Курсовая: Цифровая схемотехника - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Цифровая схемотехника

Банк рефератов / Информатика, информационные технологии

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 454 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

69 Министерство Российской Федерации Томский политехнический университет __________________________________________________________________ Е.Л. Собакин ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА Часть I Учебное пособие В пособии изложены основные вопросы курса лекций для студентов специальности 210100 Управление и и н форматика в технических системах. Пособие подготовлено на кафедре автоматики и компьютерных систем ТПУ, соо т ветс т вует учебной программе дисциплины и предназначено для студентов института дистанционного образов а ния. Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета Рецензенты: В.М. Дмитриев профессор, доктор технических наук, зав е дующий кафедрой теоретических основ электротехники Томского ун и верситета систем управления и радиоэле к троники; С.И. Королёв директор ТОО НПО «Спецтехаудитсервис», кандидат технических наук, старший н а учный сотрудник. Введение Данное учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210100 "Информатика и упра в ление в технических системах". Оно составлено на основе курса лекций, пр о читанных автором в Томском политехническом университете в течение ряда лет, и посвящено систематическому изложению методов формализованного построения устройств цифровой техники на микросхемах широкого прим е нения. В пособии содержатся краткие сведения по интегральным микросх е мам, достаточные для определения основных технических показателей и х а рактеристик цифровых устройств, для уяснения их принципа действия и в ы полнения те х нических расчётов. Дисциплину "Цифровая схемотехника" следует рассматривать как пр о должение курса «Электроника», который студенты должны освоить предв а рительно, так как требуются знания элементной базы аналоговых электро н ных устройс т в. Большинство современных систем автоматики, вычислительные сист е мы, системы передачи и обработки информации выполняются на устройствах цифровой техники либо полностью, либо частично. Поэтому знание принц и пов применения цифровых устройств и построения на их основе систем ра з личного назначения имеет актуальное значение и большую практическую ценность как в инженерной деятельности, так и при исследованиях метод о логического х а рактера. Материал пособия условно можно разделить на три части: 1) Основы микроэлектроники; 2) Комбинационные устройства цифровой техники; 3) Последовательностные логические устройства цифровой техн и ки. Приступая к освоению курса, следует изучать материал в порядке пер е числения указанных частей, так как последующий материал основан на зн а нии предыдущего, и изменение последовательности может привести к з а труднениям в его усвоении. Это усугубляется ещё и тем, что в иных учебных пособиях и специальной технической литературе используются различные термины и понятия для пояснения одних и тех же явлений, процессов, в ы полняемых преобразований и т.д. Различие же в используемых понятиях или их некорректность ведёт к непониманию сущности излагаемого материала и, как следствие, возникновению трудностей в его у с воении. Первые два из указанных разделов вошли в первую часть настоящего пособия (Ч1). Третьему разделу посвящено отдельное пособие. В1 . Применение цифровых устройств В настоящее время, в связи с созданием и широким внедрением в и н женерную практику микропроцессорных устройств и систем, не ослабевает и вновь стимулируется интерес к цифровым методам обработки и передачи информации. Названные методы, в свою очередь, придают системам ряд п о ложительных свойств и качеств. Повышается верность передаваемой инфо р мации, достигается высокая скорость и производительность систем обрабо т ки информации, обеспечивается приемлемая их стоимость, высокая надё ж ность, малое потребление энергии и т. д. Решаемые этими системами задачи весьма разнообразны и предопред е ляют функции устройств, образующих конкретную систему. Поэтому ус т ройства и их функции целесообразно рассматривать именно в свете тех з а дач, которые решаются системами и, в частности, тех подзадач, которые в ы полняются о т дельными устройствами либо блоками. Основными типовыми задачами , возникающими при автоматическом или автоматизированном управлении и контроле производственными или иными процессами, являются: * сбор информации (её получение); преобразование информации (масштабирование, нормализация, фильтр а ция, кодирование и т. д.); * передача-приём информации; * обработка и использование информации; * хранение информации. В зависимости от целевого назначения и основных функций различают: Системы автоматического (либо автоматизированного) управления и ко н троля. Системы передачи информации. Системы обработки информации (вычислительные системы). Чтобы уяснить взаимосвязь указанных задач, место и роль электронных цифровых устройств, используемых в названных системах, рассмотрим обобщённые структурные схемы этих систем и функциональное назначение их с о ставных частей. В1.1. Системы автоматического управления Управлять означает знать состояние (положение) управляемого об ъ екта и в соответствии с заданным алгоритмом ( алгоритмом управления ) во з действ о вать на объект, стремясь устранить возникающие отклонения. Поэтому управление в общем случае связано с выполнением следу ю щих действий: * получение информации о состоянии объекта; * сопоставление полученной информации с заданной информацией о с о стоянии объекта; * формирование управляющих сигналов (воздействий); * воздействие на объект с целью приведения его в требуемое с о стояние. В соответствии с перечисленными действиями в систему автоматич е ского управления (САУ) в общем случае должны входить информационно-измерительное устройство, устройство управления и исполнительное устро й ство (рис. В1). Информационно-измерительное