1   2
Ім'я файлу: реферат.docx
Розширення: docx
Розмір: 721кб.
Дата: 15.12.2020
скачати

Міністерство освіти і науки України

Львівський національний університет імені Івана Франка

Факультет електроніки на комп’ютерних технологій

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:
Моделі компонентів цифрової електроніки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                

 

 

                                                                                                    Виконав студент групи ФеМ-41

                                                                                                        Рудик Остап
Львів 2020

Зміст

ВСТУП....……………………………………………….……………………………3

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО МОДЕЛЮВАННЯ В ЕЛЕКТРОНІЦ……4

1.1 Поняття моделювання…………………………………….………………………...4

1.2 Класифікація параметрів при моделюванні…………………………………......5

1.3 Види аналізу та розрахунку електронних схем………………………………....7

1.4. Класифікація моделей………………………………………………………...…......8

2. МОДЕЛІ КОМПОНЕНТІВ ЦИФРОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ………………..10

2.1 Основні поняття опису цифрових компонентів……….………………………10

2.2 Загальний опис цифрових компонентів PSpice OrCAD……………………….13

2.3 Опис багаторозрядних АЦП та ЦАП……………………………..……………..16

2.4 Вентилі………………………………………………………………………………….19

2.5 Пристрої живлення…………………………………………………………………..21

2.6 Генератори цифрових сигналів……………………………………………………..21

2.6.1 Визначення форми цифрового сигналу за форматом …………………….21

2.6.2 Зчитування тимчасової діаграми цифрового сигналу з файлу...………..23

2.7 Запам’ятовувальні пристрої…………………………………………………..…..26

2.8 Цифрові лінії затримки…………………………………………………………..…26

Висновок……………………………………………………………….…………...27

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………….28






Вступ

Проектування в електроніці зводиться до вирішення групи задач синтезу і задач аналізу. При цьому під структурним синтезом розуміють створення (інтуїтивне або формалізоване) якогось варіанта схеми, не обов’язково остаточного. В процесі проектування синтез як задача може виконуватися багато разів, чергуючись з вирішенням задач аналізу. До задач аналізу входить вивчення властивостей схеми за заданою в результаті синтезу її структури, характеру вхідних компонентів і їх параметрів .
Методи аналізу і розрахунку електронних схем постійно розвиваються та  удосконалюються. Причин  цьому  декілька.
По-перше, стрімко ускладнюється сам предмет аналізу за рахунок:
- якісного переродження елементної бази (від ламп до транзисторів, мікросхем, мікропроцесорів, приладів функціональної електроніки);
- виникнення нових принципів побудови пристроїв підсилення, обробки електричних сигналів, перетворення електричної енергії;
- розширення асортименту приладів і схем з істотно нелінійними характеристиками (тиристори, диністори, одноперехідні транзистори, оптрони, лямбда-транзистори, тунельні діоди, магнітотранзисторні елементи, тощо);
- впровадження нових  дискретно-імпульсних режимів роботи електронних схем перетворення інформації та електричної енергії.
По-друге, якісний стрибок відбувається в технічних засобах аналізу і розрахунку електронних схем (від логарифмічної лінійки до мікрокалькуляторів, мікрокомп’ютерів, персональних та універсальних ЕОМ), які можуть тепер проводити не тільки числові розрахунки, але й вирішуват  складні  логічні задачі.
По-третє, підвищуються вимоги до точності, масштабності і глибини аналізу та розрахунку електронних схем, оскільки сучасна технологія виробництва (наприклад, мікросхем) унеможливлює їх експериментальне доведення, а вимоги до технічних і метрологічних параметрів електронних пристроїв постійно підвищуються.
По-четверте, ускладнюється вигляд сигналів, що впливають на схему за рахунок масової появи в їх складі так званих розривних функцій.


1. Загальні відомості про моделювання в електроніці

1.1 Поняття моделювання
Математичне моделювання полягає в переведенні явищ навколишнього світу на мову математики. Поняття «модель» відображає поведінку об’єкта або процесу. Крайніми випадками поняття «моделювання» є, з одного боку, натурний експеримент (повне повторення поведінки об’єкта або процесу), з іншого – розрахунково-аналітичне моделювання (чисто математичний опис). Між цими крайніми випадками розташовуються проміжні методи дослідження. Вони дозволяють скоротити або ж спростити натурний експеримент .
До таких методів відносяться:
1. Фізичне моделювання, при якому натура та модель мають однакову фізичну природу, але різні, наприклад, геометричні розміри;
2. Моделі прямої аналогії. В цьому випадку натура і модель мають різну фізичну природу, але однаковий математичний опис, наприклад, теплові процеси моделюються електричними;
3. Розрахунково-аналітичний метод або математичне моделювання, яке використовується для створення математичного опису роботи об’єкта та дослідження його роботи за допомогою ЕОМ .
Математичні моделі загалом можна поділити на:
- аналітичні, що побудовані за фізичними законами, які відображають зміст явища;
- експериментально-статистичні, що відповідають набору статистичних даних .
Експериментально-статистичні моделі служать для опису об’єкта як «чорного ящика», тому обґрунтування верифікації (достовірності) такої математичної моделі є необхідною умовою моделювання.
Створена модель зазвичай уточнюється шляхом постановки натурного експерименту для підтвердження точності та достовірності математичної моделі.
Похибка математичного моделювання при цифровій реалізації є похибкою методичною, яка пояснюється неточністю математичної моделі внаслідок спрощення реальної системи при її математичному описі (оскільки похибка обчислень може бути зведена до достатньо малої величини).
Підвищення складності математичної моделі задля забезпечення вищої точності результатів має природне обмеження зі сторони швидкості обробки інформації за допомогою персонального комп’ютера. Також, якщо вихідні дані відомі з похибкою до 5%, то втрачає зміст розробка моделі, що забезпечує похибку до 1%. Зазвичай при моделюванні однією із найважливіших задач є знаходження компромісу між достатньою складністю моделі для забезпечення її адекватної достовірності та достатньою спрощеністю моделі для спрощення та пришвидшення відповідних розрахунків її параметрів . Для моделювання електричних схем використовуються різні мови їх опису. Найбільш поширеними і загальноприйнятими є дві мови.

1. Spice.
2. VHDL.
Мова Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emhasis) розроблена наприкінці 70-х років в університеті Берклі (США, Каліфорнія). На основі цієї мови працюють такі програмні пакети, як MicroCap, OrCad, MultiSim та багато інших.
Програми на основі мови Spice мають набір математичних моделей, типових компонентів (діоди, резистори, біполярні транзистори, лінії затримки тощо). Параметри математичних моделей компонентів записуються в бібліотечні файли або складаються файли окремих моделей.
Наприклад, програма OrCAD 9.2 має у своєму складі математичні моделі десятків тисяч компонентів, а ліцензовані користувачі отримують доступ до розширеної бази даних, у якій наявні відомості про понад 200 тисяч компонентів різноманітних фірм.
Під час електричного моделювання програмні пакети надають можливість створення власних моделей на електричному рівні, також передбачається можливість створення макромоделей (ієрархічних блоків будь-якого ступеня вкладеності). Використання макромоделей не тільки зменшує складність відображення схеми, але й пришвидшує обрахунки. Під час першого запуску програми на обчислення вихідних характеристик створюється індексний файл *.IND, який надалі використовується для обчислень, пришвидшуючи роботу системи. Програмні пакети на основі мови Spice використовуються для моделювання аналогових, цифрових та змішаних цифро-аналогових схем.
VHDL (Very-High-Speed Hardware Description Language) – алгоритмічна мова опису апаратури високого рівня. Описує алгоритми роботи пристроїв через послідовність операторів присвоювання та прийняття рішень. Використовується для проектування та моделювання роботи цифрових пристроїв. З’явилась на початку 80-х років за запитом Міністерства оборони США. В 1987 році прийнята як стандарт IEEE (Міжнародний інститут з електроніки) VHDL-87. Згодом було прийнято її розширений стандарт VHDL-93.

1.2 Класифікація параметрів при моделюванні
При проектуванні та моделюванні схем часто вживається термін «параметр». Параметром є деяка величина, що характеризує елемент, схему або пристрій. Параметри поділяються на параметри схеми і параметри технічного вдання як проілюстровано в класифікації параметрів при проектуванні та моделюванні електронних схем (рис. 1.1)



Рис 1.1 – Класифікація параметрів при проектуванні та моделюванні електронних схем

Параметри схеми також поділяються на внутрішні й зовнішні.До внутрішніх параметрів відносять параметри елементів (компонентів) схем: діодів, резисторів, конденсаторів, транзисторів, мікросхем тощо. Вони поділяються на топологічні, електрофізичні, електричні й режимні. Наприклад, у польовому транзисторі концентрація домішки в напівпровіднику є електрофізичним параметром, довжина й ширина каналу – топологічними параметрами, крутизна передатної
характеристики – електричним параметром, граничні значення струмів і
напруг – режимними параметрами.
Серед внутрішніх параметрів окремо виділяють керовані й некеровані параметри. Керованими параметрами є ті, зміну яких фізично легко здійснити. До некерованих параметрів відносять ті, зміна яких у рамках розглянутого завдання є або нездійсненною, або недоцільною. Зовнішні параметри схеми поділяють на вхідні та вихідні.
Вхідні параметри, як правило, визначаються технічним завданням на розроблювальний пристрій, наприклад, чутливість підсилювача, напруга живлення, динамічний діапазон сигналів тощо.
Вихідні параметри – це параметри, за якими здійснюється оцінювання роботоздатності схеми: наприклад, максимальна амплітуда вихідної напруги підсилювача на заданій частоті, вихідний опір і коефіцієнт стабілізації джерела вторинного електроживлення тощо. Крім вихідних параметрів, що є числовими характеристиками схеми, вводять поняття вихідних характеристик, тобто функціональних залежностей вихідних параметрів від деяких величин, наприклад, частоти вхідного сигналу, зміни напруги живлення, струму в навантаженні тощо. Під час оптимізації електронних схем використовують термін варійовані параметри, тобто зовнішні й внутрішні параметри, зміна яких здатна привести до покращення показників системи. Параметри технічного завдання – це параметри зовнішнього середовища та граничні режимні параметри, наприклад, напруга живлення та допуски на неї, діапазон робочих температур і тисків, вологості, граничні значення напруг і потужностей в окремих точках схеми. Параметри технічного завдання використовуються як система одно- або двосторонніх обмежень, що накладаються на зовнішні параметри проектованої схеми.
Термін «розрахунок схеми» означає визначення її параметрів і характеристик за незмінних значень внутрішніх параметрів схеми і її структури, наприклад, розрахунок статичного режиму, перехідного процесу, АЧХ і ФЧХ схеми.
Для розрахунку схеми важливим є правильний вибір базисних змінних, тобто тих змінних, які використовуються для математичного опису схеми (струми елементів, вузлові потенціали, гібридний опис).

