Математические модели в программе логического проектирования

Кроме них имеется большой класс функций, значение которых определено только для части логических наборов переменных. Такие функции называются частично определенными. Наборы переменных, для которых функция определена, называются рабочими, а для которых не определена - безразличными. Значения функции, соответствующие безразличным наборам, будем обозначать в таблицах истинности и на картах Карно знаком “Х”. На практике безразличными являются такие наборы значений логических переменных, которые при работе данного конкретного цифрового устройства никогда не реализуются. Частично определённую функцию можно сделать полностью определенной (доопределить), приписав безразличным наборам какие-либо значения функции: fi=0 или 1. Обычно доопределение функции проводится таким образом, чтобы упростить её алгебраическое выражение и практическую реализацию.

Логическую функцию большого числа переменных можно представить в виде композиции функций меньшего числа переменных

F(A,B,C,..., N) = AF0(O,B,C,..., N) + AF1(1,B,C,..., N)

где А - выделяемая переменная, функции F0(0,B,C,..., N) и F1(1,B,C,..., N) получаются из функции F подстановкой значений А=0 и А=1. В качестве выделяемой может использоваться любая переменная. Например:

F = AB+ACD+DE = A(B+DE)+A(CD+DE) = AF1+AF0, F= AB+ACD+DE = D(AB+AC) + D(AB+E) = DF'1 + DF'0                                                                                    

Процесс выделения более простых составляющих функции называется декомпозицией. Полученные функции F0, F1 могут подвергаться дальнейшей декомпозиции. Таким образом, сложную логическую функцию можно выполнить, последовательно реализуя композицию более простых функций, полученных путем декомпозиции.

 2. Возможности программы моделирования Electronics Workbench

2.1 Общие сведения об Electronics Workbench

Electronics Workbench канадской фирмы Interactive Image Technologies разработана достаточно давно и в Росси известны версии 3.0, 4.0, 4.1, 5.0, 5.12 Professional Edition. Программа непрерывно развивается, совершенствуется. Растет библиотека компонент, измерительных приборов, моделирующих функций. Версии 3.0, 4.0 были 16 разрядные, а начиная с Electronics Workbench 4.1 - 32-разрядные. И хотя в последней версии занимаемый объем на диске вырос  с 1.4 Мбайт в версии 3.0 до 16 Мбайт в версии 5.12, однако эта программа остается одной из компактных программ ( обычные требования подобных программ 80 -150 Мбайт). Во всех версиях остается неизменным (почти) дружественный интуитивный интерфейс, простой мощный графический редактор электрических схем, прекрасная интеграция с Windows системой. Так как функции логического конвертора поддерживаются во всех версиях Electronics Workbench, поэтому в основу лабораторного практикума  положена версия Electronics Workbench 4.1, не предъявляющая практически никаких требований к компьютеру и прекрасно работающая даже на компьютерах начиная с 386. 

Рис.2.1 Экран Electronics Workbench.

 Экран программы Electronics Workbench, показанный на (рис.2.1), напоминает рабочий стол регулировщика аппаратуры, что вполне соответствует названию (Electronics Workbench - дословно - рабочий стол электронщика). В отличие от  других программ схемотехнического моделирования, на нем изображаются измерительные приборы с органами управления, максимально приближенными к реальности. Пользователю не надо изучать довольно абстрактные (хотя и не очень сложные) правила составления заданий на моделирование.

Достаточно в схему ввести двухканальный осциллограф и генератор сигналов – и программа сама сообразит, что нужно анализировать переходные процессы. Если же на схеме разместить анализатор частотных характеристик, то будет рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов и затем проведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер оцифровки данных (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливают на лицевой панели с помощью мыши.

Чтобы начать моделирование, достаточно щелкнуть на переключателе, расположенном в верхнем правом углу экрана. После этого на устройствах индикации цифровых вольтметров и амперметров будет зафиксирован режим по постоянному току, на экране измерителя нарисованы частотные характеристики (амплитудно- или фазочастотные), а на экране осциллографа будут непрерывно изображаться эпюры напряжений до тех пор, пока не заполнится буферная память, а затем можно прекратить моделирование или обнулить память и продолжить наблюдения.

Ниже приведены характерные особенности программы Electronics Workbench.

1) Схема изображается в графическом виде привычным образом. Из горизонтально расположенного меню выбирают библиотеку компонентов, состав которой изображается слева от рабочего экрана. Движением мыши символы компонентов  переносят на схемы и выполняют электрические соединения. Достаточно указать начальный и конечный вывод цепи, как цепь будет проложена автоматически (правда, не всегда удачно, так что ее приходится немножко корректировать).

2) Полностью поддерживается текстовый формат программы моделирования SPICE, причем при загрузке текстового файла в формате SPICE на экране будет нарисована принципиальная схема с подключенными измерительными приборами (топология сложных схем синтезируется не вполне удачно, но моделируются такие схемы без ошибок).

