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      基于CMOS電路的序列信號(hào)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)

      2020-08-24 13:52:42?;矍?/span>
      微處理機(jī) 2020年4期
      關(guān)鍵詞:觸發(fā)器原理圖檢測(cè)器

      保慧琴,李 茹,衛(wèi) 霞

      (西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院信息工程學(xué)院,西安710124)

      1 引言

      序列信號(hào)檢測(cè)器作為一種時(shí)序數(shù)字電路中最常用到的設(shè)計(jì)之一,可以從串行的數(shù)字碼流中識(shí)別出一個(gè)指定的序列,因此在雷達(dá)、遙測(cè)、密碼認(rèn)證等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。隨著集成電路的快速發(fā)展,互補(bǔ)CMOS電路在集成電路中的應(yīng)用占了98%以上。靜態(tài)CMOS邏輯結(jié)構(gòu)包含NMOS邏輯塊和PMOS邏輯塊,兩者互補(bǔ),因此在輸入穩(wěn)態(tài)時(shí)兩個(gè)邏輯塊輪流導(dǎo)通,電源和地之間沒(méi)有直流通路,靜態(tài)功耗幾乎為0。同時(shí),靜態(tài)CMOS邏輯也是一種無(wú)比電路,擺幅可以達(dá)到-VDD[1]。

      基于靜態(tài)CMOS邏輯電路,在此設(shè)計(jì)一款“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器,其輸入X為串行二進(jìn)制數(shù),當(dāng)串行輸入數(shù)據(jù)中連續(xù)出現(xiàn)四個(gè)“1”時(shí),使其輸出Z為1。

      2 檢測(cè)器設(shè)計(jì)

      首先建立原始的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器一共需要5個(gè)狀態(tài):S0代表接收到0以后的狀態(tài);S1代表接收到1個(gè)1以后的狀態(tài);S2代表接收到2個(gè)1以后的狀態(tài);S3代表接收到3個(gè)1以后的狀態(tài);S4代表接收到4個(gè)1以后的狀態(tài)。原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如圖1、表1所示。

      圖1狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

      表1狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 yn+1/Z

      不論狀態(tài)處在S0~S4的哪個(gè)狀態(tài),當(dāng)輸入為0時(shí)狀態(tài)都會(huì)跳轉(zhuǎn)回到S0狀態(tài),輸出為0;S0是接收0以后的狀態(tài),如果輸入為1,則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S1狀態(tài),輸出為0;S1是接收1個(gè)1以后的狀態(tài),如果輸入為1,則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S2,輸出為0;S2是接收2個(gè)1以后的狀態(tài),如果輸入為1,則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S3,輸出為0;S3是接收3個(gè)1以后的狀態(tài),如果輸入為1則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S4,輸出為1;S4是接收到4個(gè)1的狀態(tài),如果輸入為1則狀態(tài)停留在S4,輸出為1。觀察表1可以發(fā)現(xiàn),S3和S4這兩個(gè)狀態(tài),在相同的輸入作用下,有相同的輸出,而且轉(zhuǎn)換到相同的輸出,所以S3和S4這兩個(gè)狀態(tài)是等價(jià)狀態(tài),可以合并為一個(gè)狀態(tài)[2],從而將狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表簡(jiǎn)化為圖2和表2所示。

      圖2簡(jiǎn)化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

      表2簡(jiǎn)化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表yn+1/Z

      時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)是用觸發(fā)器狀態(tài)的不同組合來(lái)表示的,因此需要確定觸發(fā)器的級(jí)數(shù)n。n個(gè)觸發(fā)器一共有2n個(gè)狀態(tài)組合,要獲得M個(gè)狀態(tài)組合,必須取2n<M≤2n。本設(shè)計(jì)中狀態(tài)個(gè)數(shù)為4,所以需要2個(gè)觸發(fā)器即可。2個(gè)觸發(fā)器一共有00、01、10和11四個(gè)狀態(tài),需要將這四個(gè)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)分配。狀態(tài)分配的原則有二,一是要使得最后的邏輯圖最簡(jiǎn),二是多余狀態(tài)不產(chǎn)生死循環(huán)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中沒(méi)有多余狀態(tài),所以不需要考慮死循環(huán)的問(wèn)題,為便于按照順序進(jìn)行狀態(tài)分配,令S0=00,S1=01,S2=10,S3=11。將表2中的字母形式的狀態(tài)變換為二進(jìn)制形式,即得到新的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,如表3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表表示觸發(fā)器在外邊輸入作用下的狀態(tài)和輸出。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的真值表如表4。

      表3二進(jìn)制形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

      表4狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表

      將輸出Q2n+1、Q1n+1放到卡諾圖中進(jìn)行化簡(jiǎn),簡(jiǎn)化過(guò)程如圖3所示。輸出Z不需要用卡諾圖進(jìn)行化簡(jiǎn),因?yàn)檩敵鯶邏輯值為1的最小項(xiàng)只有一個(gè),即Z=XQ2Q1。

      圖3使用卡諾圖進(jìn)行化簡(jiǎn)

      此處2個(gè)觸發(fā)器選擇邊沿D觸發(fā)器,D觸發(fā)器的特征方程[3]為Qn+1=D,卡諾圖化簡(jiǎn)的結(jié)果就是D觸發(fā)器的輸入激勵(lì)表達(dá)式,即:

      求出2個(gè)邊沿D觸發(fā)器的輸入激勵(lì)方程后,將2個(gè)觸發(fā)器連接成同步時(shí)序邏輯電路即可。此處選用集成電路設(shè)計(jì)軟件Tanner_Pro中的S-edit設(shè)計(jì)序列信號(hào)檢測(cè)器的電路原理圖并用T-spice進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

      3 CMOS電路原理圖設(shè)計(jì)

      采用靜態(tài)CMOS邏輯電路設(shè)計(jì)“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器,靜態(tài)CMOS邏輯中NMOS邏輯塊(下拉網(wǎng)絡(luò),PDN)和PMOS邏輯塊(上拉網(wǎng)絡(luò),PUN)具有互補(bǔ)性能,輸入為穩(wěn)態(tài)時(shí)靜態(tài)CMOS邏輯門電源和地之間沒(méi)有直流通路,靜態(tài)功耗幾乎為0。靜態(tài)CMOS邏輯門由于總是實(shí)現(xiàn)帶“非”的邏輯,所以需要將觸發(fā)器的激勵(lì)表達(dá)式以及輸出表達(dá)式變形為帶“非”的形式[4],即:

      邏輯表達(dá)式的變換方法很多,此處選擇變換方式要考慮盡可能多地應(yīng)用到公共項(xiàng),上面三個(gè)輸出的邏輯表達(dá)式中都存在這個(gè)公共項(xiàng),可以節(jié)省硬件資源。從前面公式可以判斷出“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器需要用到的邏輯門有三種:CMOS兩輸入或非門、CMOS兩輸入與非門和邊沿D觸發(fā)器。

      3.1 CMOS兩輸入或非門設(shè)計(jì)

      為避免體硅工藝中的閂鎖效應(yīng),靜態(tài)CMOS邏輯門中NMOS管和PMOS管的襯底要進(jìn)行固定的連接。NMOS管的襯底必須接地,PMOS管的襯底必須接電源電壓。靜態(tài)CMOS邏輯門當(dāng)輸入是穩(wěn)態(tài)時(shí)只有單邏輯塊導(dǎo)通,沒(méi)有直通電路,靜態(tài)功耗幾乎為0。CMOS或非門是一種無(wú)比電路,所以其輸出邏輯擺幅最大可以達(dá)到最大VDD。CMOS兩輸入或非門電路圖和仿真波形如圖4。