Аналіз схеми – це процес визначення зміни вихідних і режимних параметрів залежно від зміни варійованих параметрів.
1.3 Види аналізу та розрахунку електронних схем
Найбільш поширеними видами розрахунку електронних схем є:
- розрахунок статичного режиму;
- розрахунок малосигнальних параметрів;
- розрахунок перехідних процесів;
- розрахунок вихідних параметрів.
Розрахунок статичного режиму схеми виконується для побудови карти режимів за постійним струмом, визначення різних статичних параметрів, наприклад, потужності, що виділяється на елементах. Даний вид розрахунку використовується для визначення початкових умов для розрахунку перехідних процесів і визначення робочої точки для розрахунку малосигнальних параметрів. Розрахунок малосигнальних параметрів схеми й розрахунок перехідних процесів є основою для визначення динамічних параметрів схеми. Це дозволяє зробити висновок про роботоздатність схеми при різних вхідних впливах. Розрахунок вихідних параметрів схеми роблять після розрахунків статичного режиму й перехідних процесів. Він дозволяє одержати дані про відповідність або невідповідність зовнішніх параметрів схеми параметрам, зазначеним у технічному завданні.
Найбільш поширені види аналізу схем:
1. Аналіз параметричної чутливості, тобто визначення ступеня впливу зміни внутрішніх параметрів схеми на вихідні параметри.
2. Статистичний аналіз дозволяє знайти характеристики схеми при статистичному відхиленні параметрів елементів схем (внутрішніх параметрів). Як результат можуть бути побудовані гістограми вихідних параметрів, за якими можна визначити границі відбраковування придатних виробів.
3. Аналіз на найгірший випадок – передбачає розрахунок вихідних параметрів схеми при найгіршому співвідношенні її внутрішніх параметрів.
4. Аналіз впливу зовнішнього середовища складається з розрахунку впливу температури, тиску, вологості тощо на вихідні параметри. Фактично аналіз виконується у два етапи:
- спочатку з’ясовуються залежності параметрів компонентів електронної схеми від зміни зовнішнього середовища;
- здійснюється розрахунок залежності зовнішніх параметрів від внутрішніх.
5. Багатоваріантний аналіз являє собою розрахунок схеми при різних комбінаціях параметрів елементів, які задаються проектувальником, що проводиться за один сеанс розрахунку. У ряді випадків багатоваріантний аналіз схеми дозволяє обійтися без оптимізації параметрів елементів схеми, оскільки розробник одержує результати розрахунку сукупності схем і може вибрати найкращий варіант.
Аналіз і розрахунок електронних схем здійснюється на основі моделювання реальних компонентів, тобто заміни їх деякими моделями, які з тим або іншим ступенем точності описують поведінку елементів схеми в різних режимах, тобто на основі створення математичних моделей компонентів. Математичну модель елемента можна розглядати як деякий оператор F, що ставить у відповідність системі внутрішніх параметрів компонента або схеми X=x1, х2, … хn сукупність пов’язаних з ними зовнішніх параметрів Y=y1, y2, … ym. Склад внутрішніх і зовнішніх параметрів, їх фізичний зміст змінюється залежно від призначення моделі. Для моделей компонентів зовнішніми параметрами є, звичайно, струмий напруги, якщо модель призначена для розрахунку схем. Для розрахунку самого компонента зовнішніми параметрами виступають, звичайно, густина струму, розподіл заряду тощо. Внутрішніми параметрами в першому випадку є електричні параметри, а в другому випадку – електрофізичні й конструктивно-технологічні. Зв’язок між зовнішніми й внутрішніми параметрами при розрахунку схем здійснюється на основі законів Ома та Кірхгофа, а при розрахунку самого компонента – з використанням рівнянь переносу, безперервності, Пуассона. Для моделей схем внутрішніми параметрами є електричні параметри їх
компонентів, а зовнішніми параметрами – струми, напруги, потужності, частотні та інші характеристики. Зв’язок між зовнішніми й внутрішніми параметрами здійснюється з використанням законів Кірхгофа (для консервативних систем) і законів Максвелла (для систем відкритих, де можливі втрати на випромінвання, що не враховані законами Кірхгофа).

  1   2

скачати

© Усі права захищені
написати до нас