устройство (ИИУ) получает и н формацию об объекте управления (ОУ) и предварительно её обрабатывает. Получение информации заключается в формировании первичных сигналов, значения которых пропорциональны значениям параметров, характеризу ю щих состояние ОУ. Под объектом можно понимать как отдельную произво д ственную установку, так и производственный процесс в целом. А под пар а метрами "выходные координаты" объекта. Это могут быть, например, зн а чения температуры, давления, расхода материалов или энергии и тому п о добное. Поскольку большинство таких координат-параметров представлены в аналоговой форме и характеризуются бесконечным множеством значений, то сигналы должны быть нормализованы по своим параметрам, масштабир о ваны и иметь унифицированную фо р му. Поэтому в ИИУ дол ж ны быть первичные измер и тельные преобразов а тели и датчики, аналого-цифровые преобразователи и другие функциональные узлы, с помощью которых выполняются следующие пр е обр а зования: * значений физических величин в унифицированные аналоговые сигналы постоянного или переменн о го тока; · масштабирование или нормирование сигналов по уровню и форме; · преобразование аналоговых сигналов в дискретные (цифровые) си г налы; кодирование сигналов и некоторые другие преобраз о вания. Сигналы о текущих значениях координат поступают на устройство управления (УУ). В функции этого устройства входит сравнение текущих значений с заданными значениями координат и формирование по результ а там сравнения сигналов управления (управляющих сигналов). Заданные зн а чения могут вводиться человеком-оператором либо автоматически пр о граммно. В первом случае в качестве УУ может использоваться автоматич е ский рег у лятор или несколько автоматических регуляторов, уставки которым определяет и задаёт человек. Во втором случае УУ представляет собой пр о граммный автомат мини- либо микроЭВМ и роль человека-оператора св о дится к вводу программы и первоначальному пуску системы. Для выполнения указанных функций от УУ требуется выполнять ари ф метические и логические операции по вычислению значений и сравнению сигналов, кратковременному и долговременному запоминанию (хранению) сигналов и формированию управляющих унифицированных сигналов. П о следние содержат информацию, на основе которой далее формируются во з действия на объект управления (управляющие воздействия), приводящие его в требуемое с о стояние. Непосредственно воздействия требуемой физической природы форм и рует исполнительное устройство (ИУ). Оно преобразует управляющие сигналы, например, в виде напряжения постоянного или импульсного тока, в скорость вращения исполнительного двигателя, в механическое перемещение клапана на паропроводе и так далее. Для выполнения этих преобразований потребуются: преобразователи цифровых сигналов в аналоговые; преобраз о ватели электрических сигналов в неэлектрические; усилительные устройс т ва и т.д. При этом в качестве промежуточных могут потребоваться преобр а зователи кодов цифровых сигналов, либо формы представления сигналов. Например, кодов двоичных чисел в пропорциональное количество импул ь сов, однофазных сигналов в многофазные, используемые для управления шаговыми двигат е лями и т. д. Под действием возмущающих воздействий объект выходит из но р мального состояния (режима), а САУ возвращает его в требуемый (нормал ь ный) режим работы. Процесс управления протекает в реальном масштабе времени, то есть со скоростью, определяемой характером физических пр о цессов. Если управляющие воздействия запаздывают во времени либо чре з мерны, то может возникнуть неустойчивый режим работы системы, при к о тором коорд и наты объекта могут принять недопустимые значения и либо сам объект, либо отдельные устройства системы выйдут из строя возникнет аварийный р е жим. Поэтому в теории САУ основными являются проблемы обеспечения у с тойчивости и точности управления. Большинство из перечисленных преобразований могут быть выполн е ны с помощью цифровых микроэлектронных устройств. Полностью цифр о вым является УУ, когда оно строится на основе управляющих микроЭВМ либо на цифровых микросхемах. На цифровых микросхемах выполняются цифровые датчики физич е ских величин, а так же частично аналого-цифровые и цифро-аналоговые пр е обр а зователи сигналов. В1.2. Системы передачи информации (СПИ) При увеличении расстояния между ИИУ и УУ (рис. В1), а также между УУ и ИУ, возникает задача передачи информации . Необходимость пер е дачи информации на значительные расстояния возникает не только в пр о странственно развитых системах автоматического управления и контроля, но и в системах других видов связи (телеграфной, телефонной, телефаксной и др.). Кроме того, необходимость передачи информации возникает в вычисл и тельных системах, системах передачи данных, телемеханических системах и т. д. Эта задача осложняется тем, что в процессе передачи по линиям связи искажаются параметры сигналов и это, в свою очередь, может привести к и с кажению информации к снижению её верности (вероятности правильного её приёма). Искажение же сигналов обусловлено действием помех , возн и кающих в линиях связи . Помехи, как правило, имеют случайный характер и по своим параметрам могут и не отличаться от параметров сигналов. Поэт о му они "способны" искажать сигналы и даже "воспроизводить" информацию трансформировать передаваемое сообщение . Последнее самое нежел а тельное событие в передаче информации. Чтобы обеспечить высокую верность и максимальную скорость ( э ф фективность ) передачи информации, требуются дополнительные преобр а зования си г налов и специальные методы их передачи. К таким преобразованиям относятся кодирование и обратная процед у ра декодирование информации (и сигналов). Кодирование есть проц е дура преобразования сообщения в сигнал . При этом преобразования ос у ществляются по определённым правилам, совокупность которых называе т ся кодом . Кодирование информации выполняется на передающей стороне, а д е кодирование на приёмной. Различают помехоустойчивое кодирование и эффективное . Цель помехоустойчивого кодирования построить (сфо р мировать) сигнал, менее подверженный действию помех, придать ему т а кую структуру, чтобы возникшие в процессе передачи ошибки на приёмной стороне можно было бы обнаружить либо исправить . И, тем самым, обе с печить высокую верность пер е дачи. Цель эффективного кодирования обеспечить максимальную ск о рость передачи информации, так как её ценность во многом определяется, насколько своевременно она получена . Согласно этому требованию закод и рованное сообщение должно нести требуемое количество информации и, в то же самое время, иметь минимальную длину, чтобы на передачу потребов а лось минимум времени. Передача сигналов (и информации) осуществляется по каналам связи . Канал связи это тракт (путь) независимой передачи сигналов от исто ч ника к соответствующему приёмнику (получателю) информации. Каналы связи образуются техническими средствами каналообразующей аппарат у рой и так же, как и линии связи подвержены влиянию помех. Одной из основных решаемых в СПИ задач является задача создания требуемого числа каналов связи. Эффективность и помехоустойчивость п е редачи во многом определяется используемыми каналами связи. Под пом е хоустойчивостью понимают способность системы (сигнала, кода) пр а вильно выпо л нять свои функции в условиях действия помех . Обычно одну и ту же систему можно использовать для передачи и н формации от многих источников к соответствующему числу приёмников (получателей). Поэтому образование требуемого числа каналов с необход и мой помехозащищённостью возлагается на устройство связи. При этом в ус т ройстве связи могут выполняться следующие преобразования: модуляция и демодуляция сигналов; усиление передаваемых в линию и принимаемых из л и нии связи сигналов; ограничение по уровню и частотному спектру сигналов и некот о рые другие. В зависимости от области использования (применения) СПИ возникает необходимость в дополнительных преобразованиях таких, как преобразов а ние формы сигналов, их физической природы, нормирование параметров п о ступающих извне сигналов и сигналов, выдаваемых системой на внешние устройства; временное хранение передаваемых в канал связи и выдаваемых системой сигн а лов. Перечисленные преобразования предопределяют функциональный с о став передающей и приёмной аппаратуры систем передачи информации (рис.В2). Как видно по схеме, передача осуществляется в одном направлении слева направо. Устройство ввода и первичного преобразования информации (УВПИ) преобразует поступающие от источников информации сигналы в унифицированные «первичные» сигналы, которые невозможно непосредс т венно передать на большие расстояния. Обычно, эти унифицированные си г налы представляют собой напряжение постоянного тока с фиксированными значениями по уровню. В блоке УВПИ первичные сигналы сохраняются на время передачи (в буферном запоминающем устройстве), после чего стир а ются из памяти. Кодирующее устройство (КУ) преобразует первичные си г налы в кодированные сигналы, имеющие определённую структуру и формат, допускающие возможность передачи их (сигналов) на большие расстояния («телесигналы»). Как правило, это устройство является комбинационным, хотя в ряде случаев может быть выполнено и последовательностным (мног о тактным). Здесь реализуются логические и арифметические операции проц е дур кодирования. Основным назначением устройства связи (рис. В2) является создание или организация каналов связи на предоставленной линии связи. Линия связи это материальная среда между передатчиком (Прд) и приёмником (Прм) системы. На рисунке условно показана двухпроводная линия электр и ческой связи. Однако могут использоваться радиолинии и в о локонно-оптические линии связи и другие. В зависимости от типа линии в Прд и Прм выполняются различные преобразования сигналов с целью согласования их параметров и характеристик с параметрами и характеристиками линии связи и преобразования, направленные на повышение помехоустойчивости си г налов. На приёмной стороне принятые из линии связи кодированные сигналы вновь преобразуются декодирующим устройством (ДКУ) в первичные сигн а лы. При этом в принятых сигналах процедурами декодирования обнаруж и ваются и могут исправляться ошибки и, тем самым, обеспечивается требу е мая верность передачи информации. А выходные преобразователи (ВП) преобразуют эти первичные сигналы в форму и вид (физическую природу), которую могут воспринимать получатели информации. Следует отметить, что большинство функциональных «узлов» и «бл о ков», показанных на рис.В2, могут быть выполнены на цифровых микросх е мах. Поэтому системы передачи информации, как правило, являются цифр о выми. В1.3. Системы обработки информации (вычислительные системы) Перечисленные выше типовые задачи могут быть решены и формал и зованы математическими и логическими методами. В свою очередь назва н ные методы оперируют простейшими операциями (арифметическими или л о гическими), выполнением которых над некоторыми «исходными данными» получается новый результат, ранее неизвестный. Эта общность методов р е шения разнообразных задач по обработке информации позволила создать о т дельный класс устройств и систем, целевым назначением которых (первон а чально) была автоматизация вычислительных процедур электронные в ы числительные машины (ЭВМ). На современном этапе развития вычислител ь ной техники ЭВМ «превратились» в компьютеры, на основе которых строя т ся совр е менные компьютерные системы обработки и передачи информации. Обобщённая структурная схема некоторой вычислительной системы прив е дена на рис.В3. Обрабатываемые да н ные предварительно через устройство ввода Увв п о ступают на запоминающее устройство ЗУ , где сохраняются на всё время обработки. В этом же ЗУ хранится и программа обработки поступающей и н фо р мации. Программа работы системы так же, как и «данные», хранятся в запом и нающем устройстве в виде многоразрядных двоичных чисел, записанных в ячейки ЗУ по определённым адресам (адресам ячеек памяти). Двоичные чи с ла, совокупность которых отображает программу обработки данных, стру к турированы на определённое число частей, каждая из которых имеет опред е лённое назначение. В простейшем случае имеются следующие части: 1) код операции, которую надо выполнить с двумя двоичными числами, отобр а жающими значения «данных» и называемыми «операндами»; 2) адрес перв о го операнда; 3) адрес второго операнда. Совокупность этих частей образует «команду». Работа ЭВМ заключается в последовательном выполнении команд, з а данных программой. Координирует работу всех блоков во времени и упра в ляет ими управляющее устройство УУ . А непосредственно логические и арифметические операции (действия) над операндами выполняет арифмет и ко-логическое устройство АЛУ , которое по сигналу от УУ «код операции» каждый раз н а страивается на выполнение конкретной операции. Устройство управления расшифровывает поступившую от ЗУ команду (рис. В3 «очередная команда»), код операции направляет на АЛУ и оно гот о вится к выполнению соответствующей операции. Затем формирует сигналы выборки из ЗУ операндов (см. сигнал «Адреса данных») и определяет адрес очередной команды, которую следует выполнить на следующем такте работы ЭВМ («Адрес очередной команды»). По сигналам от УУ из ЗУ считываются операнды, и АЛУ выполняет необходимые действия. При этом образуется промежуточный результат («Результат операции»), который также сохраняет ЗУ. В зависимости от результата выполнения операции может появиться н е обходимость изменения последовательности выполнения команд, либо пр е кратить обработку данных, либо вывести оператору сообщения об ошибках. Для этой цели с АЛУ на УУ поступает сигнал «Признак результата». Процесс обработки введённых данных (информации) продолжается до тех пор, пока не будет извлечена команда «Конец вычислений», либо оператор по своему усмотрению не остановит процесс обработки данных. Полученный результат обработки также хранится в ЗУ и может быть выведен через устройство вывода Увыв по окончании процесса обработки либо в ходе процесса, если это предусмотрено программой. Для «общения» оператора с ЭВМ предусматриваются терминальные устройства ТУ , предназначенные для ввода оператором команд и других с о общений и для вывода оператору «сообщений» со стороны ЭВМ. На рис.В3 не показаны связи управляющего устройства, обеспечива ю щие синхронизацию работы всех составных частей ЭВМ. Широкими стре л ками отображается возможность параллельной передачи данных (одновр е менной передачи всех разрядов многоразрядных двоичных чисел). Практически все показанные на рис.В3 блоки (кроме терминальных устройств) могут быть полностью выполнены только на цифровых инт е гральных микросхемах (ИМС). В частности, УУ, АЛУ и часть ЗУ (регистр о вая память СОЗУ) могут быть выполнены в виде одной ИМС большой ст е пени интеграции. Названная совокупность блоков образует микропроцессор центральный процессор ЭВМ, выполненный средствами интегральной те х нологии на одном кристалле полупроводника. Устройства ввода и вывода данных, как правило, состоят из буферных запоминающих регистров, служащих для временного хранения, соответс т венно, вводимых и выводимых данных и для согласования системы с вне ш ними устройствами. Запоминающее устройство (ЗУ) обычно разделяют на две части: опер а тивное ЗУ (ОЗУ) и постоянное ЗУ. Первое служит для хранения промеж у точных результатов вычислений, его «содержимое» постоянно изменяется в процессе обработки данных. ОЗУ работает в режимах «считывания» и «зап и си» данных. А второе, постоянное ЗУ (ПЗУ), служит для хранения стандар т ных подпрограмм и некоторых системных (служебных) подпрограмм, упра в ляющих процессами включения и выключения ЭВМ. Как правило, ПЗУ в ы полняется на программируемых пользователем ИМС ПЗУ (ППЗУ), либо з а ранее запрограммированных на заводах-изготовителях ИМС ПЗУ, либо п е репрограммируемых пользователем ПЗУ (РеПЗУ). Обычно это энергонезав и симые запоминающие устройства, в которых записанная информация не «разрушается» даже при их отключении от источника питания. В состав АЛУ входят одноимённого названия ИМС, выполняющие л о гические и арифметические операции с двоичными числами, логические эл е менты и ряд других функциональных узлов, служащих для сравнения чисел цифровые компараторы, для увеличения быстродействия выполняемых арифметических операций, например «блоки ускоренного переноса» и т.д. В состав УУ входят таймерные устройства, задающие тактовую частоту работы системы и, в конечном итоге, определяющие её производительность, дешифраторы кодов команд, программируемые логические матрицы, регис т ры, блоки микропрограммного управления, а также «порты» ввода-вывода. Все перечисленные функциональные узлы выполняются в виде инт е гральных цифровых устройств. Основными проблемами вычислительных систем являются, во-первых, повышение их производительности (быстродействия). И, во-вторых, обе с печение работы систем в реальном «масштабе» времени . Первая проблема носит общесистемный характер и решается путём применения новой элементной базы и специальных методов обработки и н формации. Вторая проблема возникает при использовании вычислительных систем для управления производственными процессами и заключается в том, что скорости протекания производственных и вычислительных процессов дол ж ны быть согласованы. Действительно, функционирование вычислительной системы (ВС) происходит в так называемом «машинном» времени, когда за единицу времени принимается некоторый фиксированный и неделимый и н тервал времени, называемый «тактом работы» ЭВМ или компьютера, тогда как реальные физические процессы, например технологические процессы, протекают в реальном времени, измеряемом в секундах, долях секунды, в ч а сах и т.д. Чтобы применение ЭВМ стало возможным, необходимо скорость обработки информации сделать не менее скорости протекания реальных ф и зических процессов. Решение этой проблемы достигается организацией сп е циальных методов обмена информацией (данными) управляющей ЭВМ с п е риферийными устройствами и применением специальных, так называемых инте р фейсных схем и устройств . В функции интерфейсных схем входит: · определение адреса внешнего устройства, требующего обмена и н формацией с процессором либо с запоминающим устройством системы; · формирование сигналов прерывания работы процессора ВС и ин и циализация перехода к программе обслуживания объекта, запросившего пр е рывание. Это осуществляется по специальной системе приоритетов ; · реализация очередей на обслуживание внешних устройств; · согласование по параметрам и времени сигналов обмена и т.д. Благодаря современным достижениям в области интегральной технол о гии в изготовлении микроэлектронных устройств, созданию микроЭВМ и компьютеров, характеризующихся малыми габаритами, малым потреблением энергии и приемлемой стоимостью, стало возможным их применение в с о ставе систем самого различного назначения. При этом эти системы приобр е тают новые качества и становятся многофункциональными с возможностью гибкого перехода от одного режима работы к другому путём простого изм е нения конфигурации систем. В свою очередь, эти достоинства открывают н о вые перспективы в применении компьютерных систем в самых разнообра з ных областях человеческой деятельности: в науке, в медицине, в образовании и подготовке кадров и тем более в технике. Например, телефонная связь традиционно осуществлялась аналогов ы ми устройствами, когда человеческая речь передавалась (по проводам) си г налами в виде переменных токов звуковых частот. Теперь же наметился и н тенсивный переход к цифровой телефонной связи, при которой аналоговые сигналы (от микрофона) преобразуются в цифровые, передаваемые на бол ь шие расстояния без существенных искажений. На приёмной стороне эти цифровые сигналы вновь преобразуются в аналоговые и доводятся до тел е фона. Переход к цифровой связи позволяет повысить качество передачи р е чи, кроме того, телефонную сеть можно использовать для других услуг: о х ранной сигнализации; пожарной сигнализации; для «конференцсвязи» н е скольких абоне н тов и так далее. В2. Сравнительная оценка цифровых и аналоговых устройств микр о электронной техники Решая вопрос о построении или проектировании, какого либо устро й ства, следует предварительно принять решение о направлении проектиров а ния, каким будет устройство? Аналоговым либо дискретным (цифр о вым)? В свою очередь, это решение можно принять, зная достоинства и н е достатки тех и других устройств. Предварительно дадим определения пон я тиям «ан а логовые» и «цифровые» устройства. Аналоговым называется такое устройство , у которого все сигналы входные, выходные и промежуточные (внутренние) являются непрерывн ы ми, описываются непрерывными математическими функциями. Эти сигналы характеризуются бесконечным множеством значений по уровню (состоян и ям) и непрерывны во времени, хотя диапазон изменения значений непреры в ного сигнала ограничен. Поэтому иногда такие устройства называют устро й ствами н е прерывного действия . Дискретными устройствами или устройствами дискретного дейс т вия называют такие, у которых входные, выходные и промежуточные сигн а лы характеризуются счётным множеством значений по уровню и существ о ванием в определённые интервалы времени. Такие сигналы можно отобр а зить в той или иной позиционной системе счисления (соответствующими цифрами). Например, в десятичной системе счисления либо двоичной сист е ме счисления. Двоичное представление сигналов нашло наибольшее прим е нение в технике и в формальной логике при исчислении высказываний и при выводе умозаключений из нескольких посылок. Поэтому дискретные устро й ства н а зывают логическими (по аналогии с формальной двоичной логикой) или цифровыми , принимая во внимание возможность описания их с пом о щью чисел позиционной системы счисления. Недостатки технических средств аналоговой техники 1. Наличие «дрейфа» и «шумов». Дрейф это медленное изменение сигнала, обусловленное дискретной природой явлений, по отношению к з а данному его значению. Например, для электрических сигналов дискретную природу протекания электрического тока обуславливают электроны и «ды р ки», являющиеся носителями электрических зарядов. Шумы это случайные изменения сигнала, вызванные внешними или внутренними факторами, н а пример, температурой, давлением, напряжённостью магнитного поля Земли и т.д. 2. Методологические трудности в определении понятий «равенство нулю» и «равенства аналоговых сигналов». И как следствие существование проблемы «обеспечения заданной точности (погрешности)» преобразований и передачи сигналов. 3. Возможность появления неустойчивых режимов работы и сущес т вование проблемы «обеспечения устойчивости» работы систем и устройств. Неустойчивый режим характеризуется возникновением в устройстве или системе незатухающих колебаний в изменении некоторых сигналов. В эле к тронике это явление широко используется при построении генераторов и м пульсов и генераторов гармонических колебаний. 4. Технические трудности в реализации запоминающих устройств и устройств временной задержки аналоговых сигналов. 5. Недостаточный уровень интеграции аналоговых элементов и их универсальности. 6. Сравнительно малая дальность передачи аналоговых сигналов, обусловленная рассеянием энергии в линиях связи. 7. Сравнительно большое потребление энергии, так как аналоговые элементы работают на линейных участках их переходных характеристик и «потребляют» энергию в начальных (исходных) состояниях. Достоинства технических средств аналоговой техники 1. Адекватность отображения физических процессов и закономерн о стей: и те и другие описываются непрерывными зависимостями. Это позв о ляет существенно упрощать принципиальные технические решения аналог о вых устройств и систем. 2. Оперативность и простота изменения режимов работы: часто до с таточно изменить сопротивление резистора или ёмкость конденсатора, чтобы неустойчивый режим сменился на устойчивый либо обеспечить заданный переходный процесс в устройстве. 