Логическое проектирование схем цифровой схемотехники

Все многообразие цифровой схемотехники в зависимости от сложности выполняемых преобразований дискретных сигналов можно условно разделить на элементы, функциональные узлы, устройства и системы. Электронные схемы, реализующие простейшие функции алгебры логики, относят к классу элементов. Сюда относят схемы формирователей уровней, инверсии, сложения, умножения цифровых сигналов, значительную часть выпускаемых промышленностью компонентов цифровых интегральных микросхем (ИМС).

Функциональные узлы цифровой схемотехники выполняют функции генерирования, формирования импульсов по амплитуде и длительности, преобразования формы импульсных сигналов. К функциональным узлам относятся схемы, укорачивающие или расширяющие импульсы, автоколебательные генераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы, заторможенные генераторы-одновибраторы), генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока, различные виды запоминающих ячеек — триггеров и т. д. Функциональные узлы строятся на основе элементарных ИМС и дискретных компонентов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Устройства цифровой схемотехники обычно выполняют преобразования многоразрядными числами (счет, арифметические действия, щифрация, дешифрация, преобразование кодов, запоминание, считывание из памяти, отображение и т. д.) и состоят из комбинаций функциональных узлов и элементов, ото регистры, счетчики, сумматоры, преобразователи , оперативные запоминающие устройства ЭВМ, мультиплексоры, демультиплексоры, цифровые компараторы, преобразователи цифровой информации в аналоговую (ЦАП) и аналоговой информации в цифровую (АЦП).

Цифровые устройства в соответствии с некоторой архитектурой объединяются в системы, наиболее типичными представителями которых являются ЭВМ.

Технические параметры цифровых систем, устройств и узлов однозначно обусловлены параметрами используемых в них элементов. Простейшими элементами цифровой схемотехники являются электронные переключатели напряжения и тока.

Качество проектируемых цифровых устройств характеризуется системой параметров, основными из которых являются быстродействие, энергопотребление, помехозащищенность, надежность, стоимость, масса, объем и др. Все технические параметры систем прямо связаны с параметрами элементной базы и в значительной степени являются взаимно противоречивыми. Например, для обеспечения высокого быстродействия часто разработчик вынужден допускать рост энергопотребления, а увеличение надежности устройств требует доголнительных аппаратурных затрат и, как следствие, увеличиваются физический объем, масса и стоимость изделия. Процесс проектирования цифровых устройств, как и любого проектирования вообще, представляет собой поиск разумного компромисса, обеспечивающего допустимые значения технических параметров изделия.

Как правило, проектирование начинается с выбора элементной базы, представляющей собой совокупность простейших, конструктивно законченных электронных компонентов, обладающих свойством функциональной и технической полноты

Функционально полная элементная база обеспечивает реализацию минимального набора функций преобразования сигналов, достаточного для построения сколь угодно сложного устройства обработки информации. Любой конечный цифровой автомат можио реализовать в базисе функционально полных систем функций алгебры логики (см. гл. 2).

Устройства на основе некоторого минимального набора базисных функций, как правило, не оптимальны по затратам оборудования, быстродействию и другим связанным с ними параметрам (масса, объем, стоимость). Поэтому функционально полный набор элементов расширяют введением дополнительных элементов, упрощающих в процессе синтеза цифровых автоматов операцию их технической реализации. Такие достаточные наборы элементов называют технически полными.

По назначению элементы цифровой схемотехники. можно разделить на усилительные, формирующие, логические комбинационные, элементы памяти и последовательностные функциональные узлы, элементы потенциальной развязки, индикаторные элементы.

Усилительные элементы применяются для восстановления уровней цифровых сигналов, претерпевающих неизбежные изменения в процессе обработки информации, а также для согласования выхода какого-либо устройства с низкоомиой нагрузкой или линией связи. Формирующие элементы предназначены для преобразования амплитудно-временных параметров сигналов, увеличения или уменьшения длительности фронта нарастания или спада сигнала, увеличения или уменьшения длительности импульса, привязки нулевого и единичного уровней цифрового сигнала к заданному уровню и т. д.

Логические комбинационные элементы выполняют для реальных физических сигналов функции преобразования алгебры логики без запоминания информации. В качестве элементов памяти используются триггеры с двумя или более устойчивыми состояниями. На основе запоминающих элементов строятся последовательностные функциональные узлы, оперирующие многоразрядными числами. Элементы потенциальной развязки предназначены для реализации информационной связи различных цифровых устройств, в которых дискретно преобразованные сигналы представлены существенно отличающимися уровнями сигналов. Такая ситуация может возникнуть в случае питания комплексируемых цифровых устройств от различных источников питания. Индикаторные элементы обеспечивают визуализацию цифровых сигналов при вводе и выводе информации.

По способу кодирования цифровых сигналов элементы цифровой схемотехники подразделяют на импульсные, динамические, потенциальные, импульсно-потенциальные, широтно-импульсные, фазо-импульсные. В импульсных устройствах двоичио кодированный сигнал имеет значение «1» при наличии импульса или , если импульс в цепи отсутствует.

В динамических двоичных элементах единичное состояние идентифицируют по наличию в цепи непрерывной серии импульсов, а нулевое — по отсутствию серии импульсов.

В потенциальных элементах двоичные переменные кодируются соответствующей величиной электрического потенциала (или тока). В зависимости от способа присвоения значений и «1» различным уровням электрического потенциала вводятся понятия положительной и отрицательной логики. Положительной называют логику, в которой уровень «1» представлен более высоким потенциалом, чем уровень . В случае отрицательной логики «1» кодируется низким уровнем сигнала, а «0» — высоким.

В импульсно-потенциальных элементахсигналы представляются как импульсами, так и потенциалами, которые, как правило, используются для разрешения либо запрещения передачи импульса в некоторую цепь. Характер сигнала целесообразно определять по отношению к периоду основной тактирующей последовательности устройства. Импульсным считается сигнал с длительностью меньше длительности такта, а потенциальным — больше длительности такта.

Широтно-импульсные элементы чаще всего используются в устройствах многозначной логики. При этом присваиваемое сигналу значение идентифицируется одним из допустимых соотношений длительности импульса и паузы при постоянной длительности периода Т. Аналогично в фазо-импульсных элементах кодируемая сигналом цифра определяется положением импульса относительно некоторой опорной последовательности.

При любом способе кодирования сигналов в пределах используемой элементной базы должна быть обеспечена совместимость входных и выходных сигналов по амплитудно-временным параметрам. Это подразумевает единство правил дискретизации входных и выходных сигналов с учетом их естественного разброса. На рис. 4.1 на примере положительной логики показаны типичные области для двоично квантованного сигнала. Здесь — области допустимых значений соответственно нулевого и и единичного уровня сигнала, — области допустимых помех на уровне и - область допустимых уровней порогового напряжения , при котором происходит переключение элемента.

Допустимыми для двоичных потенциальных сигналов являются уровни, располагающиеся в областях А и Е. Уровни напряжения ниже области А и выше области Е недопустимы по техническим условиям на элементы, так как могут привесш к выходу их из строя. Уровни напряжения из областей В и D недопустимы с точки зрения помехоустойчивости элемента, я в области С состояние элемента вообще не определено. Статические уровни двоичного сигнала должны располагаться в областях и Е при наихудших, но допустимых условиях нагрузки при воздействии дестабилизирующих факторов (колебания напряжений источников питания, температуры окружающей среды, разброс и флуктуации параметров электронных компонентов, электромагнитные излучения, радиация и т. п.).

Параметры цифровых элементов разделяют на эксплуатационные, экономические, технические. Эксплуатационные параметры отражают такие качества элементов, как длительность безотказной работы, удобство установки и демонтажа, ремонтопригодность, габариты, масса и т. д. Экономические параметры характеризуют стоимость элемента, энергоемкость, содержание дорогостоящих и редких материалов. Экономические и эксплуатационные параметры используются для описания уже реализованных изделий. На начальном этапе проектирования разработчик ориентируется в основном на технические параметры серийных или разрабатываемых элементов, так как именно технические параметры элементов определяют реализуемость проектируемого устройства в выбранном элементном базисе.

Множество технических параметров разделяют на статические и динамические. Статические параметры характеризуют свойства и режимы работы элемента во всех предусмотренных техническими условиями состояниях.

Динамическяе параметры представляют собой ограничения, накладываемые на длительности этапов переходных процессов в цифровых элементах, и предельные частоты функционирования. Основные динамические параметры элементов во временной области показаны на рис. 4.2 на примере инвертирующего ЛЭ.