2.  КУРСОВЕ ПРОЕКТУВАННЯ

Курсова робота з дисципліни „Цифрова схемотехніка” виконується згідно з індивідуальним завданням і є самостійною роботою студента, призначеною для закріплення, розширення, узагальнення і практичного використання знань, умінь і навичок, одержаних під час навчання. В процесі курсового проектування студенти здобувають навички аналізу­вання і синтезування схем, їх моделювання за допомогою сучасних пакетів прикладних програм. 

2.1  Загальні вимоги щодо організації курсового проектування 

Організація курсового проектування здійснюється відповідно до „Методичних вказівок до оформлення курсових проектів (робіт) у Вінницькому національному технічному університеті”, затвердженого Методичною радою ВНТУ 19.01.2006 р. [1].

Відповідальність за правильність прийнятих рішень, обґрун­тувань, розрахунків та якість оформлення несе студент – автор роботи.

Тематика курсових робіт може бути типовою і спеціалізованою. Завдання на спеціалізовані курсові роботи незалежно від об’єкта про­ектування повинно передбачати схемотехнічне проектування та машин­не моделювання спроектованого вузла, бути узгодженим з керівником і консультантом курсової роботи і затвердженим завідувачем кафедри.

Курсова робота повинна задовольняти такі вимоги [1]:

– обсяг текстової частини визначається кількістю годин СРС, які виділяються для дисципліни на курсову роботу навчальним планом (36 год.) та не перевищує 30 сторінок формату А4 текстової частини;

– графічна частина може подаватися в тексті пояснювальної записки у вигляді відповідних рисунків або виноситись в додатки з обов’язко­вим конкретним зазначенням графічного матеріалу в індивідуальному завданні;

– у випадку повного збігу тем курсової роботи індивідуальне завдання має містити не тільки різні числові вихідні дані, але й передбачати самостійне викладення студентом тексту поясню­вальної записки з метою уникнення використання електронного шаблону.

Індивідуальне завдання в перелік змісту не вноситься та має бути другою сторінкою після титульного листа. Зразки індивідуальних завдань до курсових робіт наведені в додатках А, Б.

Будь-яке переписування матеріалів літературних джерел або електронних документів (електронних книг, INTERNET-сайтів) не­припустимо. Якщо студент вважає за необхідність наведення певної кількості описових матеріалів, то вони розміщуються у додатках.

Згідно з затвердженим графіком студент зобов’язаний своєчасно подавати керівникові результати роботи над курсовою роботою.

До захисту допускаються курсові роботи, виконані в повному обсязі згідно з затвердженим індивідуальним завданням, перевірені керівником і підписані ним „До захисту” на титульному аркуші (додатки В, Г) із зазначенням дати.

Захист робіт проводиться публічно за встановленим графіком пе­ред комісією з двох-трьох викладачів, склад якої затверджується завіду­вачем кафедри, при безпосередній участі керівника роботи в присутності студентів групи. У результаті захисту курсова робота оцінюється оцін­кою за чоти­рибальною шкалою і відповідною їй модульною оцінкою за кредитно-модульною системою залежно від якості виконання та оформлення роботи і рівня відповідей на запитання при захисті роботи (додаток Д).

Курсові роботи, виконані не за своїм варіантом завдання або не в повному обсязі чи з суттєвими помилками, виконані не самостійно (про що свідчить некомпетентність у рішеннях та матеріалах), до захисту не допускаються і направляються керівником роботи на доопрацювання. В цьому випадку у заліковій відомості робиться запис „не допущений”, що еквівалентно одержанню оцінки „незадовільно”, тобто свідчить про поя­ву академзаборгованості, яка може бути ліквідована на загальних підставах. 

2.2. Вимоги щодо оформлення курсових робіт 

Оформлення пояснювальної записки (ПЗ) до курсової роботи здійснюється відповідно до вимог ДСТУ 3008-95 [1, 2].

Текст ПЗ виконується машинописним шрифтом (1,5 інтервали, шрифт Times New Roman, кегль № 14) з висотою букв і цифр не менше 2,5 мм. Номера сторінок ПЗ проставляються в правому верхньому кутку аркуша. На титульному аркуші номер не ставиться, хоча він і врахову­ється при нумерації. 

Пояснювальна записка відноситься до текстових документів, які подаються технічною мовою. Графічна інформація має подаватись у вигляді ілюстрацій (схеми, рисунки, графіки, діаграми тощо). Цифрова – у вигляді таблиць.

Структурними елементами основної частини ПЗ є розділи, підроз­діли, пункти, підпункти, переліки.

Кожен розділ рекомендується починати з нової сторінки.

Заголовок розділу записують посередині (ДСТУ 3008-95) велики­ми буквами (верхній регістр) з більш високою насиченістю.

Заголовки підрозділів записують з абзацу малими буквами (нижній регістр), починаючи з великої.

Розділи нумерують порядковими номерами в межах всього документа. Після номера крапку не ставлять, а пропускають один знак.

Підрозділи нумерують у межах кожного розділу за формою: 3.1, 3.2, 3.2.1, 3.2.2 і т. д. Після номера крапку не ставлять, а пропускають один знак.

Посилання в тексті на розділи виконується за формою: "...наведено в розділі 3".

При написанні тексту слід дотримуватися таких правил:

а) текст необхідно викладати обґрунтовано в лаконічному техніч­ному стилі;

б) умовні буквені позначення фізичних величин і умовні графічні позначення компонентів повинні відповідати установленим  стандартам;

в) числа з розмірністю слід записувати цифрами, а без розмірності – словами (відстань – 2 мм, відміряти  три  рази);

г) позначення одиниць слід писати в рядок з числовим значенням без перенесення в наступний рядок. Між останньою цифрою числа і позначенням одиниці слід робити пропуск (100 Вт, 2 А);

д) скорочення слів у тексті не допускаються, крім загальноприй­нятих в українській мові і установлених в ГОСТ 2.316-68, а також ско­рочень, які прийняті для надписів на виробі (в тексті вони повинні бути виділені великими літерами: ON, OFF), а якщо надпис складається з цифр або знаків, то в лапках. Лапками також виділяють найменування команд, режимів, сигналів („Запуск”).

Кожну формулу записують з нового рядка, симетрично до тексту. Між формулою і текстом пропускають один рядок.

Умовні буквені позначення (символи) в формулі повинні відпо­відати установленим ГОСТ 1494-77. Їх пояснення наводять у тексті або зразу ж під формулою. Для цього після формули ставлять кому і записують пояснення до кожного символа з нового рядка в тій послідовності, в якій вони наведені у формулі, розділяючи крапкою з комою. Перший рядок повинен починатися з абзацу зі слова „де” і без будь-якого знака після нього.

Всі формули нумерують у межах розділу арабськими цифрами. Номер вказують у круглих дужках з правої сторони, в кінці рядка, на рівні закінчення формули. Номер формули складається з номера розділу і порядкового номера формули в розділі, розділених крапкою. Дозволяється виконувати нумерацію в межах всього документа.

В тексті ілюстрацію розміщують симетрично до тексту після першого посилання на неї або на наступній сторінці, якщо на даній вона не уміщується без повороту.

На всі ілюстрації в тексті ПЗ мають бути посилання. Посилання виконують за формою: „...показано на рис. 3.1” або в дужках за текстом (рис. 3.1). Посилання на раніше  наведені ілюстрації дають зі скороченим словом „дивись” відповідно в дужках (див. рис. 1.3).

Між ілюстрацією і текстом пропускають один рядок (3 інтервали).

Всі ілюстрації в ПЗ називають рисунками і позначають під ілюст­рацією симетрично до неї за такою формою: „Рисунок 3.5 – Найме­нування рисунка”. Крапку в кінці не ставлять, знак переносу не використовують. Якщо найменування рисунка довге, то його продов­жують у наступному рядку починаючи від найменування.

Нумерують ілюстрації в межах розділів, вказуючи номер роз­ділу і порядковий номер ілюстрації в розділі, розділяючи крапкою. Дозволяється нумерувати ілюстрації в межах всього документа.

Таблицю розміщують симетрично до тексту після першого посилання на даній сторінці або на наступній, якщо на даній вона не уміщується і таким чином, щоб зручно було її розглядати без повороту або з поворотом на кут 90° за годинниковою стрілкою.

Над таблицею розміщують її номер і назву за формою. 

На всі таблиці мають бути посилання: „наведено в табл. 3.1” або в дужках по тексту (табл. 2.1). Посилання на раніше наведену таблицю дають зі скороченим словом „дивись” (див. табл. 2.4) за ходом чи в кінці речення. 

2.3. Аналіз завдань на курсове проектування 

Курсове проектування з дисципліни „Цифрова схемотехніка” перед­бачає аналіз, синтез та комп’ютерне моделювання вузлів ЕОМ з використанням сучасних пакетів прикладних програм. Кожен із етапів виконання роботи повинен передбачати багатоваріантний аналіз, обґрунтованість рішень, порівняльну характеристику та оцінювання відповідних параметрів.

Кількість варіантів завдань виключає вірогідність повторювання варіанта в суміжних групах навчального потоку. Відповідно до [1] варіанти завдань щорічно оновлюються і поєднуються різні типи завдань в суміжних навчальних роках.

Індивідуальне завдання на виконання курсової роботи першого типу (додаток А) передбачає синтез та дослідження двійково-десяткового лічильника. Варіанти завдання різняться вагою розрядів двійково-десяткового коду, типами тригерів та елементним базисом. Критерій проектування – максимум швидкодії при відносному мінімумі апаратних витрат. На етапі синтезу розглядається два або три варіанти реалізації лічильника залежно від кодування його станів. Відповідно до критерію проектування вибирається кращий варіант, який має менші апаратні витрати на реалізацію комбінаційної частини лічильника (за Квайном – сумарна кількість входів всіх елементів), здійснюється його моделюван­ня і дослідження. Дослідження лічильника передбачає експериментальне визначення роботоздатності (відповідності закону функціонування), часу реєстрації лічильника, його мінімального періоду та максимальної робочої частоти.

Індивідуальне завдання на виконання курсової роботи другого типу (додаток Б) передбачає дослідження базових вузлів ЕОМ: синтез і дослідження циклічного зсувного регістра, аналіз побудови, роботи і дослідження заданого базового вузла, реалізацію заданої логічної функ­ції за допомогою мультиплексора і її експериментальне дослідження. Отже, курсова робота другого типу складається з трьох частин. У першій частині відповідно до заданого циклу, типу тригерів та елемент­ного базису проводиться синтез схеми циклічного зсувного регістра та її комп’ютерне моделювання. Експериментально визначається час реєстра­ції регістра, мінімальний період та максимальна робоча частота. У другій частині здійснюється аналіз побудови і функціонування заданого вузла, проводиться комп’ютерне моделювання його роботи та визначаються основні параметри. У третій частині проводиться синтез схеми на базі мультиплексора, яка реалізує задану логічну функцію. Дослідження цієї схеми здійснюється також шляхом комп’ютерного моделювання. 

2.4 Рекомендації щодо викладення змісту ПЗ 

Титульні аркуші ПЗ залежно від типу курсової роботи викону­ються відповідно до зразків, наведених у додатках В, Г.

Після титульного аркуша розміщується аркуш з індивідуальним завданням, виконаний згідно з додатками А, Б.

Далі розміщується аркуш зі змістом.

Текст вступу, який розміщується після змісту, повинен бути корот­ким і висвітлювати питання актуальності, значення, сучасний рівень і призначення курсової роботи. У вступі і далі за текстом не дозволяється використовувати скорочені слова, терміни, крім загальноприйнятих.

Вступ (1–2 сторінки) повинен висвітлювати стан розвитку ЕОМ та схемотехніки, мету та загальну постановку задачі, актуальність, яка повинна подаватись в останньому абзаці вступу, з метою стислого викладення суті розробки.

В основній частині пояснювальної записки до КР викладаються проектні розрахунки об’єкта проектування (дослідження).

Для курсових робіт, які пов’язані з математичним моделю­ванням та теоретичними дослідженнями, теоретично-розрахункова частина може складати 60 % обсягу аркушів пояснювальної записки.

Розрахункова частина має бути логічно пов’язана з теоретичними відомостями теми роботи, демонструватись ілюстративним матеріалом (графіками, схемами, діаграмами) або таблицями з обов’язковим посиланням на ці рисунки (таблиці) за текстом пояснювальної записки.

Для курсової роботи аналітично-розрахунковий розділ є основною частиною пояснювальної записки за обсягом та змістом. При виконанні цієї частини КР слід дотримуватись обґрунтованого і аргументованого стилю викладення та враховувати можливі варіанти розв’язання постав­леної задачі на підставі проведеного аналізу відомих розв’язків. Аргу­ментація по тексту повинна підсилюватись відповідними розрахунками, графіками, діаграмами, таблицями тощо.

При розгляді (аналізі та синтезі) базових вузлів слід звернути увагу на висвітлення основних понять, принципів побудови і функціонування вузлів, основних параметрів, методики синтезу. Процеси аналізу і синте­зу повинні пояснюватись в обгрунтувальному стилі з посиланнями на відповідні рисунки, таблиці, діаграми, літературні джерела.

У розділах, пов’язаних з дослідженням базових вузлів, слід охарактеризувати процес дослідження, використовувані програмні засоби, проаналізувати результати. Тут наводяться схеми вузлів та часові діаграми їх роботи з відповідними посиланнями по тексту. Як мінімум робота кожного вузла характеризується чотирма часовими діаграмами: одна діаграма на низькій частоті для перевірки на функціонування, дві діаграми на межі роботоздатності для визначення мінімального періоду і одна діаграма для визначення часу реєстрації.

Висновки оформляють з нової пронумерованої сторінки. Вони є заключною частиною, підсумком виконаної роботи. Тут слід відобразити послідовність виконання роботи, навести основні параметри спроекто­ваних вузлів (або тих, що досліджувались), рекомендації щодо їх застосування. Також слід відобразити те, які навички здобуті під час виконання курсової роботи.

Перелік посилань містить перелік літературних джерел, на які по­винні бути обов’язкові посилання в тексті пояснювальної записки. До переліку рекомендується включити 5–9 літературних джерел. Це основні підручники, навчальні посібники, методичні матеріали, довідники, періодичні видання. Література (книги, статті, патенти, журнали) в загальний список записується в порядку посилання на неї в тексті. Посилання на літературні джерела наводять в квадратних дужках […], вказуючи порядковий номер за списком.

Літературні джерела записують мовою оригіналу відповідно до ДСТУ 7.1:2006 (додаток Ж). В списку кожне джерело записують з абзацу, нумерують арабськими цифрами, починаючи з одиниці. 

2.5  Приклад синтезу двійково-десяткового лічильника 

Закон функціонування лічильника задається в таблиці, в якій ви­значається кожний з десяти станів лічильника відповідно до ваги роз­рядів.

У таблиці відмічаються значення сигналів на D- та JK-входах тригерів, які необхідно сформувати, щоб забезпечити роботу лічильника згідно з законом функціонування.

Для визначення функцій збудження кожного тригера викорис­товують таблицю переходів тригерів (табл. 2.1). 

Таблиця 2.1 – Таблиця переходів D- та JK-тригерів

Кожний рядок таблиці переходів відповідає одному з можливих переходів тригера. Значення функцій збудження визначаються на основі логіки функціонування даного типу тригера. Символами „*” позначені випадки, коли функція збудження може набувати будь-якого значення. В подальшому це враховується при мінімізації функцій збудження тригерів.

Приклад фрагмента таблиці функціонування лічильника для одного з варіантів кодування станів показаний в табл. 2.2.

Таблиця 2.2 – Фрагмент таблиці функціонування лічильника

За таблицею 2.2 записуються функції D- та JK-входів тригерів залежно від змінних Т₁¸Т₄ та проводиться їх мінімізація за допомогою діаграм Вейча (рис. 2.1). 

Рисунок 2.1 – Діаграми Вейча для функцій збудження тригерів

Стани, відмічені символом „X”, є надлишковими. Вони можуть використовуватись для спрощення (мінімізації) функцій, оскільки вважається, що відповідні їм коди ніколи не будуть з’являтися при поданні двійково-десяткових чисел (у вибраному варіанті кодування станів). На наборах, відмічених символами „*” та „Х”, функції збуд­ження визначаються таким чином, щоб вони були подані в мінімальній формі. Це дозволить скоротити апаратні витрати на реалізацію лічильника. Відповідно до діаграм Вейча записуються значення функцій збудження тригерів, один з прикладів яких має вигляд: 

Мінімізовані логічні функції приводяться до заданого базису (наприклад, „І–НЕ”):

Згідно з отриманими виразами і вибраними тригерами заданого типу будується функціональна схема лічильника в середовищі OrCAD, приклад якої показаний на рис. 2.2. При цьому слід звернути увагу на те, що вибрані D- та JK-тригери можуть спрацьовувати за різними фронтами тактового сигналу. У цьому випадку слід момент спрацьо­вування привести до одного фронту тактового сигналу.

Моделювання лічильника здійснюється засобами середовища  OrCAD (див. розділ 4). Вхідні сигнали слід задавати таким чином, щоб спочатку лічильник був установлений у нульовий стан, який є почат­ковим. Активне значення тактового сигналу не повинно конфліктувати з сигналом установлення початкового стану. Тактовий сигнал задається як періодичний на проміжку, який дозволяє розглянути весь цикл роботи лічильника (10 станів). Спочатку тривалість періоду вибирається значно більшою за мінімальний період, щоб перевірити правильність функціонування лічильника (наприклад, 400 нс).

Потім, при наступних дослідженнях, тривалість періоду зменшу­ють до тих пір, поки послідовність станів лічильника не буде порушена. Таким чином визначають мінімальний період роботи лічильника. При дослідженні лічильника отримують часові діаграми, приклади яких показані на рис. 2.3 – 2.6.

Рисунок 2.3 – Часова діаграма роботи лічильника

Рисунок 2.4 – Часова діаграма роботи лічильника при мінімальному періоді

Рисунок 2.5 – Часова діаграма роботи лічильника при періоді, меншому за мінімальний

Рисунок 2.6 – Фрагмент часової діаграми для визначення часу реєстрації лічильника 

Максимальну тактову частоту розраховують за формулою:

f_max=1/T_min. 

2.6  Приклад синтезу циклічного зсувного регістра 

Послідовність станів у процесі роботи циклічного зсувного регіст­ра періодично повторюється.

Варіанти завдань для синтезу і дослідження циклічного зсувного регістра різняться типом тригерів, на основі яких будується регістр, заданою послідовністю станів та елементним базисом комбінаційної частини регістра.

Відповідно до заданої послідовності станів і типу тригерів будується таблиця функціонування регістра. Табл. 2.3 є прикладом такої таблиці у випадку, коли регістр побудований на основі D-тригерів. Задані в десятковому форматі стани регістра кодуються двійковими кодами відповідно до ваги розрядів 8-4-2-1. Функція послідовного входу регістра визначається таким чином, щоб при зсуві вправо забезпечувався заданий цикл.

При визначенні функції послідовного входу регістра доцільно скористатись таблицею переходів D- та JK-тригерів (табл. 2.1).

Згідно з таблицею функціонування циклічного зсувного регістра знаходиться мінімальна форма функції послідовного входу.

Мінімізацію доцільно провести двома способами: шляхом спро­щення досконалої диз’юнктивної нормальної форми, записаної за таблицею, та за допомогою діаграм Вейча (рис. 2.7).

Стани, відсутні в циклі регістра, використовуються для мінімізації функції послідовного входу. Для JK-тригера окремо розглядаються функції J- та K-входів. 

Таблиця 2.3 – Таблиця функціонування циклічного зсувного регістра 

Рисунок 2.7 – Діаграма Вейча 

Мінімізовані функції зводяться до заданого базису. Наприклад, при заданому базисі АБО, НЕ, функція D1 може мати вигляд.

Будується функціональна схема регістра, приклад якої показаний на рис. 2.8 (для випадку використання JK-тригерів). У схемі потрібно передбачити установлення початкового стану регістра (перший стан зада­ного циклу). Для цього використовуються установочні асинхронні RS-входи тригерів.

Моделювання зсувного регістра здійснюється засобами середо­вища OrCAD (див. розділ 3). Вхідні сигнали слід задавати таким чином, щоб спочатку регістр був установлений в початковий стан, який є першим станом заданого циклу. Активне значення тактового сигналу не повинно конфліктувати з сигналом установлення початкового стану. Тактовий сигнал задається як періодичний на проміжку, який дозволяє розглянути весь цикл роботи регістра.

Спочатку тривалість періоду вибирається значно більшою за мінімальний період, щоб перевірити правильність функціонування регістра (наприклад, 400 нс). Потім, при наступних дослідженнях, тривалість періоду зменшують до тих пір, поки послідовність станів регістра не буде порушена. Таким чином визначають мінімальний період роботи регістра. При дослідженні регістра отримують часові діаграми, приклади яких показані на рис. 2.9 – 2.12.

Рисунок 2.9 – Часова діаграма роботи регістра

Рисунок 2.10 – Часова діаграма роботи регістра з періодом 72 нс

Рисунок 2.11 – Часова діаграма роботи регістра з періодом 70 нс

Рисунок 2.12 – Фрагмент часової діаграми для визначення часу реєстрації регістра 

             Реалізація логічної функції на основі мультиплексора 

Мультиплексор – це базовий вузол, який забезпечує керовану передачу інформації від одного з багатьох інформаційних входів на один вихід. Традиційне застосування мультиплексорів полягає в керованій передачі даних від кількох вхідних каналів в один вихідний канал. Кожен з вхідних каналів почергово підключається до вихідного під керуванням адресних сигналів. Крім того, мультиплексори можуть застосовуватись у режимі універсальних логічних модулів. Входи мультиплексора розділяються на дві групи: інформаційні і керуючі (адресні та стробові).

Адресні входи мультиплексора визначають номер інформаційного входу, з якого інформація передається на вихід. В серіях мікросхем зустрічаються мультиплексори „4–1”, „8–1”, „16–1”. Мультиплексори на більшу кількість входів, як правило, необхідно будувати з мультиплек­сорів меншої розмірності. Мультиплексори, що випускаються у вигляді інтегральних схем, часто виконуються з інверсним виходом і додат­ковими стробовими входами. Якщо на стробових входах активні значення, то мультиплексор буде передавати інформацію, якщо ні – не буде і на виході наявним буде пасивне значення.

Мультиплексори серійно випускаються у вигляді інтегральних схем середнього ступеня інтеграції. Найбільш поширеними типами мультиплексорів є: КП5 (8–1), що має інверсний вихід, КП7 (8–1), що має прямий та інверсний виходи та стробовий вхід, КП1 (16–1), що має інверсний вихід та стробовий вхід.

Для прикладу реалізуємо логічну функцію  з використанням мультиплексора на 16 каналів з інверсним виходом та інверсним стробовим входом (КП1 – 74150), умовне позначення якого показано на рис. 2.13. 

Рисунок 2.13 – Умовне позначення мультиплексора КП1 

В мультиплексорі E0, E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8, E9, E10, E11, E12, E13, E14, E15 – інформаційні входи, A, B, C, D – адресні входи, G –стробовий вхід, W –інформаційний вихід.

Для реалізації логічної функції Y=X1+X1X2X3X4 на мультип­лексорі необхідно створити таблицю зі всіма комбінаціями сигналів на адресних входах, котрі будуть подаватися на мультиплексор (табл. 2.4). У зв’язку з тим, що даний мультиплексор має інверсний вихід та для зменшення затримки значення сигналів, котрі повинні подаватися на керуючі входи мультиплексора, інформаційні входи повинні змінити свій логічний зміст. Для того, щоб мультиплексор працював, тобто реалізовував функцію, необхідно на інверсний стробовий вхід подати значення сигналу 0.

Таблиця 2.4 – Значення сигналів на інформаційних входах

Зображення мультиплексора КП1 в середовищі OrCAD показано на рис. 2.14.

Рисунок 2.14 – Зображення мультиплексора КП1 в середовищі OrCAD

Часова  діаграма  робочого  режиму  мультиплексора  показана  на рис. 2.15.

Рисунок 2.15 – Часова  діаграма робочого режиму мультиплексора 

Група Р, яка містить в собі вхідні сигнали  a, b, c, d чітко показує, як змінюється значення функції при зміні вхідних сигналів.

Затримка визначається як час запізнення зміни сигналу на інформаційному виході схеми відносно зміни сигналу на фронтах керуючих входів.

Мінімальний період, при якому схема не дає хибних сигналів, визначається з відповідної часової діаграми при відповідному заданні вхідних сигналів. При зменшенні періоду вихідний сигнал буде невизна­чений.

У пояснювальній записці має міститись зображення мультип­лексора у середовищі OrCAD, схема реалізації відповідної логічної функції на основі мультиплексора, таблиця значення сигналів, відповідні часові діаграми та визначені параметри.

З повагою ІЦ "KURSOVIKS"!