      圖4 CMOS或非門電路圖和仿真波形

      3.2 CMOS兩輸入與非門設(shè)計(jì)

      CMOS兩輸入與非門中NMOS邏輯塊由兩個(gè)串聯(lián)的NMOS構(gòu)成,串聯(lián)晶體管會(huì)使得輸出下降時(shí)間變長(zhǎng),性能變差,因此串聯(lián)晶體管的數(shù)目一般不能超過(guò)3個(gè)。PMOS邏輯塊由兩個(gè)并聯(lián)的PMOS管構(gòu)成,并聯(lián)的晶體管會(huì)增加負(fù)載電容。在設(shè)計(jì)兩輸入與非門時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)好尺寸使之達(dá)到對(duì)性能的要求[5]。兩輸入與非門電路原理圖和仿真波形如圖5。

      圖5兩輸入與非門電路原理圖和仿真波形

      3.3 邊沿D觸發(fā)器設(shè)計(jì)

      為提高抗干擾能力和電路工作可靠性,選用上升沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器,此觸發(fā)器也具有異步清零功能和異步置位功能。采用靜態(tài)CMOS邏輯門實(shí)現(xiàn)邊沿D觸發(fā)器,由6個(gè)CMOS三輸入與非門交叉耦合而成。電路原理圖及仿真結(jié)果波形如圖6所示。波形信號(hào)從上到下依次為時(shí)鐘CP、異步清零端口RD、異步置1端口SD、輸入D和輸出Q和Q。從波形中可以看出,異步清零端口RD為低電平時(shí)觸發(fā)器清零,異步置1端口SD為0時(shí)觸發(fā)器置1,異步清零和異步置1端口都為高電平時(shí),D觸發(fā)器狀態(tài)只在CP上升沿時(shí)刻才跟隨輸入D發(fā)生變化,其他時(shí)刻輸入信號(hào)的變化不會(huì)引起觸發(fā)器的狀態(tài)變化。

      圖6邊沿D觸發(fā)器電路原理圖和仿真波形

      3.4 序列信號(hào)檢測(cè)器設(shè)計(jì)

      “1111”序列信號(hào)檢測(cè)器由兩個(gè)邊沿D觸發(fā)器、CMOS或非門和CMOS兩輸入與非門組成。采用層次化的設(shè)計(jì)思想,將設(shè)計(jì)出的邊沿D觸發(fā)器單元、或非門單元和兩輸入與非門單元進(jìn)行級(jí)聯(lián),形成序列信號(hào)檢測(cè)器的電路原理圖[6],如圖7所示,它是在Tanner_Pro集成電路設(shè)計(jì)軟件中的S-edit電路編輯軟件中設(shè)計(jì)出的電路原理圖,然后用T-spice軟件進(jìn)行瞬時(shí)分析[7-8]。

      圖7“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器電路原理圖

      在T-spice中設(shè)置兩個(gè)D觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0,仿真波形如圖8所示??梢钥闯?,從第一個(gè)時(shí)鐘上升沿開(kāi)始觸發(fā)器狀態(tài)Q2Q1轉(zhuǎn)換過(guò)程為00→01→10→11,也就是S0→S1→S2→S3。后面X繼續(xù)輸入1時(shí),觸發(fā)器狀態(tài)保持Q2Q1=11也就是保持在S3狀態(tài)。輸入有連續(xù)4個(gè)1出現(xiàn)時(shí)輸出Z為1,當(dāng)輸入X有0出現(xiàn)時(shí)觸發(fā)器的狀態(tài)返回S0,輸出Z立刻置0。

      圖8“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器仿真波形圖

      4 結(jié)束語(yǔ)

      所設(shè)計(jì)的此款“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器可直接應(yīng)用在雷達(dá)、遙測(cè)、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。Tanner_Pro是一整套完善的集成電路設(shè)計(jì)軟件,采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)思想,利用該軟件中的S-edit,設(shè)計(jì)出了“1111”序列信號(hào)檢測(cè)器的電路原理圖;電路結(jié)構(gòu)選用靜態(tài)CMOS邏輯結(jié)構(gòu),也提高了電路的性能。以T-spice進(jìn)行仿真驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的序列信號(hào)檢測(cè)器可以從串行的數(shù)字碼流中識(shí)別出一個(gè)指定的序列,滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

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