Подготовка к лабораторной работе. Подготовка к работе заключается в изучении работы элементов типа КМОП и ознакомлении

Подготовка к работе заключается в изучении работы элементов типа КМОП и ознакомлении с основными зависимостями и параметрами элементов. Для этого следует воспользоваться данными методическими указаниями и рекомендуемой литературой. Подготовка к работе включает составление отчета.

Порядок выполнения работы

Исследуемый элемент КМОП располагается на специальной приставке, внешний вид передней панели которой приведен на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Внешний вид передней панели приставки КМОП

Определить логическую функцию, реализуемую элементом.

Совместно всей бригадой выполняются следующие пункты лабораторной работы:

1. Получить совмещенные ХВВ элемента при напряжении питания E_n = +5В и +10В. Определить U⁰_гр иU¹_гр и помехоустойчивость (для ненагруженной схемы).

2. Входная характеристика для схем КМОП не снимается.

1. Получить выходные (нагрузочные) характеристики U⁰_вых = f(I_нагр); U¹_вых = f(I_нагр). Определить I¹_н.мaкc (при U_выx = E_п —0,5В) и I⁰_н.мaкc (при U_выx = 0,5B).

4. Снять осциллограмму импульсного сигнала на входе и выходе исследуемой схемы. Замерить динамические параметры сигнала t⁰¹, t¹⁰, t_p, t_зр⁰¹, t_зр¹⁰ на выходе ненагруженной схемы.

5. Получить зависимости динамических параметров сигнала на выходе схемы в зависимости от величины емкостной нагрузки.

6. Снять соотнесенные осциллограммы напряжения на сопротивлении в цепи питания и импульсного сигнала на выходе элемента. Определить максимальное и среднее за период значение тока потребления.

После выполнения бригадного задания каждый студент индивидуально выполняет УИРС.

Содержание отчета

На первом листе (вслед за титульным) приводится рисунок схемы базового элемента, таблица значений функции на выходе элемента для каждой комбинации входного сигнала, минимальный кодовый набор, используемый для проверки правильности функционирования схемы.

Бригадное задание

1. По экспериментальной ХВВ определить величины U⁰_гр, U¹_гp, вычислить DU⁰_n и DUⁱ_п для двух значений Е_П и результаты записать в табл. 3.3.2.

2. Входная характеристика отсутствует.

3. По экспериментальной выходной характеристике определить I⁰_{н макс} и I¹_{н макс}. Вписать в табл. 3.3.1.

4. Указать на экспериментально снятой осциллограмме величины замеренных динамических параметров схемы. Вписать в табл. 3.2.3.

5. Построить зависимости сигнала t⁰¹, t¹⁰, t_p, t_зр⁰¹, t_зр¹⁰ от емкостной нагрузки и оценить ее влияние на максимальную частоту работы схемы.

6. Отметить влияние переключения схемы, при подаче на вход импульсного сигнала, на напряжение на сопротивлении в цепи питания. Построить осциллограммы с показанными и оцифрованными значениями D I¹_П и D I⁰_П.

Задание по УИРС

Оформить результаты УИРС в соответствии с порядком выполнения УИРС, составленным при предварительной подготовке к работе. Сделать выводы по полученным результатам.

1. Снять зависимость броска тока потребления от величины E_П.

2. Определить зависимость С_{НАГРМАКС} от рабочей частоты КМОП элемента, считая, что время t⁰¹ должно быть не больше 0,2 T, где T – период входного сигнала.

3. Определить U_ПОР транзисторов КМОП элемента.

4. Снять зависимость t⁰¹ от емкости нагрузки по двум, трем и четырем входам.

5. Снять зависимость t¹⁰ от емкости нагрузки по двум, трем и четырем входам.

6. Снять зависимость t¹⁰_зр от величины E_П.

7. Определить зависимость DU¹_П и DU⁰_П от величины Е_П.

8. Определить U¹_вх.мин, при котором элемент будет нормально работать в динамике.

9. Определить U⁰_{вх.макс}, при котором элемент будет нормально работать в динамике.

Лабораторная работа 6. Изучение виртуального датчика временных последовательностей (виртуального ДВП)

Цель работы: изучение интерфейса и возможностей приложения «виртуальный ДВП».

Подготовка к лабораторной работе

В рамках исследования работы цифровых микросхем, предполагается, что студент будет использовать три прибора: виртуальный стенд ДВП (виртуальный ДВП), функциональный генератор и любой из осциллографов.

Элементы управления

Универсальный датчик временных последовательностей предназначен для формирования до 16 управляющих сигналов с произвольными временными диаграммами. Каждый сигнал имеет длительность до 16 тактов, задаваемую внутренним генератором датчика. В каждом такте может быть установлено произвольное значение управляющих сигналов (лог. 0 или лог. 1 с уровнями ТТЛ). Длительность такта равна удвоенному значению длительности синхроимпульса, её можно изменять с помощью виртуальной ручки, изображенной на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Элемент интерфейса – ручка управления длительностью такта

Эта ручка изменяет задержку между синхроимпульсами как показано на рис. 4.24.Обратите внимание на то, что длительность задержки менее 40 мс может не соответствовать выбранному значению, из-за значительных программных задержек и зависит от конкретной машины, осуществляющей обработку сигналов и загрузки CPU на момент выдачи сигнала.

Рис. 4.24. Макровременная диаграмма управляющего сигнала и синхроимпульса

Реализация выдачи записанных в памяти датчика временных диаграмм может быть выполнена в следующих режимах:

· непрерывный режим («динамика»), при котором после пуска циклы исполнения временных диаграмм повторяются без останова, причем частота смены тактов определяется частотой внутреннего генератора датчика

· пошаговый режим («статика»), отличающийся от непрерывного тем, что выдача сигналов очередного такта производится по нажатию кнопки «Такт+1» на панели стенда или клавишу Ввод на клавиатуре ПК.

Переключение между режимами осуществляется с помощью виртуального тумблера, изображенного на рис. 4.25.

Рис. 4.25. Элемент интерфейса – тумблер переключения режимов работы виртуального ДВП

Записанные в памяти датчика временные диаграммы могут быть считаны и исполнены следующими способами:

· Полный цикл. В этом случае последовательно исполняются все 16 тактов работы датчика. После исполнения 16 такта осуществляется циклический переход к исполнению 1 такта. Остановка датчика может быть осуществлена на произвольном i-том такте. Способ позволяет использовать максимальное число тактов датчика (16) и применяется наиболее часто.

· Неполный цикл. Данный способ отличается от предыдущего тем, что возврат к 1 такту осуществляется из промежуточного j-го такта. Это позволяет исключить из работы неиспользуемые во временной диаграмме такты, задать количество тактов можно с помощью поля «Количество тактов», на рис. 4.26.

Рис. 4.26. Элемент интерфейса – поле выбора количества тактов виртуального ДВП

Остановка датчика может осуществляться двумя способами:

· Простая остановка. Остановка с помощью клавиши «stop» приводит к прекращению работы программы, в случае использования непрерывного режима, в случайном месте.

· Остановка в указанном такте. Если, существует необходимость остановить выполнение цикла в определенном такте, то для это необходимо использовать клавишу «stop» из группы остановка в такте рис. 4.27.

Рис. 4.27. Элемент интерфейса – поле выбора такта остановки виртуального ДВП

Предварительно необходимо задать такт остановки. После остановки, заново запустить стенд можно воспользовавшись клавишей «Run» на панели инструментов (рис. 4.28).

Рис. 4.28

Обратите внимание: после остановки выполнения программы, на цифровых выходах макетной платы будут сохраняться управляющие сигналы, выведенные в последнем такте, до тех пор, пока не будет отключено питание макетной платы.

Матрица управляющих слов (УС), имеет вид, показанный на рис. 4.29.

Рис. 4.29. Элемент интерфейса – матрица управляющих слов

Логически ее можно разделить на 4 части:

· «Progress bar» сверху, визуально указывает на текущий такт.

· Информационное поле «Такт» выводит текущий номер такта (от 0 до 15).

· Группа индикаторов слева указывает, в каких битах установлена логическая единица.