3. Отсутствие необходимости в преобразовании аналоговых величин в дискретные. Эти преобразования сопровождаются погрешностью и опред е лённой тратой времени. Достоинства технических средств цифровой техники 1. Возможность программного управления, что увеличивает гибкость изменения структуры и алгоритма функционирования систем, позволяет у п ростить реализацию адаптивных законов управления. 2. Простота обеспечения заданной надёжности, точности и помех о устойчивости работы систем. 3. Простота обеспечения совместимости устройств с устройствами обработки информации в цифровой форме (ЭВМ, компьютерами). 4. Высокая степень конструктивной и функциональной интеграции, универсальности с возможностью построения систем по типовым проектным решениям. В свою очередь это позволяет сокращать затраты на производство и эксплуатацию систем и устройств. 5. Возможность проектирования формальными логическими метод а ми, что позволяет сокращать сроки проектирования устройств и даёт во з можность изменения функций устройств (и систем на их основе) методами агрегатного п о строения в процессе эксплуатации. Недостатки технических средств цифровой техники 1. Необходимость преобразования аналоговых сигналов в дискре т ные. Эти преобразования сопровождаются появлением погрешности и з а держками во времени. 2. Относительная сложность изменения режимов работы. Для этого необходимо менять структуру системы либо алгоритм её функционирования. 3. Сложность процессов анализа функционирования систем, как при проверке правильности их работы, так и при поиске возникающих неиспра в ностей. Цифровые устройства характеризуются большой функциональной сложностью, что требует специальных «диагностических» устройств, кот о рые изучаются в специальной области техники, называемой технической д и агност и кой . 4. Повышенные требования к культуре производства и к культуре о б служивания технических средств цифровой техники. В свою очередь, это стимулирует необходимость повышения квалификации обслуживающего персонала и требует от него высокой квалификации. Сравнительный анализ перечисленных достоинств и недостатков даёт вывод в пользу технических средств цифровой техники . Поэтому в н а стоящее время цифровые устройства широко внедряются, казалось бы, в тр а диционные области аналоговой техники: телевидение, телефонную связь, в технику звукозаписи, радиотехнику, в системы автоматического управления и регулирования. 1. Основы микроэлектронной техники 1.1. Основные понятия и определения Микроэлектроника основное направление электроники, которое изучает проблемы конструирования, исследования, создания и применения электронных устройств с высокой степенью функциональной и конструкти в ной интеграции . Микроэлектронное изделие , реализованное средствами интегральной технологии и выполняющее определённую функцию по преобразованию и обработке сигналов, называется интегральной микросхемой (ИМС) или просто интеграл ь ной схемой (ИС). Микроэлектронное устройство совокупность взаимосвязанных ИС, выполняющая законченную достаточно сложную функцию (либо несколько функций) по обработке и преобразованию сигналов. Микроэлектронное ус т ройство может быть конструктивно оформлено в виде одной микросхемы либо на нескольких ИМС. Под функциональной интеграцией понимают увеличение числа реал и зуемых (выполняемых) некоторым устройством функций. При этом устро й ство рассматривается как единое целое , неделимое. А конструктивная инт е грация это увеличение количества компонентов в устройстве, рассматр и ваемом как единое целое . Примером микроэлектронного устройства с выс о кой степенью конструктивной и функциональной интеграции, является ми к ропроцессор ( см. выше), который, как правило, выполняется в виде одной «большой» ИМС. Схемотехника является частью микроэлектроники, предметом которой являются методы построения устройств различного назначения на микр о схемах широкого применения . Предметом же цифровой схемотехники я в ляются методы построения (проектирования) устройств только на цифровых ИМС. Особенностью цифровой схемотехники является широкое применение для описания процессов функционирования устройств формальных либо формально-естественных языков и основанных на них формализованных методов проектирования . Формальными языками являются булева алгебра (алгебра логики, алгебра Буля) и язык «автоматных» логических функций алгебра состояний и событий . Благодаря использованию формализованных методов, достигается многовариантность в решении прикладных задач, п о является возможность оптимального выбора схемотехнических решений по тем или иным крит е риям. Формальные методы характеризуются высоким уровнем абстракции отвлечения, пренебрежения частными свойствами описываемого объекта. Акцентируется внимание только на общих закономерностях во взаимных связях между компонентами объекта его составными частями. К таким “ з а кономерностям ” , например, относятся правила арифметических действий в алгебре чисел (правила сложения, вычитания, умножения, деления). При этом отвлекаются от смысла чисел (количество ли это яблок, либо столов и т.д.). Эти правила строго формализованы, формализованы и правила получ е ния сложных арифметических выражений, а также процедуры вычислений по таким выражениям. В таких случаях говорят, формальными являются и си н та к сис и грамматика языка описания. У формально-естественных языков синтаксис формализован, а грамм а тика (правила построения сложных выражений) подчиняется грамматике е с тественного языка, например русского либо английского. Примерами таких языков являются различные табличные языки описания. В частности, теор е тической базой описания цифровых устройств является «Теория конечных автоматов» [1] или «Теория релейных устройств и конечных автоматов» [2]. 1.2. Классификация микроэлектронных устройств Всё многообразие микроэлектронных устройств (МЭУ) можно класс и фицировать по различным признакам: · по принципу и характеру действия; · по функциональному назначению и выполняемым функц и ям; · по технологии изготовления; · по области применения; · по конструктивному исполнению и техническим характер и стикам и так далее. Рассмотрим теперь более детально разделение МЭУ по классификац и онным признакам. По принципу (характеру) действия все МЭУ подразделяются на ан а логовые и цифровые . Выше уже были даны понятия аналоговых и дискре т ных устройств и, в том числе цифровых. Здесь же отметим, если в дискре т ных устройствах все сигналы принимают только два условных значения логического нуля (лог.0) и логической единицы (лог.1), то устройства наз ы вают логическими . Как правило, все цифровые устройства относятся к лог и ческим устройствам. В зависимости от выполняемых функций (функционального назнач е ния) различают следующие микроэлектронные устройства: I. Аналоговые 1.1. Усилительные устройства (усилители). 1.2. Функциональные преобразователи, выполняющие математические операции с аналоговыми сигналами (например, интегрирование, диффере н цирование и т.д.). 1.3. Измерительные преобразователи и датчики физических вел и чин. 1.4. Модуляторы и демодуляторы, фильтры, смесители и генераторы гармонич е ских колебаний. 1.5. Запоминающие устройства. 1.6. Стабилизаторы напряжений и токов. 1.7. Интегральные микросхемы специального назначения (например, для обработки радио- и видеосигналов, компараторы, коммутат о ры и т.д.). II. Цифровые МЭУ 2.1. Логические элементы. 2.2. Шифраторы, дешифраторы кодов и кодопреобразователи. 2.3. Запоминающие элементы (триггеры). 2.4. Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, ПЛМ и др.). 2.5. Арифметико-логические устройства. 2.6. Селекторы, формирователи и генераторы импульсов. 2.7. Счётные устройства ( счётчики импульсов). 2.8. Цифровые компараторы, коммутаторы дискретных сигналов. 2.9. Регистры. 2.10. Микросхемы специального назначения (например, та й мерные, микропроцессорные комплекты ИС и т.д.). Приведённая классификация далеко не исчерпывающая, но позволяет сделать вывод, что номенклатура цифровых устройств значительно шире н о менклатуры аналоговых МЭУ. Кроме перечисленных, существуют микросхемы преобразователей уровней сигналов, например триггеры Шмита, у которых входные сигналы являются аналоговыми, а выходные дискретными, двоичными. Такие ми к росхемы занимают промежуточное положение. Аналогично, микросхемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), коммутаторы аналоговых сигналов, управляющиеся дискретными сигналами, следует отнести к «промеж у точным» МЭУ. В зависимости от количества реализуемых функций различают одн о функциональные (простые) и многофункциональные (сложные) МЭУ. В мн о гофункциональных устройствах функции могут выполняться одновременно либо последовательно во времени. В зависимости от этого, в первом случае, устройства называют устройствами «параллельного» действия, а во втором случае устройствами последовательного действия или «последовательн о стными». Если настройка многофункционального устройства на выполнение той или иной функции осуществляется путём коммутации входов (физич е ской перекоммутацией электрических цепей), то такое устройство называют устройством с « жёсткой логикой » работы. А если изменение выполняемых функций производится с помощью дополнительных внешних сигналов (на так называемых управляющих входах), то такие МЭУ следует отнести к «программно-управляемым». Например, ИМС арифметико-логических ус т ройств (АЛУ) могут реализовать арифметические либо логические операции с двумя многоразрядными двоичными числами. А настройка на выполнение арифметических (либо логических) операций осуществляется одним допо л нительным внешним сигналом, в зависимости от значения которого будут выполняться желаемые действия. Поэтому АЛУ следует отнести к пр о граммно-управляемым МЭУ. По технологии изготовления все ИМС делятся на: 1. Полупроводниковые; 2. Плёночные; 3. Гибридные. В полупроводниковых ИС все компоненты и соединения выполнены в объёме и на поверхности кристалла полупроводника. Эти ИС делятся на б и полярные микросхемы (с фиксированной полярностью питающих напряж е ний) и на униполярные с возможностью смены полярности питающего н а пряжения. В зависимости от схемотехнического исполнения «внутреннего содержания» биполярные микросхемы делятся на следующие виды: · ТТЛ транзисторно-транзисторной логики; · ТТЛш транзисторно-транзисторной логики с транзисторами и диодами Шотки; · ЭСЛ эмиттерно-связанной логики; · И 2 Л инжекционной логики и другие. Микросхемы униполярной технологии выполняются на МДП-транзисторах («металл– диэлектрик– полупроводник»), либо на МОП-транзисторах («металл– окисел– полупроводник»), либо на КМОП-транзисторах (компл и ментарные «металл – окисел – полупроводник»). В плёночных ИС все компоненты и связи выполняются только на п о верхности кристалла полупроводника. Различают тонкоплёночные (с толщ и ной слоя менее 1 микрона) и толстоплёночные с толщиной плёнки более микрона. Тонкоплёночные ИС изготавливаются методом термовакуумного осаждения и катодного распыления, а толстоплёночные методом шелк о графии с последующим вжиганием присадок. Гибридные ИС состоят из «простых» и «сложных» компонентов, ра с положенных на одной подложке. В качестве сложных компонентов обычно используются кристаллы полупроводниковых либо плёночных ИС. К пр о стым относятся дискретные компоненты электронной техники (транзисторы, диоды, конденсаторы, индуктивности и т.д.). Все эти компоненты констру к тивно располагаются на одной подложке и на ней также выполняются эле к трические соединения между ними. Причём одна подложка с расположенн ы ми на ней компонентами образуют один «слой» гибридной ИС. Различают однослойные и многослойные гибридные ИС. Многослойная гибридная ИС способна выполнять достаточно сложные функции по обработке сигналов. Такая микросхема равносильна по действию «микроблоку» устройств, либо, если она предназначена для самостоятельного применения, действию «цел о го» блока. Кроме того, любые микросхемы оцениваются количественным показ а телем их сложности . В качестве такого показателя используется « степень интеграции » k , равная десятичному логарифму от общего количества N компонентов, размещённых на одном кристалле полупроводника, то есть k = lq N . (1) В соответствии с формулой (1) все микросхемы делятся на микросхемы 1-й, 2-й, третьей и так далее степеней интеграции. Степень интеграции лишь косвенно характеризует сложность микросхем, поскольку принимается во внимание только конструктивная интеграция. Фактически же сложность микросхемы зависит и от количества взаимных связей между компонентами. В инженерной практике используется качественная характеристика сложности микросхем в понятиях «малая», «средняя», «большая» и «свер х большая» ИС. В табл.1.1 приведены сведения о взаимном соответствии качественных и количественных мер сложности ИС по их видам. Таблица 1.1 Наименов а ние ИС Вид ИС Технология изг о товления Количество ко м понентов на кр и сталле Степень и н теграции k Малая (МИС) Ци ф ровая Биполярная 1…100 1-я и 2-я Униполярная Ан а логовая Биполярная 1…30 Средняя (СИС) Ци ф ровая Биполярная 101…500 3-я Униполярная 101…1000 Ан а логовая Биполярная 31…100 Униполярная Большая (БИС) Ци ф ровая Биполярная 501…2000 4-я Униполярная 1001…10000 Ан а логовая Биполярная 101…300 Униполярная Сверхбол ь шая (СБИС) Ци ф ровая Биполярная Более 2000 5-я Униполярная Более 10000 Ан а логовая Биполярная Более 300 Униполярная Из анализа табл.1.1 следует, что в сравнении с цифровыми ИС аналог о вые микросхемы при одинаковых степенях интеграции имеют в своём сост а ве (на кристалле полупроводника) более чем в три раза, меньшее число ко м понентов. Это объясняется тем, что активные компоненты (транзисторы) аналоговой микросхемы работают в линейном режиме и рассеивают большее количество энергии. Необходимость отвода тепла, выделяющегося при ра с сеянии энергии, ограничивает количество компонентов, размещаемых на о д ном кристалле. У цифровых микросхем активные компоненты работают в ключевом режиме (транзисторы либо заперты, либо открыты и находятся в режиме насыщения). В этом случае рассеиваемая мощность незначительна, и количество выделяемого тепла также незначительно и следовательно число компонентов на кристалле может быть размещено больше. (Размеры кр и сталлов стандартизованы и ограничены.) При униполярной технологии об ъ ём кристалла, занимаемый под полевой транзистор приблизительно в три раза меньше объёма, занимаемого биполярным транзистором ( n - p - n или p - n - p типа). Этим объясняется тот факт, что активных компонентов на кристалле стандартных размеров в униполярной микросхеме можно разместить больше. По конструктивному исполнению в зависимости от функциональной сложности микроэлектронные устройства подразделяются: на простые микросхемы (ИМС); на микросборки; на микроблоки. ИМС микроэлектронное изделие, изготавливаемое в едином технол о гическом цикле , пригодное для самостоятельного применения или в составе более сложных изделий (в том числе, микросборок и микроблоков). Микр о схемы могут быть бескорпусными и иметь индивидуальный корпус, защ и щающий кристалл от внешних воздействий. Микросборка микроэлектронное изделие, выполняющее достаточно сложную функцию (функции) и состоящее из электрорадиокомпонентов и микросхем, изготавливаемое с целью миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. По существу гибридные микросхемы являются микросборками. Самой простой микросборкой может быть, например, набор микрорезист о ров, выполненных на кристалле полупроводника и оформленных в едином корп у се (как микросхема). Микроблок также является микроэлектронным изделием, состоит из электрорадиокомпонентов и интегральных схем и выполняет сложную фун к цию (функции). Как правило, микросборки и микроблоки изготавливаются в различных технологических циклах, и, может быть, на разных заводах-изготовителях. В качестве классификационных технических характеристик обычно используются потребляемая мощность (одной микросхемой) и быстроде й ствие . По потребляемой мощности все ИМС можно разделить на: а ) микр о мощные (менее 10 мВт ); б ) маломощные (не более 100 мВт ); в ) средней мощности (до 500 мВт ) и г ) мощные (более или = 0,5 Вт ). По быстродействию (максимальным задержкам времени распростр а нения сигналов через ИС) микросхемы делятся условно на: а ) сверхбыстр о действующие с граничной частотой f гр переключений свыше 100 МГц ; б ) б ы стродействующие ( f гр от 50 МГц до 100 МГц ); в ) нормального быстродейс т вия ( f гр от 10 МГц до 50 МГц ). При этом задержки распространения соста в ляют порядка от единиц наносекунд (10 -9 с .) до 0,1 микросекунды (1 s =10 -6 с .). Цифровые микроэлектронные устройства, в том числе микросхемы и другие устройства дискретного действия , удобно классифицировать по х а рактеру зависимости выходных сигналов от входных. Как это принято в теории конечных автоматов. В соответствии с этим признаком все устройства пр и нято разделять на комбинационные и последовательностные . В комбинационных устройствах значения выходных сигналов в к а кой-либо момент времени однозначно определяются значениями входных сигналов в этот же момент времени. Поэтому можно считать, что работа т а ких устройств не зависит от времени. Их ещё называют устройствами «без памяти », однотактными устройствами или устройствами однотактного де й ствия. В теории конечных автоматов комбинационные устройства называют «пр и митивными конечными автоматами». В последовательностных устройствах значения выходных сигналов (выходные сигналы) зависят от значений входных сигналов не только в ра с сматриваемый момент времени, но и от значений входных сигналов в пред ы дущие моменты времени. Поэтому такие устройства называют устройствами с « памятью », многотактными устройствами, а в теории конечных автом а тов, просто
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Мужчины - они как огонь: могут согреть, а могут обжечь. А некоторые просто жарят...
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, курсовая по информатике и информационным технологиям "Цифровая схемотехника", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru