Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ

Компьютерный анализ и синтез элементов и узлов ЦВМ на базе программного пакета MicroCAP-8

Учебное пособие

Составители:

О.И. Курсанов,

С.Г. Марковский,

Л.А. Осипов,

А.И. Попов

Санкт-Петербург

2007 г.

Рецензент кандидат технических наук В.П. Попов

Учебное пособие содержит краткое описание пакета программ MicroCAP-8, применительно только к моделированию операционных элементов и устройств ЦВМ. Авторы сознательно исключили в пособии рассмотрение моделирования широкого спектра электронных устройств разной степени сложности, относящихся к другим дисциплинам и специальностям. Пособие сопровождается необходимым количеством примеров, иллюстрирующих способы построения и анализа простых и средней интеграции сложности цифровых схем.

Для учебных целей в соответствии действующими ГОСТами и Стандартами была выпалена русификация ряда схем, достаточных для выполнения лабораторных работ и курсового проектирования.

Пособие предназначено для студентов специальностей “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”. “Информационные системы в бизнесе” и др.

Кроме того, оно может быть полезно студентам и других специальностей в ходе выполнения курсовых и дипломных работ.

Содержание

1. Основные сведения о программе

1.1.Введение

1.2. Состав программного пакета МС8

1.2.1. Подкаталоги DATA и LIBRARY

1.3.1. Основные способы общения с программой

1.3. Работа с программой

1.3.2. Основные команды меню

1.3.3 Меню Компоненты

2. Некоторые особенности имитационного моделирования

2.1 Применение макроопределений (макросов) при моделировании устройств и построении принципиальных схем

2.2 Применение генераторов сигналов в задачах моделирования цифровых схем

Библиографический список

1. Основные сведения о программе

1.1 Введение

MicroCAP-8 - это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК, его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы. Однако авторы компетентно утверждают, что без использования дополнительной справочной литературы (1,3,6,8-15) существенно снижаются области применения MicroCAP-8.

Следует отметить, по возможностям схемотехнического моделирования MicroCAP-8 достаточно близко приближается к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 - профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании, поэтому MicroCAP-8 является весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. В случае необходимости дополнительные (и более подробные) сведения могут быть получены из встроенной подсказки системы (вызывается клавишей <F1> или через меню ПОМОЩЬ).

1.2. Состав программного пакета МС8

Система MicroCap-8 имеет в своем составе один исполнимый модуль MC8.exe. В рамках изучаемого предмета нам интересны следующие составляющие:

Default.SAN - текстовый файл, содержащий ограничения (по минимуму и максимуму), принятые по умолчанию для параметров математических моделей компонентов схем;

DEMO.MC8 - файл, в котором записаны демонстрационные примеры, помогающие начинающему пользователю освоить работу в среде программы. Они вызываются через меню Помощь (3-я нижняя группа подменю с именами демонстрационных файлов). Для правильной работы Demo-примеров в подменю Файл/Путь для файлов схем в DATA должен быть установлен путь ...\MC8\DATA. Остановить работу demo-примера (для чтения поясняющих сообщений на английском языке можно с помощью нажатия клавиши <PAUSE>), возобновить воспроизведение - с помощью нажатия любой клавиши (удобно использовать повторное нажатие <PAUSE>). Рассмотрев подробно работу demo-примеров в замедленном режиме (используя клавишу <PAUSE>), начинающий пользователь (предполагается лишь наличие у него знаний по основам электроники) может освоить все особенности работы с системой;

HELP.MC8 - файл, используемый программой для выдачи сообщений об ошибках;

MC8.CNT - содержание встроенной подсказки программы;

MC8.HLP - встроенная помощь для программы МС8;

MCAP.DAT - файл конфигурации программы МС8. Создается автоматически после первого запуска программы. В нем, в частности, указываются значения модельных параметров компонентов, принятые по умолчанию; текущие установки схемного редактора и окон анализа; текущие установки глобальных параметров; полные имена подкаталогов, аналогичных подкаталогам \LIBRARY и \DATA и установленных с помощью подменю Файл/Путь);