· Каждый столбец матрицы управляющих слов представляет собой двойное слово, которое выводится целиком в каждом следующем такте. Значения матрицы управляющих слов можно сохранить на жестком диске или съемном носителе, записав их в файл. Для этого на лицевой панели есть две клавиши: «Запись» и «Чтение», рис. 4.30. Обратите внимание: эти клавиши активны, только если приложение запущено.

Рис. 4.30. Элемент интерфейса – клавиши «Запись» и «Чтение»

В результате операции записи на диске появляется файл формата <ИМЯ ФАЙЛА>.tdms. Имя файла и его расположение можно задать во всплывающем окне, которое появляется после нажатия на одну из клавиш, как в примере нарис. 4.31.В данном случае в директории есть только один ранее сохраненный файл нужного формата. При его открытии матрица управляющих слов автоматически заполнится значениями из файла.

Рис. 4.31.

Для мониторинга работы цифровой схемы виртуальный ДВП оснащен графопостроителями макровременных диаграмм «Digital Waveform OUT» и «Digital Waveform IN».

Digital Waveform OUT служит для предварительного просмотра макровременной диаграммы, которая строится по данным из матрицы значений управляющих слов.

Digital Waveform IN отображает макровременную диаграмму, построенную на основе значений, поступивших на цифровые входы макетной платы в ходе выполнения рабочего цикла.

B

C

A

D

Обратите внимание на то, что в пошаговом режиме любое изменение на цифровых входах макетной платы динамически отображается на макровременной диаграмме в текущем такте.

Полезными в работе, могут оказаться индикаторы текущего состояния входов/выходов, представленные на рис. 4.32. Отслеживание входной/выходной тетрады значений может пригодиться при отслеживании адреса/значения на шине/адреса выборки и.т.д.

Значения входа и выхода для удобства разбиты на тетрады (по 4 бита). Таким образом, декада «А» соответствует младшим четырем битам, тетрада «В» 5-8 битам и.т.д.

Как и макровременная диаграмма, в пошаговом режиме они отображают актуальную информацию о состоянии контактных площадок портов.

Рис. 4.32.

Результат работы цифровой схемы представлен в виде макровременных диаграмм. Сохранить полученные диаграммы можно при помощи ПО для снятия скриншотов экрана или с помощью встроенных средств (используя буфер обмена ОС и графический редактор Paint).

Для копирования результата в буфер, щелкните правой клавишей мыши на область диаграммы и выберите пункт «Copy Data» (рис. 4.33), затем выполните вставку в графическом редакторе.

Рис. 4.33.

Для вывода управляющих слов на исследуемую цифровую схему виртуальный ДВП использует 16 выходов из порта DIO 0 – DIO 15. Таким образом, что контактная группа DIO 0 является младшим разрядом, а DIO 15 соответственно старшим. На рис. 4.34 красным квадратом выделен участок гнезд макетной платы DIO 0 – DIO 15.

Рис. 4.34. Порты вывода (выходы 0-15) и ввода (выходы 0-7)

Контактные группы порта ввода разделены на 2 группы по 8 бит. Первая группа (младший байт) использует порт DIO 16 – DIO 23 (рис. 4.34, зеленый прямоугольник) а вторая (старший байт) – порт PFI 0, 1, 2, 5, 6, 7, 10, 11, рис. 4.35. После считывания информации с портов программно происходит склеивание байтов и представление на диаграмме Digital Waveform IN. Виртуальный ДВП в непрерывном режиме генерирует 2 синхроимпульса СИ1 и СИ2, которые выводятся в порт PFI8 и PFI9, их расположение показано на рис. 4.34.

Рис. 4.35.

Программный счетчик за каждый такт управляющего слова совершает два цикла инкремента. Таким образом, на один такт управляющего слова приходятся две операции чтения из порта и одна операция вывода в порт. Стоит учесть, что конкретно запись в массив и вывод на экран прочтенных значений происходит не в момент чтения, а после вывода. На блок-схеме (рис. 4.36), представлена последовательность работы виртуального прибора за один такт управляющего слова.

Рис. 4.36. Рабочий цикл виртуального прибора

На рис. 4.37 приведены все контрольные точки виртуального прибора, последовательность выполнения которых изображена на рис. 4.36.

Рис. 4.37. Пример временной диаграммы работы виртуального прибора с указанием контрольных точек