Курсовая работа: Суммирующий счетчик

👉🏻👉🏻👉🏻 ВСЯ ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻

Курсовой проект по микросхемотехнике цифровых интегральных схем.
2. Задание на схемотехническую часть работы.
3.5 Счетчики с последовательным переносом.
4.2 Моделирование суммирующего счетчика
5.1 Предварительный расчет параметров транзисторов.
5.2 Схемотехническое проектирование.
6.1 Схемотехническое проектирование.
7.1 Схемотехническое моделирование счетчика.
8. Расчет межсоединений и паразитных емкостей.
1) Используя параметры эквивалентного логического элемента, разработанного в предыдущем КП по курсу «Компьютерное моделирование интегральных приборов», спроектировать схему триггера с динамическим управлением (фронтом или срезом синхросигнала) в соответствии с заданным вариантом. Результатом проектирования является схема, выполняющая заданную по варианту логическую функцию для указанной рабочей частоты при минимальной величине нагрузочной емкости.
2) Выбрать по литературным источникам на базе спроектированного триггера, схему устройства, реализующего заданную логическую функцию (регистра, счетчика, делителя частоты и т.д.) с многоразрядными логическими переменными. Число разрядов не менее 8, число транзисторов в устройстве - не менее 100. При необходимости для реализации логической функции возможны трансформации исходного триггера, например:
- преобразование JK-триггера в Т-триггер и т.п.;
- введение дополнительного логического управляющего сигнала сброса информации и выборки (установки);
- осуществление коррекции топологических размеров исходного логического элемента и связанных с этим времен задержки на логических вентилях. При необходимости выполняется перерасчет схемы триггера при помощи программы SPICE;
- разработка топологического эскиза базовой триггерной схемы с применением измененных топологических вариантов библиотечных элементов.
3) Разработать устройство по полузаказному алгоритму проектирования, считая исходный триггер библиотечным элементом матрицы.
4) При помощи программы OrCad нарисовать электрическую схему устройства.
5) Провести логическое моделирование разрабатываемого устройства при помощи, например, программы ASKT. В качестве библиотечного элемента использовать вентили из библиотеки ASKT.
6) Выполнить эскизный чертеж топологии устройства, используя разработанный ранее эскиз топологии триггера в виде прямоугольника, подсоединенного к шинам питания, с размерами, координатами входов и выходов в заданном масштабе λ-проектирования. C помощью программы PULT или другого алгоритма.
7) Рассчитать паразитные сопротивления и емкости шин межсоединений (разрешено 2 уровня Al-металлизации) по разработанному топологическому варианту.
· Рассчитать величины паразитных емкостей (С па
p
) и сопротивлений (R nap
) шин межсоединений для полученного топологического эскиза схемы. Расчет вести для самых длинных шин, если величины С пар
будут меньше 10 фФ, aR nap
- меньше 50 Ом, т.е. t зд.па
p
< 0,1 пс, то вкладом задержек в шинах разводки в быстродействие схемы можно пренебрегать. В ином случае, соответствующие емкости и сопротивления должны быть включены в электрическую схему для проведения моделирования переходных процессов в проектируемой схеме.
· Определить время задержки в шинах связи, сравнить с временами задержки в схеме триггера, скорректировать рабочую частоту.
· Скорректировать величины емкостей, подсоединенных в качестве нагрузки к выходам триггера с учетом дополнительных топологических емкостных нагрузок от шин разводки, на основании этого сделать перерасчет рабочей частоты и потребляемой мощности триггера и устройства на его основе.
· Емкость нагрузки устройства из исходного курсового и в 10 раз большая,
· Номинал источника питания 5 и 3,6 В.
- при заданных параметрах выходного импульса,
- для различных вариантов нагрузки.
· неопределенных и запрещенных состояний в триггерах,
· функциональных и логических состязаний.

Спроектировать суммирующий счетчик со следующими параметрами:
1. Технологический базис CMOS 0.8MKM-2Metal, напряжение питания 5 В.
2. Пороговое напряжение n-канального транзистора U n
пор
= 0.8 В.
3. Пороговое напряжение р-канального транзистора U p
пор
= - 0.8 В.
4. Крутизна n-канального транзистора K 0
n
=110 мкА/В 2
.