MCAP.INC - глобальные установки пользователя, доступные для всех схем;

STANDARD.CMP - стандартная библиотека компонентов, содержащаяся в программном пакете;

STANDARD.PKG - стандартная библиотека расположения выводов компонентов (необходима для создания списков соединений схем, передаваемых в программы разработки печатных плат);

STANDARD.SHP - стандартная библиотека условных графических обозначений (УГО) символов компонентов;

TIP.MC8 - типовые сообщения и подсказки, выдаваемые программой при диалоге с пользователем;

1.2.1 Подкаталоги DATA и LIBRARY

В подкаталог МС8DАТА заносятся файлы схем и результатов моделирования. По умолчанию принято следующее соглашение о расширениях имен файлов: (здесь перечислены только интересующие нас расширения}

CIR - файлы описания схем в формате MicroCap-8. Именно такие файлы создаются пользователем при помощи графического редактора, и загружаются из каталога ...MC8\DATA для различных видов анализа;

CIR_BAK - предыдущая версия схемного файла, остающаяся на диске после сохранения текущего отредактированного файла описания схемы;

.СКТ - файлы описания схем и заданий на моделирование на языке SPICE

В подкаталог MC81LIBRARY заносятся файлы библиотек математических моделей компонентов. По умолчанию принято следующее соглашение о расширениях имен файлов:

.CIR - макромодели электронных компонентов, оформленные в виде подсхем;

.LBR - сокращенные бинарные файлы библиотек математических моделей компонентов, созданных с помощью меню MODEL, без сохранения экспериментальных данных; просматриваются и редактируются с помощью программы МС8;

.LIB - текстовые файлы библиотек математических моделей компонентов в формате SPICE; просматриваются и редактируются программой МС8 и любым текстовым редактором;

.MAC - макромодели электронных компонентов, оформленные в виде подсхем (аналогично .CIR);

.MDL - полные бинарные файлы библиотек математических моделей компонентов, созданных с помощью меню MODEL, с сохранением экспериментальных данных;

.MOD - текстовые файлы математических моделей отдельных компонентов в формате SPICE;

.USR - текстовые файлы дискретных отсчетов выборок сигналов.

NOM_LIB.INX - индексный файл библиотек математических моделей компонентов (создается программой);

NOM.LIB - перечень загружаемых библиотек математических моделей компонентов (текстовый файл, по умолчанию создается при инсталляции программы и редактируется пользователем);

1.3 Работа с программой

1.3.1 Основные способы общения с программой

MicroCAP-8 является программой с многооконным графическим интерфейсом, позволяющим строить и редактировать схемы, модели и изображения компонентов, а также представлять результаты расчетов в удобном графическом виде. Для работы с этой программой необходимо использовать манипулятор «мышь». При помощи мыши можно менять расположение и размер окон, а также выбирать команды меню. Одновременно можно редактировать несколько схемных файлов, размещенных в разных окнах.

В интегрированном пакете МС8 используется стандартный многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню (рис.1.1).

Рис. 1.1. Окно программы

Первая строка-строка системного меню команд программы, с нажатием которых появляются ниспадающее меню команд программы МС8.

Следующие строки-строки инструментов. На этих строках размещены пиктограммы наиболее употребляемых команд. Требуемые для нас будут описаны ниже при использовании соответствующих пунктов меню. Пиктограммы команд немедленного действия остаются нажатыми непродолжительное время и затем восстанавливают свое первоначальное положение. Пиктограммы команд, переключающие режимы, остаются в положение «включено» до выполнения следующей команды.

Линейки прокрутки. Две линейки прокрутки позволяют панорамировать окно схем или текста по горизонтали или вертикали.