3) Предусмотрен вывод списка соединений в формате программы OrCAD PCB (в файлах с расширением имени .NET) для разработки печатных плат.

4) Поддерживается стандартный набор компонентов: резисторы, конденсаторы, индуктивности, управляемые линейные и нелинейные источники, линии задержки без потерь и с потерями, диоды, тиристоры, различные транзисторы, операционные усилители, цифровые интегральные схемы и др., а также светодиоды, цифровые индикаторы, резистивные матрицы, плавкие предохранители, лампочки накаливания и ключи. Имеется механизм создания макромоделей.

5) Предусмотрена возможность изменения параметров компонентов нажатием клавиш. Есть кнопочные переключатели, управляемые с клавиатуры. При этом параметры можно изменять, не прерывая моделирования! Как в реальном эксперименте.

6) Имеются следующие измерительные приборы: мультиметры (измерения постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, результаты выводятся в относительных единицах и децибелах); двухлучевые осциллографы (регулируются усиления каналов, частота развертки, смещение лучей по координатам X, Y, имеются открытый и закрытый входы, предусмотрен ввод сигналов синхронизации); измерители частотных характеристик (Bode Plotter); генератор цифровых сигналов (Word Generator); цифровой логический анализатор и логический преобразователь. На схеме можно разместить только по одному из приборов каждого типа. При развертывании изображения лицевой панели прибора на весь экран с помощью двух электронных курсоров проводят точные измерения характеристик.

7) Различные цепи можно окрашивать в разные цвета для улучшения восприятия схемы. При этом временные диаграммы на экране двухлучевого осциллографа и многоканального логического анализатора окрашиваются в те же цвета.

8) Возможен ввод дискретных отсчетов сигналов из файлов.

9) На периферийные устройства можно вывести принципиальную схему, ее текстовое описание, перечень компонентов.

 Для измерительных инструментов рисуется лицевая панель с изображением характеристик и положением органов управления, а для осциллографа изображаются также эпюры напряжений неограниченной длины.

Существуют версии Electronics Workbench для DOS, Windows и Macintosh. При установке в среде Windows можно выбрать 16- и 32-разрядную версию. Имеется демонстрационная версия, работающая в режиме просмотра слайдов и в рабочем режиме, но с ограничением сеанса моделирования 30 минутами (за 5 минут до окончания этого срока программа выводит предупреждающее сообщение, затем ее можно запустить вновь). Демонстрационная версия содержит 10 схем, с которыми можно экспериментировать: редактировать и создавать новые, нельзя лишь сохранять их и распечатывать. Кроме того, демонстрационная версия имеет неполную библиотеку компонентов.

2.2 Интерфейс Electronics Workbench

Как видно из рис.1.4 интерфейс Electronics Workbench по  своему построению очень похож на стандартный интерфейс Windows, Описать процесс вызова схемы из библиотеки.

Вывести схему на рабочее поле Electronics Workbench можно 2-мя способами:

- 1-й способ - вызов готовой схемы из библотеки. Делается это посредством команды Open из меню File. В результате выполнения этой команды появляется стандартная панель Widows см. рис.2.2.

Рис.2.2 Панель для вызова схем из библиотеки

Библиотека схем Samples находится в каталоге Wbnch. Она содержит файлы со схемами как в своём корневом каталоге, так и в двух подкаталогах Complex и Tutorial. Расширение файлов содержащих схемы - ca.4. Процедура вызова стандартная для Windows - “мышью” выбрать файл и кликнуть на OK.

- 2-й способ создание схемы вручную посредством встроенного графического редактора. Этот способ начинается с выбора команды New из меню File. После этой команды рабочее поле очищается и можно приступать к созданию схемы.

Вынос элементов схемы и измерительных приборов:

- навести стрелку на прибор или элемент;

- нажать левую кнопку “мыши” и удерживая её переместить объект на рабочее поле(выделение снимается нажатием правой кнопки “мыши”.

Соединения между элементами на рабочем поле выполняются следующим образом:

- установить стрелку на окончание нужного вам вывода элемента:

- нажать левую кнопку “мыши”(на окончании выбранного вывода должна появится крупная чёрная точка) и удерживая её двигать стрелку по направлению к предназначенному для соединения другому выводу(при этом за стрелкой будет тянуться линия);

- навести стрелку на нужный вывод, при этом на нём появится чёрная точка(это означает что соединение установлено) и отпустить кнопку “мыши” на рабочем поле должно появится соединение.

Само соединение можно подкорректировать - навести стрелку на линию соединения нажать левую кнопку “мыши” и удерживая её перемещать линию в нужном направлении.

Точная корректировка элементов, приборов и узлов на рабочем поле:

- навести стрелку на объект;

- нажатием правой кнопки “мыши” выделить его;

- корректировать положение клавишами управления курсором.

Верхняя строка экрана Electronics Workbench(см.рис.2.1):

Меню File: