Учебное пособие Москва 2004 г. Составители: д т. н., проф. Е. П. Доморацкий - pismo.netnado.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Учебное пособие под ред докт экон наук, проф. Моисеевой Н. К. 8 1338.5kb.
Учебное пособие Москва 2005 г. Ббк 65. 9(2)-80 (075. 8) Хомутова Е. 3 492.36kb.
Учебное пособие для вузов / С. Р. Аблеев. М.: Высшая школа, 2004. 1 30.54kb.
А. Г. Воржецов основы социального прогнозирования учебное пособие 6 1451.15kb.
Шпаргалка по психологии и педагогике учебное пособие «велби» москва... 7 1752.85kb.
Учебное пособие ii-часть Москва 2003 г 11 2582.74kb.
Учебное пособие Пенза, 2004 год ббк 65. 2/4 Б 91 Бурлюкина Е. 42 5811.46kb.
Учебное пособие обсуждено на заседании кафедры социологии и политологии... 3 1594kb.
Учебное пособие для студентов высших учебных заведений Москва инфра-м... 5 1704.85kb.
Управление мотивацией 1 274.02kb.
Управление качеством продукции: Учебное пособие. М: Изд-во мгап "Мир... 3 850.37kb.
Как звали человека, которому поручили найти Электроника?;1; 1 50.06kb.
Урок литературы «Война глазами детей» 1 78.68kb.
Учебное пособие Москва 2004 г. Составители: д т. н., проф. Е. П. Доморацкий - страница №1/1



Министерство образования и науки РФ

Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет)

Кафедра «Электроника и электротехника»

Е. П. Доморацкий, К. О. Петросянц, Л. М. Самбурский

Моделирование функциональных узлов ЭВМ с помощью программы Electronics Workbench

[ http://lsamb.narod.ru/students/oevm.html ]

Учебное пособие


Москва 2004 г.


Составители:

д. т. н., проф. Е. П. Доморацкий

д. т. н., проф. К. О. Петросянц

аспирант Л. М. Самбурский

УДК 681. ___
Моделирование функциональных узлов ЭВМ с помощью программы Electronics Workbench (Учебное пособие) / Сост. Е. П. Доморацкий, К. О. Петросянц, Л. М. Самбурский. – М.: МИЭМ, 2004 –  с.
Табл. 9, Ил. 44, Библиогр. назв. 3

Материалы этого учебного пособия можно найти по адресу:



[ http://lsamb.narod.ru/students/oevm.html ]

Даны краткие сведения о программе схемотехнического моделирования Electronics Workbench, необходимые для организации виртуальных стендов, применяемых при проведении лабораторных, практических и курсовых работ: список основных библиотечных элементов программы с описанием их принципа работы, список измерительных приборов программы, методика построения и моделирования схем.

Для студентов 2 и 3 курсов, изучающих устройства цифровой техники.
ISBN ––
Содержание:


Назначение пособия 4

1. Обзор и выбор программы моделирования 5

2. Определение номенклатуры основных функциональных элементов и узлов ЭВМ 6

3. Разработка моделей узлов по выбранной номенклатуре 7

4. Методика разработки функциональных блоков 12

5. Дополнительные средства задания и отображения логических сигналов 14

6. Методика построения и моделирования схем 17




Назначение пособия


Данное пособие предназначено для студентов 2 и 3 курсов, изучающих устройства цифровой техники.

Для изучения схемотехники требуется проведение экспериментов – проверка на практике знаний, полученных в теоретическом курсе. Самостоятельная разработка электронных устройств, сборка физической схемы, подключение измерительных приборов и т. п. даёт незаменимый опыт общения с аппаратурой, понимание происходящих в ней процессов, прогнозирование её работы.

Существуют аппаратные стенды, решающие эти задачи, однако возможности реальной лаборатории обычно ограничены как набором приборов, так и их функциями.

Поэтому актуальным является создание и применение виртуальной лаборатории на ЭВМ с использованием программ моделирования. Виртуальная лаборатория даёт возможность лучше понимать и закреплять теоретический материал, совершенствовать учебный процесс, легко подгонять практический курс к нуждам конкретных учащихся, развивать и дополнять его.

Данное пособие даёт рекомендации по созданию функциональных схем в среде Electronics Workbench. Данная работа является базовой при разработке и проведении ряда конкретных лабораторных, практических и курсовых работ по дисциплинам «Схемотехника ЭВМ», «Организация ЭВМ, комплексов и систем», «Радиоэлектроника», «Общая электротехника и электроника».

1.Обзор и выбор программы моделирования


Существует ряд программ схемотехнического моделирования позволяющих моделировать на ЭВМ элементы и узлы аналоговой и цифровой техники, а также протекающие в них процессы [1, 2, 3].

Программа компьютерного моделирования Electronics Workbench (EWB) отличается от других функциональной простотой и наглядностью отображения информации, используемой в эксперименте [4]. Это свойство является очень важным и полезным для проведения лабораторных и практических работ, так как позволяет получить более ёмкое представление о сущности эксперимента и значении его результатов.

Система предназначена для моделирования и анализа электрических схем. Она позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы различной степени сложности. Библиотека компонентов программы содержит пассивные элементы, транзисторы, управляемые источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические вентили, триггеры, простейшие логические аппараты, специальные схемы. Также возможно создание своих моделей и включение их в библиотеки. Набор приборов позволяет задавать и получать значения электрических сигналов, строить их графические изображения. Имеются модели вольтметра, амперметра, осциллографа, мультиметра, Боде-плоттера, генератора функций, генератора слов, логического анализатора, логического преобразователя.

В системе можно проводить анализ схем на постоянном и переменном токе, а также исследовать переходные процессы.

Система является интегрированной, что позволяет совмещать её, например, с форматом SPICE, т. е. импортировать из него и экспортировать в него различные модели.

Программа использует стандартный интерфейс Windows. Для работы необходима мышь.


2.Определение номенклатуры основных функциональных элементов и узлов ЭВМ


Для создания и проведения лабораторных, практических и курсовых работ необходим следующий набор моделей функциональных элементов, узлов и устройств:

  • источники постоянного логического уровня («0», «1»);

  • генератор тактовых импульсов;

  • генератор одиночных импульсов;

  • ключ;

  • семисегментный индикатор;

  • светодиод;

  • простейшие логические вентили (НЕ, И, ИЛИ, Исключающее ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Неравнозначность);

  • двоичный сумматор, шифратор, дешифратор, мультиплексор, демультиплексор;

  • триггеры (RS, D, JK, DV);

  • счётчики, регистры;

  • АЛУ, ОЗУ.



3.Разработка моделей узлов по выбранной номенклатуре


Большинство требуемых компонентов есть в стандартных библиотеках программы Electronics Workbench, некоторые из них являются оригинальными.

В окне программы под строкой меню расположены значки, нажатие на которые открывает в левой части окна соответствующие панели инструментов.

Компоненты, которые можно найти на панелях, представлены в таблице в следующей форме:


1. УГО

2. Название и описание компонента

3. Панель

инструментов



где УГО – условно-графическое изображение компонента.

3.1.Базовые компоненты




Соединитель

Применяется для разветвления проводов. Имеет 4 контакта







Земля

Используется для задания нулевого потенциала, т. е. точки отсчёта напряжения в схеме




3.2.Источники




Генератор тактовых импульсов

Генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с изменяемой амплитудой, частотой и скважностью







Источник напряжения +5В

Применяется для установки фиксированного уровня логической единицы







Источник напряжения +5В

Применяется для установки фиксированного уровня логической единицы




3.3.Ключи




Ключ, управляемый клавишей клавиатуры

Ключ переключается последовательными нажатиями заданной клавиши клавиатуры







Ключ, управляемый временем

Ключ размыкается в заданный момент времени Toff и замыкается в заданный момент времени Ton. Все интервалы отсчитываются от момента запуска схемы







Ключевая схема (подача уровня)

Схема подаёт логические сигналы и отображает их с помощью пробника логического уровня (см. далее)



Custom

(Добавленный узел)





Ключевая схема (подача одиночного импульса)

Схема подаёт одиночный импульс по любому переключению ключа (т. е. последовательными нажатиями заданной клавиши клавиатуры). Параметры импульса (длина, амплитуда) задаются управляющим RC-контуром блока pulse (см. пример samples/music2)



Custom

(Добавленный узел)


3.4.Индикаторы




Семисегментный индикатор с раздельным управлением сегментами

Отображает цифры 0 – F, семь входов







Семисегментный индикатор со встроенным дешифратором

Отображает цифры 0 – F, четыре входа







Пробник логического уровня

Пробник загорается красным/ зелёным/ синим цветом (настраивается), если сигнал на его входе равен «1», отображает белый круг при «0»







Динамик

Издаёт звук заданной частоты через системный динамик, если превышено подводимое к нему напряжение




3.5.Логические вентили




НЕ





И





ИЛИ





Исключающее ИЛИ (XOR)





И–НЕ





ИЛИ–НЕ





Исключающее ИЛИ–НЕ (NOT XOR)





Буфер





Буфер с тремя состояниями (с доп. входом OE)


3.6.Комбинационные приборы




Полный двоичный сумматор

Вход Ci – входной перенос, выход Co – выходной перенос







Дешифратор 3 –> 8

Используется инверсная логика. Для нормальной работы на входе G1 должен быть высокий уровень, а на входах GA, GB –низкий. Иначе выходы устанавливаются в единицы







Шифратор 8 –> 3

Используется инверсная логика. Если несколько входов имеют активный уровень, имеет значение вход с наибольшим номером. Для разрешения информационных входов на входе EI должен быть низкий уровень. На выходе GS устанавливается низкий уровень, а на выходе E0 – высокий, если при разрешённых входах хотя бы на одном из них установлен «0». Если входы запрещены сигналом EI, то на GS и E0 установлен высокий уровень







Дешифратор для семисегментного индикатора с раздельным управлением сегментами.

Переводит числа 0 – F, заданные на входы A – D в шестнадцатеричном виде, в комбинации на выходах A – G для непосредственного управления сегментами индикатора. Нулевой уровень на входе LT устанавливает все выходы в единицу. Единичный уровень на входе BI устанавливает все выходы в нули







Мультиплексор 8 –> 3

C, B, A – адресные входы (С - старший), G – вход разрешения операции, Y – выход, W=НЕ(Y)







Демультиплексор 3 –> 8

G – вход разрешения операции, инверсная логика. Если на входе G «0», то на выход, определяемый адресом C, B, A (C старший), передаётся «0» (на остальных выводах «1»). Если на входе G «1», то все выходы устанавливаются в «1»







74154 Демультиплексор 16 –> 4

G1 и G2 – входы разрешения операции, инверсная логика. Если на обоих установлен «0», то на выход определяемый адресом D, C, B, A (D – старший) передаётся «0» (на остальных выводах «1»). Если хотя бы на одном из входов G1, G2 «1», то все выходы устанавливаются в «1».



панель IC

3.7.Триггеры




Асинхронный RS-триггер

Используется прямая логика. Комбинация (1;1) недопустима







Синхронный JK-триггер с асинхронной установкой и сбросом

Используется прямая логика асинхронной установки. Работает по заднему фронту







Синхронный JK-триггер с обратной асинхронной установкой и сбросом

Используется обратная логика асинхронной установки. Работает по заднему фронту







Синхронный D-триггер

Используется прямая логика. Работает по переднему фронту







Синхронный D-триггер с обратной асинхронной установкой и сбросом

Используется прямая логика. Работает по переднему фронту




3.8.Последовательностные приборы




Счётчик

Работает по заднему фронту. По синхросигналу на входе CLKA работает выход A. По сигналу на входе CLKB работают выходы B, C, D. Для организации 4-х разрядного счёта нужно генератор подсоединить ко входу CLKA, а выход A подключить ко входу CLKB







4-х разрядный сдвиговый регистр

Работает по переднему фронту. QA – правый разряд, QD – левый. Входы S0, S1 определяют режим работы: (0, 0) – хранение; (0, 1) – сдвиг содержимого вправо; (1, 0) – сдвиг содержимого влево; (1, 1) – загрузка содержимого со входов. При сдвиге вправо/ влево в освобождённый разряд будет занесено значение со входов SR/ SL, соответственно. Если подать на вход CLR ноль, выходы установятся в ноль







74173 4-х разрядный синхронный параллельный сдвиговый регистр

G1, G2 – входы разрешения операции, инверсная логика. Если оба установлены в «0», то по положительному фронту синхросигнала значения сдвигаются. Если хотя бы на одном из входов G1, G2 «1», то значение выходе сохраняется.



панель IC



Стандартное АЛУ

Реализует таблицу истинности стандартного АЛУ. S – вход операции, A, B – входы операндов, F – выход. M – тип операции, CN – перенос.



панель IC

3.9.Гибридные компоненты




Одновибратор

Вырабатывает на выходе Q импульс фиксированной длины в ответ на управляющий перепад, поступающий по входам A1 и A2. Длина выходного импульса определяется внешней RC-цепочкой, подключаемой ко входам RT/ CT и CT. W=НЕ(Q) (См. пример samples/ music2).




3.10.Дополнительные компоненты


На основе символов, расположенных в панели IC можно создать дополнительные компоненты, среди которых (де-)шифраторы, (де-)мультиплексоры, 4-х битное АЛУ, сдвиговые регистры и счётчики большей разрядности, регистры с тристабильными выходами и другие.

Для этого нужно поместить значок на рабочее поле и раскрыть его двойным щелчком мыши. В появившемся списке выбрать нужный элемент и нажать ОК. Значок на поле заменится на УГО выбранного элемента.


4.Методика разработки функциональных блоков


Функциональные блоки используются:

  • для многократного использования одного и того же фрагмента схемы;

  • для сокращения площади, которую занимает схема;

  • упрощения структуры схемы

Для создания функционального блока нужно:



    1. реализовать на рабочем поле нужный фрагмент и затем выделить его;

    2. выбрать пункт меню Circuit > Subcircuit;

    3. в появившемся окне ввести название нового блока (не более 8 латинских символов);

    4. в том же окне выбрать вариант поведения исходного фрагмента при создании блока: он остаётся в схеме (Copy from circuit), он удаляется с поля (Move from circuit), он замещается блоком (Replace in circuit);

    5. если в предыдущем пункте был выбран первый или второй вариант, то поместить созданный блок из панели Circuit на любое свободное место рабочего поля;

    6. раскрыть содержимое блока, дважды щёлкнув на нём мышью;

    7. определить входы/ выходы блока: сначала обычным способом подвести провод к нужному краю окна блока (до появления белого кружка), затем, отпустив левую клавишу мыши, убедиться, что на УГО блока появился вывод;

    8. повторить эту процедуру для других входов/ выходов. Так как отсутствует возможность присваивать имена входам/ выходам, то при разработке функциональных блоков необходимо разумно группировать выводы.

    9. при желании функциональному блоку можно назначить метку.

После создания функциональный блок нужно поместить в панель инструментов Custom, и тогда её можно использовать в схемах. Для переноса функционального блока в другую схему нужно выделить его и поместить в стандартный буфер обмена Windows (пункт меню Edit > Copy [Ctrl+C]), затем открыть конечную схему и там вставить блок из буфера в панель Custom (пункт меню Edit > Paste [Ctrl+P]). Для того чтобы иметь блок во всех новых схемах, нужно таким же образом поместить его в файл default.ca4, расположенный в каталоге %wewb4%.


4.1.Пример создания функционального блока


Создание блока генератора одиночного импульса. Блок организуется следующим образом:



Рис. 1. Электрическая схема генератора одиночных импульсов

Скважность импульса определяется соотношением значений ёмкости и сопротивления. Контакты ключа делаются выходными линиями, и ключ, управляемый клавишей клавиатуры, выносится наружу. Выход одновибратора также выводится.

В итоге получается элемент, изображённый в главе Ключи.

5.Дополнительные средства задания и отображения логических сигналов


Для задания последовательности входных сигналов используется генератор слов. Для наглядного отображения результатов работы схемы в виде временных диаграмм используется логический анализатор. Указанные средства, а также измерительные приборы, расположены на панели приборов под меню. Для вставки прибора в схему нужно перетащить его значок на схему. Для открытия расширенного изображения прибора нужно дважды щёлкнуть на его значке.

5.1.Генератор слов


Рис. 2. Генератор слов.

Генератор слов (Рис. 2) используется для задания цифровых последовательностей. Можно задать 16-элементную последовательность для каждого из восьми каналов. При выделении соответствующего разряда на панели можно ввести в него битовое значение.

Очистить панель можно клавишей CLEAR; сохранить в файл *.dp – клавишей SAVE; восстановить – клавишей LOAD.



Режимы работы генератора: пошаговый – по каждому нажатию клавиши STEP следующее слово подаётся на выходы; BURST – на выход генератора однократно поступает вся последовательность из 16 слов; CYCLE – непрерывная многократная подача последовательности.

Кроме того, с выхода CLK можно снимать сигнал синхронизации.



Режимы синхронизации: внутренний (INTERNAL) – при этом частота задаётся в окне FREQUENCY; внешний (EXTERNAL) – передача слов на выход синхронизируется с импульсами, подаваемыми на вход TRIGGER (можно выбрать фронт синхронизации).

5.2.Логический анализатор


Рис. 3. Логический анализатор.

Логический анализатор (Рис. 3) используется для получения логической временной диаграммы восьми каналов. В окне HEX выводится шестнадцатеричное число, соответствующее состоянию каналов.

Для очистки экрана нужно нажать клавишу CLEAR. Для установки временного масштаба нужно ввести значение в поле TIME BASE.



Режимы синхронизации: внутренний (BURST); внешний (EXTERNAL) – внешним импульсом, подаваемым на вход TRIGGER; шаблонный (PATTERN) – анализатор запускается при приходе заданного шаблона.

5.3.Логический преобразователь


Логический преобразователь (Рис. 4) не является физическим прибором. Он предназначен для:

  • получения таблицы истинности исследуемой схемы;

  • преобразования таблицы истинности в логическое выражение;

  • преобразования логического выражения в таблицу истинности;

  • синтеза логических схем по заданному логическому выражению;

  • синтеза логических схем на элементах И-НЕ по заданному логическому выражению.

Перенумеруем клавиши в правой части окна преобразователя сверху вниз от 1 до 6.

Для получения таблицы истинности нужно подключить входы схемы ко входам A–H прибора, а выход схемы – ко входу OUT прибора, и нажать первую клавишу. В поле будет выведена поканальная таблица.



Рис. 4. Логический преобразователь.

Для получения логического выражения по таблице истинности нужно ввести в поле таблицу истинности и нажать вторую клавишу. Для ввода таблицы нужно в верхней части прибора нажать имена используемых каналов и в появившейся таблице заполнить выходной столбец.

Для упрощения полученного выражения нужно нажать третью клавишу.

Для преобразования логического выражения в таблицу истинности нужно ввести в строку выражение и нажать четвёртую клавишу. При этом инверсия переменной обозначается апострофом.

Для синтеза логической схемы, реализующей заданное логическое выражение, нужно ввести в поле выражение и нажать пятую клавишу. Если требуется использовать только элементы И-НЕ, то вместо пятой нужно нажать шестую клавишу.


6.Методика построения и моделирования схем


Исследуемая схема собирается на рабочем поле с помощью мыши и клавиатуры. После того, как схема построена и измерительные приборы подключены, можно запустить расчёт схемы нажатием кнопки выключателя в правом верхнем углу. Кнопка F9 задаёт паузу.



Рис. 5. Фрагмент окна программы EWB.

6.1.Выбор компонента из библиотеки


Все компоненты расположены на панелях, расположенных в верхней части окна программы под меню. Для выбора нужной панели нужно нажать на её изображение. Панель откроется в левой части окна. Для выбора компонента нужно перетащить его изображение на поле.

6.2.Копирование, перемещение и удаление компонентов


Для выделения компонента нужно щёлкнуть на нём мышью (выделение исключающее). Можно выделить группу компонентов, хотя бы частично попадающих в очерченный мышью прямоугольник. Выбранные компоненты изменяют свой цвет на красный.

Для перемещения объектов нужно, выделив их, перетащить мышью или клавишами навигации в нужное место. Другой вариант – через стандартный буфер обмена Windows (пункты меню Edit > Cut/ Paste: [Ctrl+X/ V]).

Копирование объектов производится через стандартный буфер обмена Windows (пункты меню Edit > Copy/ Paste, [Ctrl+C/ V]).

Для удаления объектов нужно выделить их и нажать клавишу Delete. Другие варианты: пункт меню Edit > Delete или перетащить выделенный фрагмент мышью на панели инструментов.

Для поворота объекта или группы объектов нужно выделить их и выбрать пункт меню Circuit > Rotate [Ctrl+R]. Каждый объект будет поворачиваться отдельно.

6.3.Соединение компонентов проводниками


Если подвести к выводу компонента указатель мыши, то на нём проявится большая чёрная точка-соединитель. В этот момент можно нажать левую клавишу мыши и протянуть к другому выводу, где отпустить также на чёрной точке.

В любом месте схемы можно вставить компонент «Соединитель» из панели Passive, имеющий четыре вывода со всех сторон.

Для подсоединения проводника к существующей линии нужно подвести его конец к линии и отпустить. Автоматически будет вставлен «Соединитель».

Цвет проводника для наглядности можно изменить. В этом случае в поле анализатора сигнал этого проводника также будет изображён его новым цветом.


6.4.Установка значений параметров компонентов


Большинство компонентов настраиваются с помощью связанных с ними параметров, например, высота, длительность и скважность импульса для генератора синхросигнала, или клавиша, переключающая ключ.

Установить эти параметры можно, выделив компонент и выбрав пункт меню Circuit > Values, или дважды щёлкнув на компоненте.

Кроме того, каждому компоненту можно назначить метку. Для этого нужно выделить компонент и выбрать пункт меню Circuit > Label [Ctrl+L].

6.5.Подключение задающих и измерительных приборов


Значки измерительных приборов расположены в ряд под строкой меню. Для установки прибора нужно перетащить его изображение на рабочее поле и подключить его выводы. Для получения расширенного вида прибора нужно дважды щёлкнуть на нём мышью. В схеме может использоваться только один экземпляр каждого прибора. Перемещение приборов такое же, как других компонентов. Поворот прибора невозможен. Для удаления прибора нужно перетащить его свёрнутое изображение на исходную панель.
Литература

  1. OrCAD 10.0 User’s Guide, June2003;

  2. HSPICE v2001.4.2;

  3. Tanner T-Spice v6.02;

  4. Electronics Workbench v5.12 1996 г.

Учебное издание
Моделирование функциональных узлов ЭВМ с помощью программы Electronics Workbench (Учебное пособие).
Составители:

Евгений Петрович Доморацкий

Константин Орестович Петросянц

Лев Михайлович Самбурский