Внизу закладки переключения окна схем и окна текста. Нажатие на закладку Text выводит в рабочее окно содержание текстового окна, в котором можно размещать описание математических моделей компонентов текущей схемы, директивы и другую текстовую информацию, или содержание окна схем. Переключение между текущим окном схемы и текстовым окном производится также нажатием горячих клавиш Ctrl G.

Нажатие на закладки Page 1, Page 2,... открывает соответствующую страницу схемы. Новая страница схемы создается по команде всплывающей панели Add+Page, открываемой щелчком правой кнопки мыши, когда курсор находится на строке названия страницы.

Нажатие на закладку Модель открывает текстовую страницу схему, в которой находятся модельные директивы, помещаемые туда по команде меню Редактирование/Обновить модели.

При нажатии правой кнопки мыши в окне схем курсор приобретает форму руки, и его перемещение при нажатой кнопке позволяет перемещать схему.

При работе с МС8 используется понятие выбора объекта (компонента схемы, его позиционного обозначения, значения параметра, электрической цепи, блока схемы или строки текста). Выбор отдельного объекта выполняется щелчком мыши, выбор блока - заключением его в прямоугольную рамку (для этого нужно щелкнуть кнопкой мыши, поместив курсор в один из углов прямоугольной области и, не отпуская ее, растянуть рамку до необходимых размеров, после чего отпустить кнопку). Выбранный объект изменяет цвет; его можно перетаскивать с помощью мыши и редактировать.

Для ускорения работы с программой используется не только мышь, но и клавиатура. Если команда меню имеет подчеркнутый символ, то эта команда вызывается одновременным нажатием клавиш Alt+подчеркнутый символ. Например, меню Редактирование открывается нажатием клавиш Alt+E.

Команды ниспадающего подменю, например Select All, вызываются нажатием подчеркнутого символа, в данном примере символа А. Другой способ - нажатием клавиш ^v выбрать нужную строку и затем нажать Enter.

Многие команды помимо пиктограмм вызываются нажатием горячих клавиш и комбинаций клавиш.

1.3.2 Основные команды меню

Остановимся подробнее на ниспадающем меню команд программы МС8. Здесь и далее при описании пунктов ниспадающего меню в скобках указывается сочетание «горячих клавиш» и пиктограмма кнопки панели инструментов (2 и 3 строки экрана см. рис.1.1), нажатие которых производит аналогичные действия. Причем ниже дано описание не всех команд, а наиболее употребляемых в рамках для дисциплины. Если этого недостаточно см. встроенную подсказку и [1].

Начальное проектирование начинается с открытия меню ФАЙЛ ( см. Рис.1.2 )

На этом рисунке также видны и значения горячих клавиш. Отдельные значения меню требуют пояснений.

Новый - создать новый схемный файл (либо в формате МС8 - в виде схемы, либо в виде текстового файла формата SPICE), либо библиотечный файл, либо файл *.MDL модели для Model. (см. Рис.1.3 ). Последние два здесь не рассматриваются.

Открыть - открыть для редактирования или анализа схемный файл. Команда вызывает диалоговое окно открытия файла, с помощью которого можно открыть схемный (.CIR, .MAC, .СКТ) или библиотечный файл (.LIB, .LBR, .STM, .MDL, .RES, .CAP, .IND).

имитационное моделирование операционный элемент

Рис. 1.2. Меню ФАЙЛ

Перемещение - позволяет передать файлы компонентов из более ранней версии программы MicroCAP. После того как будет указано расположение файла mcap.dat более старой версии программы, МС8 прочитает его и сформирует список файлов, которые могут быть импортированы (*.cmp, *.shp, *.pkg).

Преобразование - преобразование форматов схемных файлов (текстового SPICE в графический MicroCAP и наоборот, схемного МС8 в схемный более ранних версий MicroCAP и др.).

Рис. 1.3. Меню начала проектирования

1.3.3 Меню Компоненты

Меню Компоненты содержит иерархический каталог библиотек аналоговых и цифровых компонентов. Он имеет систему разворачивающихся иерархических меню, открывающихся при наведении на них курсора мышью. В основном названия компонентов понятны из наименования на английском языке, однако в программный пакет дополнительно включены представления компонентов и в русской транскрипции в соответствии действующими ГОСТами и Стандартами для лучшей ориентации на этапе обучения. На рис.1.4. показан пример выбора компонентов для построения схемы.

Рис. 1.4. Меню выбора компонентов

Как видно из рисунка, для удобства выбираемые компоненты показываются в левом нижнем углу. В дальнейшем из набранного набора компонентов можно приступить к их рациональному размещению на поле рабочего стола, соединением входов-выходов, заданием начальных условий и последующим анализом результатов.

На рис. 1.5 показана процедура начала анализа цифровой схемы.



Рис. 1.5. Выбор исследования переходных процессов

При выборе Исследование переходных процессов, рабочий стол делится на две части. На одной части будет представлена исследуемая схема, можно наблюдать временные процессы в различных узлах схемы и таким образом проверять правильность решений.

Более подробно процесс анализа будет показан на примере построения макроса.

2. Некоторые особенности имитационного моделирования

На первом этапе знакомства и использования программного пакета MicroCAP-8 необходимо помнить, что элементная составляющая пакета - это набор программ, в алгоритмы которых максимально заложены электрофизические свойства реальных приборов. Известные в вычислительной технике явления гонок, правильное задание частотных и временных свойств входных сигналов, синхронизация процессов на всех этапах их обработки, задание начальных условий в процессе моделирования в ряде случаев не учитывается, что приводит к неработоспособным на первый взгляд простых устройств. В этом параграфе авторы решили показать на примерах наиболее часто встречающиеся ошибки. На рис. 2.1 показаны варианты правильного и неправильного задания начальной установки D-триггера и временные диаграммы. Для верхнего триггера не определены начальные установки, нижний триггер был установлен в “0”, и работает нормально. При использовании триггеров следует обращать внимание на синхровход, а именно по какому фронту (срезу) переднему или заднему происходит прием информации. В нашем примере триггер работает по переднему фронту.

Рис. 2.1. Работа D-триггера

Устранение гонок или ложных сигналов производится устранением временной разности подхода сигналов путем включения и подбора элемента задержки в цепь с меньшим временем хода.

2.1 Применение макроопределений (макросов) при моделировании устройств и построении принципиальных схем

В процессе выполнения задания в ряде случаев отдельные элементы могут отсутствовать в библиотеке компонентов. В этом случае необходимо строить макросы, представляющие собой компиляцию однородных или разнородных элементов и объединенных в отдельную схему, которой присваивается некоторое название. Подобную процедуру также удобно применять для объединения блоков схемы одинакового функционального назначения с целью упрощения самой принципиальной схемы.

Рассмотрим процедуру составления макроса на примере 4-разрядного трехстабильного буферного элемента, широко используемого для подключения к общей магистрали.

Входы: макрос имеет 4 информационных входа, один управляющий вход OE и 4 информационных выхода

Принцип работы: при подаче на OE сигнала низкого уровня происходит соединение информационных. входов и выходов. Если на ОЕ подать высокий уровень, элемент переходит в третье состояние.

Для создания макроса открываем меню Файл, выбираем пункт Новый, выбираем Схема, нажимаем кнопку OK. Появляется пустое окно, в котором нужно нарисовать схему (См. рис. 1.2 и 1.3).

Заходим в меню Компоненты, выбираем пункт Russian Digital, выбираем пункт Буферные элементы, выбираем K555LP8. (См. рис. 1.4)

Ставим выбранный элемент 4 раза вертикально. Объединяем входы OE всех элементов на один вывод, этот вывод называем OE, нажав на иконку с буквой T.