5. Крутизна р-канального транзистора К 0р
= 36 мкА/В 2

Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В триггере два выхода: один – прямой, а другой – инверсный. Потенциалы на них взаимно инвертированы: логическая единица на одном соответствует логическому нулю на другом. С приходом переключающих (запускающих) сигналов переход триггера из одного состояния в другое происходит лавинообразно, и потенциалы на выходах меняются на противоположные. В интервале между переключающими сигналами состояние триггера не меняется, т. е. он «запоминает» поступление сигналов, отражая это величиной потенциала на выходе, это дает возможность использовать его как элемент памяти.
При лавинообразных переключениях на выходе триггера формируются прямоугольные импульсы с прямоугольными фронтами. Это позволяет использовать триггер для формирования прямоугольных импульсов из напряжения другой формы (например, из синусоидального). При двух последовательных переключениях триггера на выходе формируется один импульс, т. е. триггер можно использовать в качестве делителя частоты переключающих сигналов с коэффициентом, равным двум.
Различают нетактируемые и тактируемые триггеры. Нетактируемый (асинхронный) триггер может менять свое состояние переключающими сигналами в любое время. Тактируемый (синхронный) триггер переключается синхронно с поступлением специального тактирующего импульса. Классификация триггеров приведена на рисунке 3.1.1.
Промышленность выпускает разнообразные типы триггеров в интегральном исполнении. Кроме того, их можно выполнить на цифровых интегральных микросхемах, операционных усилителях и транзисторах.
Рисунок 3.1.1. Классификация триггеров
На входы логического элемента или устройства сигналы не всегда поступают одновременно, так как перед этим они могут проходить через разное число элементов с различной задержкой. Это явление описывается как состязание или гонки сигналов. В результате в течении некоторого времени на входах создается непредвиденная ситуация: новые значения одних сигналов сочетаются с предыдущими значениями других, что может привести к ложному срабатыванию элемента (устройства). Последствия гонок можно устранить временным стробированием, когда на элемент, кроме информационных сигналов подаются тактирующие (синхронизирующие) импульсы, к моменту прихода которых информационные сигналы заведомо успевают установиться на входах.
Тактируемый триггер, кроме информационных входов, имеет синхронизирующий (тактирующий, тактовый) вход С; сигналы на информационных входах воздействуют на такой триггер только с поступлением сигнала на синхронизирующий вход. Различают следующие виды тактируемых триггеров: RS-триггеры (рисунок 3.2.1), двухступенчатые RS-триггеры, D-триггеры и JK-триггеры
Рисунок 3.2.1. ТактируемыйRS-триггер.
Отличие счетного триггера от остальных состоит в том, что он переключается с поступлением каждого импульса на тактовый вход, называемый в таком триггере счетным.
Счетный триггер можно реализовать на базе JK-триггера. Логическая единица на одном из входов элемента И не определяет потенциал на его выходе, поэтому сочетание J = K = 1 не влияет на выходную характеристику первой ступени триггера. Она получает информацию только с выходов триггера, которая устанавливает ее в положение, когда с приходом счетного импульса начнется очередное переключение – JK-триггер работает в счетном режиме. Реализация счетного режима на JK-триггере приведена на рисунке 3.3.1, а.
Рисунок 3.3.1. Реализация счетного триггера на а) JK-триггере, б) D-триггере
Счетный триггер можно реализовать и на D-триггере (рисунок 3.3.1, б). Если после каждого переключения обеспечить автоматическую смену уровня потенциала на D-входе, то с каждым импульсом на C-входе триггер будет менять свое состояние. Указанная смена потенциала будет осуществляться, если D-вход соединить с выходом ØQ. Вторая перекрестная связь (аналогичная связи в JK-триггере) обеспечивается за счет соединения D-входа с R-входом запоминающей ячейки триггера через инвертор.
Счетчики выполняют на запоминающих элементах – триггерах. Он фиксирует число импульсов, поступивших на его вход. В интервалах между ними счетчик хранит информацию об их числе. Совокупность единиц и нулей на выходах n триггеров (выходах счетчика) представляет собой n-разрядное двоичное число, однозначно определяющее количество прошедших на входе импульсов. Поэтому триггеры счетчика называют его разрядами.
Суммирующий счетчик увеличивает свое содержимое на единицу с поступлением каждого входного (счетного) импульса. Вычитающий счетчик аналогично уменьшает свое содержимое на единицу.
Комбинацией суммирующего и вычитающего счетчиков является реверсивный счетчик. У него может быть два входа, на один из которых поступают импульсы, увеличивающие его содержимое (суммирующие импульсы), на другой – вычитающие. Реверсивный счетчик может иметь один вход для суммирующих и вычитающих импульсов, а переключение с одного режима на другой осуществляется в нем сигналом на специальном входе.
В счетчик может предварительно заноситься число, для чего он имеет специальные входы. Классификация счетчиков и делителей частоты приведена на рисунке 3.4.1.
Рисунок 3.4.1. Классификация счетчиков и делителей частоты
Каждый разряд счетчика может находиться в двух состояниях. Число устойчивых состояний, которое может принимать данный счетчик, называют его емкостью, модулем счета или коэффициентом пересчета.
Одним из основных параметров счетчика является его быстродействие. Оно оценивается минимальным интервалом между двумя соседними импульсами, с поступлением каждого из которых счетчик способен изменить свое содержимое. Счетчик является атрибутом многих цифровых устройств различного назначения. Его можно использовать по прямому назначению – для счета поступающих на его вход импульсов и для деления их частоты следования.
Триггеры счетчика соединяются между собой таким образом, чтобы каждому числу поступивших импульсов соответствовали единичные состояния определенных триггеров. Счетчик, у которого при поступлении входного импульса переключающий перепад передается от предыдущего триггера к последующему, называется счетчиком с последовательным переносом, а когда переключающий перепад на все разряды поступает одновременно (или почти одновременно) – счетчиком с параллельным переносом. Счетчики могут выполняться только на счетных триггерах. О состоянии разряда счетчика судят по потенциалу на прямом выходе триггера.
В большинстве случаев счетчики строятся таким образом, чтобы записываемое в них число было выражено в натуральном двоичном коде. В таком коде «вес» 1 на прямом выходе младшего разряда равен 1, а в каждом последующем разряде вдвое больше, чем в предыдущем.
Первый разряд счетчика, будучи счетным триггером, переключается каждым входным импульсом. Каждый последующий разряд счетчика получает переключающий перепад (1/0 или 0/1) от предыдущего разряда – переключающий перепад распространяется вдоль цепочки триггеров счетчика последовательно.
Схема суммирующего счетчика с последовательным переносом приведена на рисунке 3.5.1, а. С поступлением каждого входного импульса число в счетчике увеличивается на единицу. Если в данном разряде присутствует единица, то под воздействием перепада, поступающего от предшествующего, он обнуляется, и единица переносится в следующий разряд. Если же в данном разряде ноль, то в него вписывается единица.
Рисунок 3.5.1. Суммирующий счетчик с последовательным переносом а) схема, б) условное изображение.
На рисунке 3.5.2, б представлено условное изображение 4-разрядного счетчика. На счетный С вход поступают импульсы. Логическая единица на входе К сбрасывает все разряды счетчика в ноль. По входам предварительной установки D 0
– D 3
в счетчик может быть записано число, его значение должно сопровождаться логической единицей на входе разрешения V. Число, занесенное в счетчик, фиксируется на его выходах двоичным кодом с «весами» разрядов 1-2-4-8. На выходе P +
появляется логическая единица с поступлением на вход 16-го импульса, т. е. вслед за тем, как предыдущими 15-ю импульсами все разряды счетчика были установлены в единицу.
Суммирующий счетчик функционирует по правилам сложения двоичных чисел. Это легко проследить по временной диаграмме, изображенной на рисунке 3.5.2, где крестиками отмечены переключающие перепады 1/0.
Рисунок 3.5.2. Временная диаграмма работы суммирующего счетчика.
Из временных диаграмм можно сделать следующие выводы:
- с наибольшей частотой переключается входной триггер счетчика;
- частота импульсов на выходе каждого триггера вдвое меньше, частоты импульсов на его входе, а nразрядов счетчика делят частоту входных импульсов в 2 n
раз, таким образом, счетчик является делителем числа входных импульсов с коэффициентом деления (пересчета), равным емкости счетчика К сч
;
- при поступлении на вход суммирующего счетчика 2 n
импульсов он переполняется: все триггеры устанавливаются в 0 (счетчик обнуляется);
- максимальное число, которое может содержать счетчик, на единицу меньше его емкости N = К сч
– 1 = 2 n
– 1;
- в момент, предшествующий переключению очередного разряда, все предыдущие разряды счетчика находятся в состоянии 1.
