Файл: Лабораторная работа 1 по дисциплине Элементная база телекоммуникационных систем разработка интегрального цифрового устройства.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 213
Скачиваний: 17
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Федеральное агентство связифедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Сибирский государственный университет телекоммуникаций иинформатики»(СибГУТИ)11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи,профиль Защищённые сети связи(дистанционная форма обучения)Лабораторная РАБОТА №1по дисциплине «Элементная база телекоммуникационных систем»РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВАВыполнила:студент ФАЭС,гр. ЗБТ-22 П.Д. Чмаркова«__»_________ 2023 г. Новосибирск 2023Цель работыНаучиться составлять электрические схемы цифровых устройств на основе базовых цифровых интегральных микросхем (ЦИМС).Уравнение:Y2=X1∙Х2∙X3+X4∙X5∙X6Задание - На основе анализа исходных уравнений задания произвести их упрощение (если это возможно) и преобразование. Цель преобразования – привестиуравнения к виду,удобномудля реализации.- Составить формальную электрическую схему устройства и привестисписок необходимых базовых элементов. Количество типов ЦИМС и корпусовИМС должнобытьповозможности минимальным.- Наосновеанализаданныхзаданияобосноватьвыбортипалогики(ТТЛ, ТТЛШ, КМДП) и подходящих по параметрам серий. При выборе ИМСвозможно использование ИМС с различным типом логики (например, ТТЛ иТТЛШ, ТТЛШ и КМДП и т.д.) при условии их совместимости по параметрам,совместимостипопитанию(всеИМСдолжныпитатьсяот одногоисточника).- Выводы о результатах выполненной работы (в частности, можно указатьи другие варианты реализации устройства).В задании приведены уравнения с параметрами Y и Х. В этих уравнениях Y1, Y2, Y3, Y4 – выходные логические сигналы устройства, Х1, Х2, Х3, Х4, Х5, Х6, X7, X8 – входные логические сигналы (их количество в разных вариантах может быть до восьми).
Выполнение Разработка электрической схемы цифрового устройства, выполняющего определенные заданием функции, проводится в следующей последовательности: 1. На основе анализа исходных уравнений задания произвести их упрощение (если это возможно) и преобразование. Цель преобразования – привести уравнения к виду, удобному для реализации.Заданную функцию Y2=X1∙Х2∙X3+X4∙X5∙X6 нельзя упростить, используя законы алгебры логики или другие способы. Но можно максимально преобразовать к виду, позволяющему использовать всего один корпус микросхемы ТТЛ серии или КМОП, на базе трехвходового элемента 3И-НЕ.Известно, что базовыми элементами являются элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Элементы И, ИЛИ получаются на практике соединением элементов И-НЕ и НЕ, ИЛИ-НЕ и НЕ. Поэтому элементы И, ИЛИ имеют обычно большее время задержки и большую потребляемую мощность. К тому же во многих сериях ИМС выбор элементов И, ИЛИ очень ограничен. Особенно ограничен выбор многовходовых элементов – как в данном случае нужен элемент 3И. И при решении задачи в виде прямого следования формуле останется не использованным логический элемент в ИМС 3И, а также понадобится ещё один корпус другой ИМС для выполнения операции 2ИЛИ, в котором останутся не использованными 3 логических элемента. Поэтому предлагается сделать следующее преобразование.Запишем заданное выражение как:Y2=X1∙Х2∙X3+X4∙X5∙X6=Z1+Z2,где Z1=X1∙Х2∙X3 и Z2=X4∙X5∙X6.Тогда на основании закона дуальности (или теоремы де Моргана) можно записать что:Итоговое выражение для заданной функции примет вид:2. Составить формальную электрическую схему устройства и привести список необходимых базовых элементов. Количество типов ЦИМС и корпусов ИМС должно быть по возможности минимальным.В соответствии с логическим уравнением нужно использовать логические элементы, реализующие функции 3И-НЕ и 2И-НЕ. В одном корпусе микросхемы, реализующей функцию 3И-НЕ содержится не один, а три базовых элемента 3И-НЕ. Для рационального использования ИМС можно предложить использовать лишний трехвходовой элемент как двухвходовой, подав на не используемый вход логическую единицу. И тогда потребуется только один корпус микросхемы 3И-НЕ.
Формальная электрическая схема устройства показана на рисунке 1.Рисунок 1 ‒ Формальная электрическая схема устройства3. На основе анализа данных задания обосновать выбор типа логики.В данном задании выбраны базовые элементы 3И-НЕ для реализации логической функции. Выбор конкретной серии микросхем зависит от требуемой мощности и быстродействия, в задании эти параметры не указаны. Так как формальная электрическая схема устройства не отличается большой сложностью, то выберем в качестве критерия требование минимальной потребляемой мощности при возможности сопряжения с широко используемыми микросхемами ТТЛ и ТТЛШ серий.Предлагается для практической реализации использовать современную серию микросхем типа КР1564 (аналог SN74HCТ).Функциональный ряд современной серии КМОП-микросхем КР1564 содержит полнофункциональные эквиваленты микросхем ТТЛШ-серий КР1533 (74ALS) и К555 (74LS), которые полностью совпадают как по выполняемым функциям, так и по разводке выводов (цоколевке). Современные КМОП-микросхемы серии КР1564 по сравнению с их прототипами, сериями К176 и К561, потребляют значительно меньшую динамическую мощность и многократно превосходят их по быстродействию. Для сопряжения с ТТЛШ сериями КР1533 и К555 не требуется других ИМС для преобразования уровней сигналов, если питание ИМС КР1564 равно +5В.Для построения реальной схемы из функционального ряда серии КР1564 выбираем микросхему КР1564ЛА4 содержащую три элемента 3И-НЕ в одном корпусе. Таким образом, будет использована целиком вся микросхема. Отметим, что все логические элементы КР1564ЛА4 имеют стандартный ТТЛ выход.Микросхема КР1564ЛА4 имеет типовое напряжение питания +5В, но может работать от 2В до 6В, динамический ток потребления не более 1мА, статический ток потребления не более 2мкА и задержка распространения сигнала 19-23нс.Для подачи на вход сигнала логической 1 можно непосредственно соединить вход микросхемы с источником питания Еп=5В. Таким образом, практическая схема будет выглядеть, как показано на рисунке 2.Рисунок 2 – Схема устройства на микросхеме КР1564ЛА44. Выводы о результатах выполненной работы (в частности, можноуказать и другие варианты реализации устройства).
В результате разработки заданного устройства получена реализация на базе одной микросхемы типа КР1564ЛА4. При необходимости увеличения характеристик быстродействия устройства можно предложить использование микросхемы КР1554ЛА4, относящиеся по структуре к группе КМОП. Микросхемы серии КР1554 практически по всем параметрам превосходят микросхемы ТТЛ и КМОП всех серий, лишь незначительно уступая по задержке переключения наиболее быстродействующим микросхемам ТТЛШ. При необходимости большего снижения потребляемой мощности и стоимости можно рекомендовать использование микросхем, выполненных по КМОП технологии предыдущих поколений, например, К561ЛА9 или КР1561ЛА9.Список использованной литературы1. Степаненко И. И. Основы микроэлектроники . Лаборатория Базовых Знаний, 2001.2. Бобровский Ю.Л. и др. Под ред. Федорова Н.Д. Электронные, квантовыеприборы и микроэлектроника. -М.: Радио и связь,1998.3. Алексенко А. Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь, 1990.4. Аваев Н.А., Наумов Ю. Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. -М.:Радио и связь, 1991.
Выполнение Разработка электрической схемы цифрового устройства, выполняющего определенные заданием функции, проводится в следующей последовательности: 1. На основе анализа исходных уравнений задания произвести их упрощение (если это возможно) и преобразование. Цель преобразования – привести уравнения к виду, удобному для реализации.Заданную функцию Y2=X1∙Х2∙X3+X4∙X5∙X6 нельзя упростить, используя законы алгебры логики или другие способы. Но можно максимально преобразовать к виду, позволяющему использовать всего один корпус микросхемы ТТЛ серии или КМОП, на базе трехвходового элемента 3И-НЕ.Известно, что базовыми элементами являются элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Элементы И, ИЛИ получаются на практике соединением элементов И-НЕ и НЕ, ИЛИ-НЕ и НЕ. Поэтому элементы И, ИЛИ имеют обычно большее время задержки и большую потребляемую мощность. К тому же во многих сериях ИМС выбор элементов И, ИЛИ очень ограничен. Особенно ограничен выбор многовходовых элементов – как в данном случае нужен элемент 3И. И при решении задачи в виде прямого следования формуле останется не использованным логический элемент в ИМС 3И, а также понадобится ещё один корпус другой ИМС для выполнения операции 2ИЛИ, в котором останутся не использованными 3 логических элемента. Поэтому предлагается сделать следующее преобразование.Запишем заданное выражение как:Y2=X1∙Х2∙X3+X4∙X5∙X6=Z1+Z2,где Z1=X1∙Х2∙X3 и Z2=X4∙X5∙X6.Тогда на основании закона дуальности (или теоремы де Моргана) можно записать что:Итоговое выражение для заданной функции примет вид:2. Составить формальную электрическую схему устройства и привести список необходимых базовых элементов. Количество типов ЦИМС и корпусов ИМС должно быть по возможности минимальным.В соответствии с логическим уравнением нужно использовать логические элементы, реализующие функции 3И-НЕ и 2И-НЕ. В одном корпусе микросхемы, реализующей функцию 3И-НЕ содержится не один, а три базовых элемента 3И-НЕ. Для рационального использования ИМС можно предложить использовать лишний трехвходовой элемент как двухвходовой, подав на не используемый вход логическую единицу. И тогда потребуется только один корпус микросхемы 3И-НЕ.
Формальная электрическая схема устройства показана на рисунке 1.Рисунок 1 ‒ Формальная электрическая схема устройства3. На основе анализа данных задания обосновать выбор типа логики.В данном задании выбраны базовые элементы 3И-НЕ для реализации логической функции. Выбор конкретной серии микросхем зависит от требуемой мощности и быстродействия, в задании эти параметры не указаны. Так как формальная электрическая схема устройства не отличается большой сложностью, то выберем в качестве критерия требование минимальной потребляемой мощности при возможности сопряжения с широко используемыми микросхемами ТТЛ и ТТЛШ серий.Предлагается для практической реализации использовать современную серию микросхем типа КР1564 (аналог SN74HCТ).Функциональный ряд современной серии КМОП-микросхем КР1564 содержит полнофункциональные эквиваленты микросхем ТТЛШ-серий КР1533 (74ALS) и К555 (74LS), которые полностью совпадают как по выполняемым функциям, так и по разводке выводов (цоколевке). Современные КМОП-микросхемы серии КР1564 по сравнению с их прототипами, сериями К176 и К561, потребляют значительно меньшую динамическую мощность и многократно превосходят их по быстродействию. Для сопряжения с ТТЛШ сериями КР1533 и К555 не требуется других ИМС для преобразования уровней сигналов, если питание ИМС КР1564 равно +5В.Для построения реальной схемы из функционального ряда серии КР1564 выбираем микросхему КР1564ЛА4 содержащую три элемента 3И-НЕ в одном корпусе. Таким образом, будет использована целиком вся микросхема. Отметим, что все логические элементы КР1564ЛА4 имеют стандартный ТТЛ выход.Микросхема КР1564ЛА4 имеет типовое напряжение питания +5В, но может работать от 2В до 6В, динамический ток потребления не более 1мА, статический ток потребления не более 2мкА и задержка распространения сигнала 19-23нс.Для подачи на вход сигнала логической 1 можно непосредственно соединить вход микросхемы с источником питания Еп=5В. Таким образом, практическая схема будет выглядеть, как показано на рисунке 2.Рисунок 2 – Схема устройства на микросхеме КР1564ЛА44. Выводы о результатах выполненной работы (в частности, можноуказать и другие варианты реализации устройства).
В результате разработки заданного устройства получена реализация на базе одной микросхемы типа КР1564ЛА4. При необходимости увеличения характеристик быстродействия устройства можно предложить использование микросхемы КР1554ЛА4, относящиеся по структуре к группе КМОП. Микросхемы серии КР1554 практически по всем параметрам превосходят микросхемы ТТЛ и КМОП всех серий, лишь незначительно уступая по задержке переключения наиболее быстродействующим микросхемам ТТЛШ. При необходимости большего снижения потребляемой мощности и стоимости можно рекомендовать использование микросхем, выполненных по КМОП технологии предыдущих поколений, например, К561ЛА9 или КР1561ЛА9.Список использованной литературы1. Степаненко И. И. Основы микроэлектроники . Лаборатория Базовых Знаний, 2001.2. Бобровский Ю.Л. и др. Под ред. Федорова Н.Д. Электронные, квантовыеприборы и микроэлектроника. -М.: Радио и связь,1998.3. Алексенко А. Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь, 1990.4. Аваев Н.А., Наумов Ю. Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. -М.:Радио и связь, 1991.