На каждом информационном входе всех элементов создаем (рисуем) выводы, каждый из которых помечаем соответственно D0, D1,D2,D3, а выходы Y0, Y1, Y2, Y3.(См. рис. 2.2)

Сохраняем схему под именем «buff_4» с расширением mac.

Для разработанного макроса необходимо создать (нарисовать) его условное обозначение в соответствии с действующими ГОСТ'ами и Стандартами.

В меню Окна выбираем пункт Редактор графики компонента. Справа

в дереве нажимаем кнопку Добавить, вводим имя «buff_4», рисуем фигуру, соответствующую элементу «БУФЕРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ на 4 входа и 4 выхода», затем нажимаем кнопку Закрыть, подтверждая сохранение изменений (рис.2.2).

Вторично выбираем меню Окна, выбираем пункт Редактор компонентов.

Нажимаем Иконку Add component.

В поле Name пишем «buff_4». В поле Форма выбираем buff_4. В поле Определение выбираем Macro. Устанавливаем галочки в полях с соответствии с рис.2.3.

В окне с изображением схемы наводим курсор на каждую ножку и вводим её название в соответствии с названиями на схеме.

Нажимаем кнопку Закрыть, подтверждая сохранение изменений (рис.2.4).

На этом заканчивается процесс создания макроса. Следует отметить, созданные макросы могут выступать как подмакросы при построении макросов более высокого уровня.

Рис. 2.2. Начальный вид макроса

Рис. 2.3 Окно составления макроса и выводов

Рис.2.4. Окно обозначения выводов буфера

На рис.2.5 показан пример анализа постоенного макроса. Для условия выхода буфера из третьего состояния на вход ОЕ подан низкий потенциал. На входы буфера подключены выходы генератора импульсов. Временная диаграмма демонстрирует функционирование буфера. Здесь по вертикальным пунктирным линиям наблюдается задержка между входными и выходными сигналами.

Рис. 2.5 Пример анализа постоянного макроса

2.2 Применение генераторов сигналов в задачах моделирования цифровых схем

Генераторы сигналов в схемах используются для синхронного взаимодействия элементов схемы, создания информационных сигналов и для их стробирования. При моделировании необходимо определить предельно допустимые параметры генераторов, при которых схема работает устойчиво. К таким параметрам относятся период следования сигналов (частота) и длительность сигналов. Ниже приводятся варианты настройки параметров генераторов.

Следующие строки допустимы в описании поля "COMMAND" генераторов:

COMMAND= 0 0 LABEL=START +50n 1 +50n 0 +50n

GOTO START -1 TIMES

COMMAND= 0 0 LABEL=START 50n 1 100n 0 150n

GOTO START -1 TIMES

COMMAND= 0 0 LABEL=START +5c 1 +5c 0 +5c

GOTO START -1 TIMES

COMMAND= 0 0 REPEAT FOREVER 50n 1 100n 0 150n ENDREPEAT

LABEL=START - установка точки возврата

GOTO START N TIMES - переход на ранее заявленную точку возврата N раз (при N=-1 бесконечное число раз)

REPEAT <условие> ... ENDREPEAT - цикл по условию (FOREVER - всегда)

Все они генерируют следующую последовательность во времени:

TD(IN)

0 0

50n 1

100n 0

150n 1

200n 0

250n 1

300n 0

350n 1

... ...

Допустима запись вида:

.define IN

+ 0ns 0

+ LABEL=START

+ +50n 1

+ +50n 0

+ +50n GOTO START -1 TIMES

Данная запись производится на закладке Text рабочего файла, при этом в поле "COMMAND" генератора записывается "IN" (см. выше).

*******************************************************************

COMMAND= 0 0 LABEL=START +25n INCR BY 1 50n

GOTO START UNTIL GT B +100ns F

FORMAT = 4

INCR BY 1 - увеличить на 1

GOTO START UNTIL GT B - выполнять, пока значение меньше или равно B (1011)

+100ns F - через 100ns выдать значение F (1111)

TD(4,3,2,1)

0 0000

25n 0001;Цикл увеличения значения числа на 1 каждые 25ns

50n 0010

75n 0011

100n 0100

125n 0101

150n 0110

175n 0111

200n 1000

225n 1001

250n 1010

275n 1011

300n 1100;Появилось значение, большее числа B(1011)

425n 1111;На 325ns цикл заканчивается и через 100ns

;(425ns) появляется значение F (1111)

*******************************************************************

COMMAND= LABEL=START 5ns RND 10ns GOTO START -1 TIMES

Данная команда генерирует каждые 5ns случайное значение на выходе генератора (RND)

*******************************************************************

COMMAND= 0ns ??A10 100ns ??4FR 200ns ??801 300ns ??BXZ 400ns 00000

TD(IN8,IN7,IN6,IN5,IN4,IN3,IN2,IN1)

0??101010;IN8, IN7 случайны (0 или 1)

100n??0100FR;IN8, IN7 случайны (0 или 1), IN2 - значение Fall,

;IN1 - значение Rise

200n??100001;IN8, IN7 случайны (0 или 1)

300n??1011XZ;IN8, IN7 случайны (0 или 1), IN2 неизвестно,

;IN1 - high impedance

400n00000000;Все выводы установлены в 0.

Библиографический список

Цифровые интегральные микросхемы: Справочник М.И. Богданович, И.Н. Грель, С.А. Дубина и др. Мн.: Беларусь, Полымя. 1996. 605 с.

Пухальский Г.И. Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для втузов. СПб.: Политехника, 1996. 885 с.

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1988. 352 с.

Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования. М.: Горячая линия-Телеком. 2001. 344с.

Завадский В.А. Компьютерная электроника. Киев: ВЕК, 1996. 368 с.

Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Москва,Мир,2001,379с.

Амелина М.А. Компьютерный анализ и синтез электронных устройств. Конспект лекций. Электрон. вариант. Смоленск, Филиал Московского энергетического института (Технический университет), 2006.135с.

ГОСТ 7.32-91. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления. М.: Изд-во стандартов, 1991. 18 с.

ГОСТ 2.105-95. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам. М.: Изд-во стандартов,1995.36с.

ГОСТ 2.301-68. Единая система конструкторской документации. Форматы. М.: Изд-во стандартов, 1968. 2 с.

ГОСТ 2.321-84. Единая система конструкторской документации. Обозначения буквенные. М.: Изд-во стандартов, 1984. 2 с.

ГОСТ 2.109-73. Единая система конструкторской документации. Основные требования к чертежам. М.: Изд-во стандартов, 1973. 43 с.

ГОСТ 2.701-84. Единая система конструкторской документации. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению. М.: Изд-во стандартов, 1984. 16 с.

ГОСТ 24460-80. Микросхемы интегральные цифровых устройств. Основные параметры. М.: Изд-во стандартов, 1980. 3 с.

ГОСТ 2.743-91. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники. М.: Изд-во стандартов, 1991. 62 с.

16. Гуртовцев А.Л., Гудыменко А.В. Программы для микропроцессоров: Справочное пособие. Мн.: Выш.шк., 1989. 352 с.

17. Балашов Е.П, Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1981. 328 с.

18. Злобин В.К., Григорьев В.А. Программирование арифметических операций в микропроцессорах: Учеб.пособие для вузов. М.: Высш.шк., 1991. 302 с.

19. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и сиcтемы: Учеб.пособие для вузов . 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1991. 592 с.

20. Янсен Й. Курс цифровой электроники. М.: Мир, 1987. 825 с.

21. Лысиков Б.Г. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. М.: Высш. шк., 1980. 336 с.

22.Схемотехника ЭВМ: Метод. указ. к выполнению курсового проекта. СПб.: СПбГУАП, 2002. 42 с.

Размещено на Allbest.ru

...