Если в счетчике использованы триггеры, переключающиеся перепадом 0/1, то вход последующего триггера нужно соединить с инверсным выходом предыдущего, на котором формируется этот перепад, когда по основному выходу триггер переключается из 1 в 0. [1]
По заданию, необходимо использовать динамический TV-триггер, в качестве базисного. Для этого, модифицируем схему стандартного динамического JK триггера, превратив его в T-триггер, и добавив ему асинхронные входа R и V (сброс и принудительное хранение). В итоге, собранный триггер будет выглядеть следующим образом:
Рисунок 4.1.1. Динамический TV-триггер.
Проведем логическое моделирование TV-триггера в Orcad:
Рисунок 4.1.2. Схема TV-триггера в Orcad.
Результат логического моделирования:
Рисунок 4.2.3. Диаграмма переключения TV-триггера.
Таблица 4.1.1. Таблица истинности TV-триггера.
Проведем логическое моделирование в Orcad:
Рисунок 4.2.1. Схема суммирующего счетчика в Orcad.
Результат логического моделирования:
Рисунок 4.2.2. Диаграмма переключения суммирующего счетчика.
Таблица 4.2.1. Таблица истинности суммирующего счетчика
Определим максимальное количество логических вентилей, через которые пройдет сигнал от входа к выходу:
Определим период входного сигнала для заданной частоты:
Максимальное время задержки схемы не должно превышать половины периода входного сигнала:
Максимальное время задержки элемента
Определим параметры для транзисторов:
Результаты схемотехнического моделирования в Orcad:
Рисунок 5.2.1. Электрическая схема инвертора
Рисунок 5.2.2. Диаграмма переключения инвертора (частота 100МГц).
Рисунок 5.2.3. Электрическая схема элемента «2и-не».
Рисунок 5.2.4. Диаграмма переключения элемента «2и-не» (частота 100МГц).
Рисунок 5.2.5. Электрическая схема элемента «3и-не».
Рисунок 5.2.6. Диаграмма переключения элемента «3и-не» (частота 100МГЦ).
Таблица 5.2.1. Результаты схемотехнического моделирования вентилей
Результаты топологического проектирования вентилей в Microwind:
Рисунок 5.3.2. Диаграмма переключения инвертора (частота 100МГц).
Рисунок 5.3.3. Топология элемента «2и-не».
Рисунок 5.3.4. Диаграмма переключения элемента «2и-не» (частота 100МГц).
Рисунок 5.3.5. Топология элемента «3и-не»
Рисунок 5.3.6. Диаграмма переключения элемента «3и-не» (частота 100МГц).
Таблица 5.2.1. Результаты топологического моделирования вентилей
Результаты схемотехнического моделирования TV-триггера в Orcad:
Рисунок 6.1.1. Электрическая схема TV-триггера.
Рисунок 6.1.2. Диаграмма переключения TV-триггера (частота 100МГц).
Результаты топологического проектирования в Microwind:
Рисунок 6.2.1. Топология TV-триггера
Рисунок 6.2.2. Диаграмма переключения TV-триггера (частота 100 МГц).
Таблица 6.2.1. Результаты топологического моделирования TV-триггера.
Результаты проектирования счетчика в Orcad:
Рисунок 7.1.1. Электрическая схема суммирующего счетчика.
Рисунок 7.1.2. Диаграмма переключения счетчика (частота 100 МГц)
Результаты топологического проектирования в Microwind:
Рисунок 7.2.1. Топология суммирующего счетчика
Рисунок 7.2.2. Диаграмма переключения суммирующего счетчика (частота 100МГц).
Таблица 7.2.1. Результаты топологического моделирования суммирующего счетчика.
При анализе рабочих частот схема была промоделирована на частотах 100 и 1000 МГц. На частоте 100 МГц схема полностью сохраняет свою функциональность. Частоту 1000 МГц можно считать максимальной рабочей частотой для данного устройства, выше которой функциональность не обеспечивается, так как у устройства в «нуле» уже нет «планки» постоянного сигнала, что при дальнейшем повышении частоты приведет к невозможности срабатывания на переключение.
Рисунок 7.3.1. Диаграмма переключения устройства на частоте 100 МГц.
Рисунок 7.3.2. Диаграмма переключения устройства на частоте 1000 МГц.
При анализе быстродействия схемы в диапазоне допустимого изменения напряжения питания, было проведено моделирование схемы при напряжении питания в 5 В и 3,6 В. Исходя из результатов моделирования, можно сделать вывод, что снижение напряжения питания приводит снижению быстродействия счетчика, и наоборот.
