Автоматизированное проектирование

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”

Кафедра “Обчислювальної техніки та програмування”

Звіти

лабораторних робіт

«Автоматизоване проектування»

м. Харків 2007

Лабораторная работа №1

Разработка функциональной схемы. Разбиение схемы на пять иерархических уровней. Моделирование элементов нижнего иерархического уровня.

Цель работы: Декомпозиция полученного задания.

Разработка функциональной схемы устройства. Получение и закрепление практических навыков моделирования логических элементов в системе автоматизированного проектирования OrCAD 10.3

Индивидуальные задания:

№ п/п	Формулировка задания	Серия	Элементы I иерархического уровня
14.	Умножить два числа с одновременным анализом двух разрядов множителя, начиная со старших разрядов	74AS	2И, 2ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, XOR2

Алгоритм

Разработка функциональной схемы

Для реализации алгоритма умножения необходимо:

16-ти разрядный регистр для частичной суммы.

8-ми разрядный сдвиговый регистр для множителя.

8-ти разрядный сумматор.

16-разрядный сумматор.

счетчик импульсов для определения конца умножения.

Функциональная схема будет иметь следующий вид:

Разбиение схемы на пять иерархических уровней.

Элементы 1-го уровня иерархии:

2И, 2ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, XOR2

Элементы 2-го уровня иерархии:

Триггер D;

Сумматоры;

Мультиплексоры;

Элементы 3-го уровня иерархии

4-х разрядные:

Регистры;

Сумматоры;

Счетчики;

Элементы 4-го уровня иерархии

8-ти разрядный сумматор;

16-ти разрядный сумматор;

8-разрядный регистр.

16-разрядный регистр.

Элементы 5-го уровня иерархии

Элементом 5-го уровня иерархии является само устройство умножения двух 8-ми разрядных чисел.

Моделирование элементов нижнего иерархического уровня

1. Моделирование элемента 2И

Выбираем необходимый элемент из библиотеки, и подаем цифровые сигналы.

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 0 в 1 составляет 5 нс, ширина зоны неопределенности 4 нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 1 к 0 составляет 5,5 нс, ширина зоны неопределенности 4,5нс.

2. Моделирование элемента 2ИЛИ

Выбираем необходимый элемент из библиотеки, и подаем цифровые сигналы.

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 0 в 1 составляет 6,3 нс, ширина зоны неопределенности 5,3нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 1 к 0 составляет 6,3 нс, ширина зоны неопределенности 5,3нс.

3. Моделирование элемента НЕ

Выбираем необходимый элемент из библиотеки, и подаем цифровые сигналы.

Определяем временные характеристики элемента.



Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 0 в 1 составляет 5 нс, ширина зоны неопределенности 4 нс..

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 1 к 0 составляет 4 нс, ширина зоны неопределенности 3 нс.

4. Моделирование элемента 2И-НЕ

Выбираем необходимый элемент из библиотеки, и подаем цифровые сигналы.

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 0 к 1 составляет 4,5 нс, ширина зоны неопределенности 3,5 нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 1 к 0 составляет 4 нс, ширина зоны неопределенности 3 нс.

5. Моделирование элемента 2ИЛИ-НЕ

Выбираем необходимый элемент из библиотеки, и подаем цифровые сигналы.

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 0 к 1 составляет 4,5 нс, ширина зоны неопределенности 3,5 нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 1 к 0 составляет 4,5 нс, ширина зоны неопределенности 3,5 нс.

5. Моделирование элемента 2XOR

Выбираем необходимый элемент из библиотеки, и подаем цифровые сигналы.

Определяем временные характеристики элемента.



Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 0 к 1 составляет 5,8 нс, ширина зоны неопределенности 4,4 нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка элемента при переходе от 1 к 0 составляет 5,6 нс, ширина зоны неопределенности 4,2 нс.

После моделирования всех элементов нижнего уровня получили временные характеристики для библиотеки 74AS:

ЭЛЕМЕНТ	Задержка, нс	Задержка, нс	Ширина зоны неопределенности, нс
	01	10	01	10
2И	5	5,5	4	4,5
2ИЛИ	6,3	6,3	5,3	5,3
НЕ	5	6	4	5
2И-НЕ	4,5	4	3,5	3
2ИЛИ-НЕ	4,5	4,5	3,5	3,5
2XOR	5,8	5,6	4,4	4,2

Лабораторная работа №2

Моделирование элементов второго иерархического уровня.

Цель работы: Разработка функциональной схемы устройства. Получение и закрепление практических навыков проектирования и моделирования елементов второго иерархического уровня в системе автоматизированного проектирования OrCAD 10.3

Моделирование D-триггера

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.



Из результатов моделирования видно, что задержка триггера при переключении от 0 к 1 составляет 13,5нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка триггера при переключении от 1 к 0 составляет 13,5 нс.

Моделирование мультиплексора

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.



Из результатов моделирования видно, что задержка мультиплексора при переключении от 0 к 1 составляет 11,8 нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка мультиплексора при переключении от 1 к 0 составляет 15,8 нс.

Моделирование cумматора

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.



Из результатов моделирования видно, что задержка сумматора при переключении от 0 к 1 составляет 11,8 нс.

Из результатов моделирования видно, что задержка сумматора при переключении от 1 к 0 составляет 10 нс.

Элемент	Максимальное время задержки, нс
D-триггер	13,5
Сумматор	11,8
Мультиплексор	15,8

Лабораторная работа №3

Моделирование элементов третьего иерархического уровня

Моделирование 4-разрядного сдвигового регистра со сдвигом на 2 разряда.

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка регистра составляет 8,9нс.

Моделирование 4-разрядного сумматора

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка сумматора составляет 25,2 нс.

Моделирование 4-разрядного счетчика

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка счетчика составляет 41,8 нс.

Элемент	Максимальное время задержки, нс
Регистр	16,6
Сумматор	25,2
Счетчик	41,8

Лабораторная работа №4

Моделирование элементов четвертого иерархического уровня.

Моделирование 8-разрядного сдвигового регистра со сдвигом на 2 разряда.

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка регистра составляет 8,9нс.

Моделирование 16-разрядного регистра

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка регистра составляет 8,9нс.

Моделирование 16-разрядного сумматора

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка регистра составляет 51,7нс

Моделирование 8-разрядного сумматора.

Получаем временную диаграмму:

Определяем временные характеристики элемента.

Из результатов моделирования видно, что задержка сумматора составляет 51,7 нс.

Элемент	Максимальное время задержки, нс
8-разрядний регистр	8,9
16-разрядный регистр	8,9
8-разрядний сумматор	51,7
16-разрядний сумматор	51,7

Лабораторная работа №5

Моделирование схемы проектируемого устройства в целом. Анализ правильности его функционирования

Схема проектируемого устройства

Результаты моделирования устройства:

Анализ правильности функционирования

Для проверти правильности функционирования умножаем два числа А=B316 и В=D916; B316 = 17910 ; D916 = 21710; A=166; A+A=219;

№ такта	Действие
1	D=0000000000000000 B = 11|011001 D=D+A+A=219 D=864
2	B =01|100100 D=D+A=864+B3=917 D=245C
3	B =10|010000 D=D+A=245C+166=25C2 D=9708
4	B =01|000000 D=D+A=9708+B3=97BB

Результат: 97BB16 = 3884310 = 17910 * 21710.

Значения частичных сумм (D) совпадают с результатами моделирования.

При завершении вычислений устройство прекращает подачу синхроимпульсов.

Лабораторная работа №6

Исследование проектируемого устройства на быстродействие. Определение оптимальной частоты входных сигналов.

Устройство умножения 8-ми разрядных чисел:

Результаты моделирования устройства:

Рассчитываем примерное значение максимально допустимой частоты импульсов.

Для расчета частоты импульсов необходимо рассчитать минимальную длительность такта, которая будет составлять сумму максимальных задержек элементов устройства.

Fmax= 1/ Tmin ,[Гц]

Рассчитаем частоту для данного примера.

Тmin = tз.2AND+ tз8SUM + tз16SUM + tз16RG=5,5+51,7+51,7+8,9=117,8 (нс);

Fmax = 1/117,8* 10-9 ? 8,5 (МГц).

Проверим полученные данные.

Зададим частоту синхроимпульсов в 8МГц:

Результаты моделирования:

При увеличении частоты ,например, до 25 MГц произойдет сбой:

Лабораторная работа №7

Оценить погрешность выполнения заданных операций на спроектированном устройстве и устройстве, выполняющем аналогичные операции на аналоговых блоках.

Опорное напряжение ЦАП на выходе цифрового умножителя рассчитали по формуле:

,

где m - число двоичных разрядов, DB - цифровой код на входе, V(OUT) - необходимое напряжение выхода.

V(OUT) = 5 * 5 = 25; - напряжение, возникающее при умножении двух сигналов в 5В.

Результаты моделирования:



Погрешность можно оценить визуально по результатам моделирования. Погрешностью является разница между графиками результатов аналогового и цифрового умножений.

Лабораторная работа №8

Моделирование элементов второго иерархического уровня в системе автоматизированного проектирования GL-CAD

Моделирование D-триггера

Получаем временную диаграмму:

Моделирование мультиплексора

Получаем временную диаграмму:

Моделирование cумматора

Получаем временную диаграмму:

Лабораторна робота 9

Тема: «Трасування схеми в системі наскрізного K-значного автоматизованого проектування».

Ціль роботи: Придбання навичок створення макетів друкованих плат цифрових пристроїв у системі .

Мал.1 Схема пристрою.

Мал.2 Розміщення елементів на друкованій платі.

Мал. 3 Автоматична прорисовка доріжок на друкованій платі.

Лабораторна робота 10

Тема: «Моделювання роботи схеми в системі наскрізного K-значного автоматизованого проектування з урахуванням взаємного впливу провідників на друкованій платі».

Ціль роботи: Придбання навичок моделювання роботи схем цифрових пристроїв у системі з урахуванням взаємного впливу провідників на друкованій платі.

Мал.4 Моделювання схеми без врахування впливу провідників.

Мал.5 Моделювання схеми з врахуванням впливу провідників.