Моделирование элементов второго иерархического уровня

Цель работы:

Разработка функциональной схемы устройства. Получение и закрепление практических навыков проектирования и моделирования елементов второго иерархического уровня в системе автоматизированного проектирования OrCAD

Теоретические сведения:

Элементами 2 иерархического уровня для данного примера являются:

Триггеры RS, D;

Сумматоры;

Мультиплексоры;

Схемы реализуются на элементах первого иерархического уровня.

Триггер – простейшее последовательное логическое устройство, которое может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Триггеры являются базовым элементом последовательностных логических устройств. Входы триггера разделяют на информационные и управляющие (вспомогательные). Это разделение в значительной степени условно. Информационные входы используются для управления состоянием триггера. Управляющие входы обычно используются для предварительной установки триггера в некоторое состояние и для синхронизации. Триггеры чаще всего имеют 2 выхода: прямой Q и инверсный Q_i. Триггеры классифицируют по различным признакам:

· по способу приема информации;

· принципу построения;

· функциональным возможностям.

Различают асинхронные и синхронные триггеры.

Асинхронный триггер изменяем свое состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии сигнала на входе синхронизации.

Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход). Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от "0" к "1" (прямой динамический С -вход) или от "1" к "0" (инверсный динамический С -вход).

Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двухступенчатые (двухтактные). В одноступенчатом триггере имеется одна ступень запоминания информации, а в двухступенчатом — две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и по­является на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают через "ТТ".

По функциональным возможностям триггеры разделяют на следующие классы:

• с раздельной установкой состояния "0" и "1" (RS -триггеры);

• универсальные (JK -триггеры);

• с приемом информации по одному входу D (D -триггеры, или триггеры задержки);

• со счетным входом Т (Т -триггеры).

Входы триггеров обычно обозначают следующим образом:

S —- вход для установки в состояние "1";

R — вход для установки в состояние "0";

J — вход для установки в состояние "1" в универсальном триггере;

К — вход для установки в состояние "0" в универсальном триггере;

Т — счетный (общий) вход;

D — вход для установки в состояние "1" или в состояние "0";

V — дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (иногда используют букву Е вместо V).

На базе триггеров и логических элементов могут быть построены более сложные устройства, необходимые для дальнейшего проектирования конечного аппарата. Например, регистры, сумматоры, счетчики, мультиплексоры и т.д.

Сумматоры. Полный сумматор – устройство, предназначенное для сложения трех одноразрядных двоичных чисел А, В и С. Такая задача возникает при поразрядном сложении двух одноразрядных чисел, когда в качестве третьего слагаемого приходится учитывать перенос из предыдущего (младшего) разряда. Построение функциональной схемы полного сумматора можно выполнить в соответствии с таблицей его функционирования (табл. 1). В реальных схемах полный сумматор выполняется из двух полусумматоров.

Полусумматоры. Полусумматор, в отличие от полного сумматора, обеспечивает выполнение операции суммирования двух одноразрядных двоичных чисел А и В без учета сигнала переноса из младшего разряда. В результате сложения в общем случае наряду с суммой может получиться перенос. Функционирование полусумматора описывает табл. 2.

Таблица 1

№	Ai	Bi	Pi-1	Si	Pi

Таблица 2

Ai	Bi	Si	Pi

Мультиплексоры. Мультиплексором называется комбинационная схема, имеющая M +2 ^M входов и один выход, где М – число адресных входов, а 2 ^M – число информационных входов мультиплексора. Адреса представляют в двоичном коде, и им присваивается номер j. Каждому адресу с номером j соответствует свой информационный вход А_j, сигнал которого при данном адресе приходит на выход. Основным назначением мультиплексора является коммутация 2 ^М входных сигналов на один выход. Мультиплексоры могут использоваться в качестве устройства для выбора соответствующего канала

Регистры. Регистрами называются устройства, выполняющие функции приема, хранения и передачи информации. Информация в регистре хранится в виде числа (слова), представленного комбинацией сигналов 0 и 1. Каждому разряду числа, записанному в регистр, соответствует свой разряд регистра, выполненный, как правило, на основе триггеров. Основным классификационным признаком, по которому различают регистры, является способ записи информации или кода числа в регистр. По этому признаку можно выделить регистры 3-х типов:

· Параллельные

· Последовательные

· Параллельно-последовательные

В параллельные регистры запись числа осуществляется параллельным кодом, т.е. во все разряды одновременно.

Последовательные регистры характеризуются последовательной записью кода числа, начиная с младшего или старшего разряда путем последовательного сдвига кода тактирующими импульсами.

Регистры параллельно-последовательного типа имеют входы как для параллельной, так и для последовательной записи кода числа.

Параллельные регистры (регистры памяти) используются для записи, хранения и считывания небольшого объема цифровой информации (одного или двух байтов). Для приема, хранения и считывания n бит информации регистр памяти должен состоять из n триггеров и дополнительных схем совпадения.

Сдвигающие (последовательные) регистры используются для сдвига n-разрядных чисел в одном направлении. Кроме того, их можно применить для сдвига нечисловой информации (при построении из них счетчиков).

Счетчики. Счетчиком называется устройство, осуществляющее счет числа входных импульсов и фиксирующее это число в каком-либо коде. Счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т.е. для сложения. С приходом очередного импульса его содержимое увеличивается на 1. Вычитающий счетчик предназначен для выполнения счета в обратном направлении, т.е. в режиме вычитания. Каждый импульс, поступающий на вход такого счетчика, уменьшает его содержимое на 1. Реверсивными называют такие счетчики, которые могут работать в режиме сложения и в режиме вычитания. Счетчики могут быть построены на основе счетных триггеров, регистров и кольцевых схем.

Ход работы:

1. Согласно индивидуальному заданию спроектировать элементы 2-го уровня иерархии:

Элементы 2-го уровня иерархии:

Триггеры RS, D; JK, T;

Сумматоры;

Мультиплексоры;

на базе логики требуемой элементной базы;

2. Подать на информационные и управляющие входы все возможные разрешенные комбинации цифровых сигналов.

3. Получить временные диаграммы входных и выходных сигналов и оценить задержку каждого спроектированного триггера.

1. Пример моделирования D -триггера.

На рисунке представлена схема D -триггера.

Результаты моделирования:

Определяем временные характеристики элемента:

По результатам моделирования видно, что синхроимпульс переключается в 10.0 ms, а на выходе триггера сигнал появляется в 10,0208 ms. Следовательно, время задержки при переключении из 0 в 1 равно 20,8 нс

Аналогичным образом определяем время задержки при переключении из "1" в "0":

Задержка при переключении из "1" в "0" равна 30,8 нс.