Методы выбора проекта

 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», ауправляют «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.