходные сигналы этого генератора затем использовать как преобразуемое воздействие. Характер и вид преобразований будут определяться требованиями к выходным сигналам устройства и наличием управляющих сигналов.

            Разрабатывая функциональные схемы следует учитывать их особенности по отношению к структурным и принципиальным схемам. В сравнении со структурной, на функциональной схеме все УГО элементов и модулей должны соответствовать ГОСТам. Причем УГО можно формировать самостоятельно, руководствуясь требованиями простоты и наглядности схемы без учета наличия таких модулей в конкретной серии ИМС. В этом – существенное отличие ФС от принципиальных схем.

            Например, необходим 12-рязрядный двоичный счетчик импульсов, работающий на вычитание. На ФС можем нарисовать одно УГО с соответствующим числом выходов и входов, следуя правилам ГОСТ 2.743-82. А на принципиальной схеме так сделать нельзя, поскольку ни в одной серии ИМС таких счетчиков нет. И реализовать счетчик на конкретных ИМС -–уже задача разработки принципиальной схемы.

            Материал, посвященный разработке ФС, оформляют в ПЗ в гл.2. Количество параграфов исполнитель определяет в зависимости от числа и сложности задач разработки функциональных схем структурных блоков.

            Выбрав метод, следует изложить его этапы, сделать ссылку на литературный источник, где сущности этапов объяснены. Затем, по-этапно, решить поставленную задачу, акцентируя внимание на заданных условиях и требованиях к выходным сигналам. Если проектируется последовательное логическое устройство, то его работа иллюстрируется временными диаграммами, на которых отображают характерные моменты, интервалы времени и значения сигналов, и оценки быстродействия блока. А при разработке принципиальной схемы эти соотношения используются для расчета параметров элементов и выбора ИМС.

            Закончить вторую главу следует анализом функционирования всего устройства по общей функциональной схеме, иллюстрируя этот анализ соответствующими временными диаграммами. Причем общие временные диаграммы строятся на основе диаграмм для отдельных блоков и описывают работу устройства (ОП) на уровне «вход-выход» по –блочно, не детализируя преобразования в каждом блоке.

 СОДЕРЖАНИЕ... 

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 – Рсумм. В первом приближении Рсумм рассчитывается как сумма максимальных мощностей, потребляемых микросхемами.

Р_сумм = ∑ Р_макс.i * ni                                                               (1)

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

ni  – количество ИМС i-го номинала;

М  – число различных типономиналов ИМС, входящих в устройство.

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

Р_макс.i = I_пот.i * U_пит.                  (2)

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

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

             Иногда вместо Iпот.  приводятся токи, потребляемые микросхемой в состоянии лог.0 (I0 пот.) и лог.1(I1 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 Рдин. Можно расчитать по формуле:

Рдин ≈  Рном (1+0.21f),              (3)

где f  – частота переключения состояния МГц;

Рном - 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 Рсумм 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:

Δt_∑ = ∑ Δt_зд (к)                                        (4)

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

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

Δt_зд = (t1.0 + t0.1 )/2                             (5)

            В формуле (5): t1.0  - задержка распространения сигнала при переходе от уровня лог.1 к уровню лог.0;

t0.1 - 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 Δ t_∑max.

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

Δt ≥ Δ t_∑max + Δt₀                          (6)

где Δt₀ - 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 (Fгр.раб) схемы из нескольких последовательно соединенных ИМС можно определить по формуле

F_гр.раб= (Δ t_∑max + Δt₀)/2                     (7)

Смысл выражения (7): если частота входных воздействий будет превышать Fгр.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 t1.0 и t0.1 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.

 СОДЕРЖАНИЕ... 

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.