Рисунок 7.3.3. Диаграмма переключения счетчика при напряжении питания в 3,6 В.
При анализе быстродействия схемы при изменении величины нагрузочной емкости, было проведено моделирование схемы при значениях нагрузочной емкости в 0,3 пФ и 3 пФ. Исходя из результатов моделирования, можно сделать вывод, что увеличение величины нагрузочной емкости ведет к снижению быстродействия схемы, а уменьшение – к увеличению быстродействия. То есть, изменение выходной емкости дает результат, аналогичный варьированию напряжения питания.
Рисунок 7.3.4. Диаграмма переключения счетчика при значении нагрузочной емкости в 3 пФ.
Таблица 7.3.1. Результаты варьирования значений напряжения питания и нагрузочной емкости (для первого выхода).
Расчет произведения RC выполняется для одного из главных сигналов – тактирующего импульса входной частоты. Для расчета паразитных емкостей и сопротивлений используем следующие значения:
-сопротивление 1-го слоя металлизации R m2
= 0,07 Ом/□
-диэлектрическая проницаемость окисла xx о
= 1×10 -12
Ф/см
Рассмотрим случай с самой длинной рабочей шиной. Таковой будет являться линия передачи сигнала от четвертого по счету триггера к пятому. Ее длина не превышает 150λ или 60 мкм, ширина – 1,6 мкм.
Постоянная времени задержки на межсоединениях:
t зад
является абсолютно незначительной величиной, поэтому временем задержки на межсоединениях можно пренебречь.
Так как основные потребление энергии происходит при переключении нагрузочных емкостей, потребляемую мощность одного триггера можно рассчитать по формуле:
Суммарная потребляемая мощность счетчика:
Разработанная схема обладает следующим быстродействием:
Топологические размеры устройства составляют 1870λ ´ 480λ (748 мкм ´ 192 мкм).
Потребляемая устройством мощность на частоте 100 МГц составляет 0,15 мВт. Устройство способно работать на частотах до 1000 МГц, что в 10 раз больше номинальной. Для повышения быстродействия счетчика при работе на высоких частотах, рекомендуется увеличить напряжение питания схемы.
1. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. «Цифровые устройства»: учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2004. – 229 с.: ил.

Название: Суммирующий счетчик
Раздел: Рефераты по коммуникации и связи
Тип: курсовая работа
Добавлен 09:25:57 09 февраля 2011 Похожие работы
Просмотров: 4046
Комментариев: 15
Оценило: 4 человек
Средний балл: 4.3
Оценка: неизвестно   Скачать

Срочная помощь учащимся в написании различных работ. Бесплатные корректировки! Круглосуточная поддержка! Узнай стоимость твоей работы на сайте 64362.ru
Привет студентам) если возникают трудности с любой работой (от реферата и контрольных до диплома), можете обратиться на FAST-REFERAT.RU , я там обычно заказываю, все качественно и в срок) в любом случае попробуйте, за спрос денег не берут)
Да, но только в случае крайней необходимости.

Курсовая работа: Суммирующий счетчик
Реферат по теме Реформы М.С. Горбачева
Сочинение по теме Разговоры богов (Dialogoe deorum)
Дипломная работа по теме Учет и ревизия доходов, расходов, финансовых результатов деятельности организации и пути их совершенствования
Реферат по теме Москва времен Екатерины II
Реферат: Социальные программы на заводе М. Франка появление в Перевозе семей с немецкими фамилиями
Дипломная работа по теме Теоретико-методологический исследование психологических особенностей личностно-профессионального развития студентов
Производственный Процесс Предприятия Курсовая
Реферат: Сегодня газета, Латвия
Функции Теории Государства И Права Курсовая Работа
Фадеев Собрание Сочинений
Доклад: Демократия и экономическое развитие
Реферат: Особенности зависимостей
Реферат по теме Судебно-медицинская экспертиза крови
Курсовая работа: Анализ, оценка и выбор пользователем пакетов прикладных программ для автоматизации своей деятельности. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат На Тему Україна В Першій Половині 1950-Х Років
Сочинение по теме Пьер Корнель. Гораций
Сочинение Про Летний Лес
Сочинение по теме Символика в поэме А. Блока «Двенадцать»
Реферат по теме Навыки накопления богатства
Эссе Какие Вкусы Есть Сигареты
Реферат: Билеты по юридическим предметам
Контрольная работа: Элементы налога и их характеристика
Курсовая работа: Факультативні заняття з біології