編碼器的設(shè)計(jì)

1、4線-2線編碼器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 利用Cadence軟件完成一個(gè)4線-2線編碼器的設(shè)計(jì)；2. 完成編碼器的瞬態(tài)仿真、最高工作頻率和功耗的性能指標(biāo)測(cè)試；3. 學(xué)會(huì)自底向上地設(shè)計(jì)基于組合邏輯電路的編碼器的設(shè)計(jì)；4. 掌握創(chuàng)建符號(hào)的步驟；5. 掌握編碼器設(shè)計(jì)和仿真的步驟；6. 學(xué)會(huì)設(shè)置仿真參數(shù)，從而加深對(duì)Cadence軟件仿真的熟悉度。實(shí)驗(yàn)原理編碼和譯碼的問(wèn)題在日常生活中經(jīng)常遇到，數(shù)字系統(tǒng)中存儲(chǔ)或者處理的信息，常常是用二進(jìn)制碼表示的。用一個(gè)二進(jìn)制代碼表示特定含義的信息稱(chēng)為編碼，具有編碼功能的邏輯電路稱(chēng)為編碼器，圖1所示為二進(jìn)制編碼器的結(jié)構(gòu)圖，它有n位二進(jìn)制碼輸出，與2n個(gè)輸入相對(duì)應(yīng)。本次專(zhuān)業(yè)技能訓(xùn)

2、練我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)普通的4線-2線編碼器。P0 Y0P1 Y1 P2n-1 Yn-1.圖1二進(jìn)制編碼器的結(jié)構(gòu)圖4線-2線編碼器真?zhèn)俦砣绫?所示：表1輸 入輸 出P0P1P2P3Y1Y01000000100010010100001114個(gè)輸入P0 到P3 為高電平有效信號(hào)，輸出是兩個(gè)二進(jìn)制代碼Y1 Y0，任何時(shí)刻P0P3中只能有一個(gè)取值為1，并且有一組對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼輸出。除表中的4種取值組合有效外，其余12種組合所對(duì)應(yīng)的輸出均應(yīng)為0。對(duì)于輸入或輸出變量，凡取1值的用原變量表示，取0值的用反變量表示，由真值表可以得到如下邏輯表達(dá)式：Y1=Y0=根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出邏輯圖，如下圖2所示：圖2 4線-2線

3、編碼器邏輯圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果本文的設(shè)計(jì)思路是首先完成4線-2線編碼器所需要的各個(gè)模塊的電路原理圖設(shè)計(jì)，再將其創(chuàng)建成可以調(diào)用的符號(hào)，最后按照?qǐng)D2的編碼器邏輯圖完成首4線-2線編碼器的設(shè)計(jì)。首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)庫(kù)（如：08063224）與各個(gè)視圖單元inv、 nand4 、nor2和 encode；注意在新建各個(gè)視圖單元文件時(shí)應(yīng)該都是建到08063224庫(kù)文件里，不然會(huì)提示文件位置報(bào)錯(cuò)。其次按照要求完成編碼器的瞬態(tài)工作頻率功耗等前仿真。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及結(jié)果具體如下：1. 反相器原理圖及其符號(hào)的創(chuàng)建開(kāi)啟虛擬機(jī)，進(jìn)入Red Hat Linux后，點(diǎn)擊CIW窗口的filenewlibrary，由此可創(chuàng)建庫(kù)0806

4、3224（用來(lái)存放單元視圖的文件夾）。將庫(kù)文件的路徑設(shè)置在cadence目錄下，Name欄輸入庫(kù)名08063224，右側(cè)Technology File欄中選擇Attach to an existing techfile，點(diǎn)擊窗口OK。然后再點(diǎn)擊filenewcellview，創(chuàng)建一個(gè)單元視圖文件夾inv，Library Name選取為08063224，Cell Name可自定義為inv，設(shè)置view name為schematic，設(shè)置tool為composer schematic，點(diǎn)擊OK，此時(shí)便彈出Schematic Editing空白窗口。輸入反相器設(shè)計(jì)原理圖的結(jié)果如下圖3所示：圖3 反相

5、器原理圖具體的操作步驟：添加元件：在原理編輯窗口中，選擇AddIntance，打開(kāi)Intance窗口，點(diǎn)擊Browse按鈕，彈出Library Browser窗口，在Library一欄中選擇gpdk180，Cell一欄選擇pmos，Cellview一欄選擇symbol，都選好后并且設(shè)置pmos的寬長(zhǎng)為4U就可以點(diǎn)擊close，將Library Brower窗口關(guān)閉，此時(shí)Add Instance窗口的Cell和View欄就會(huì)被填好，就可以將pmos管添加到原理編輯窗口中了。同樣可添加nmos管，并且設(shè)置nmos的寬長(zhǎng)為2U。添加Source和Ground，在Library一欄中選analogli

6、b，Cell一欄中選vcc，Cellview一欄中選symbol。添加Ground與添加Source的方法相同。添加Pin ：點(diǎn)擊Addpin，會(huì)出現(xiàn) Add pin 窗口，在Pin Names 欄中輸入in， Direction設(shè)置為 input ，完成輸入端的添加；同理再添加一個(gè)輸出管腳，在Pin Names 欄中輸入out， Direction設(shè)置為output完成輸出端的添加。連線：點(diǎn)擊 AddWire(Narrow)，將應(yīng)該要連線的地方連接起來(lái)，點(diǎn)擊即可。若需要移動(dòng)的時(shí)候也是先選中，按M再點(diǎn)擊到相應(yīng)的位置，切記不能有拖動(dòng)的操作。 檢查并保存，在畫(huà)完原理圖后，需要檢查原理圖是否有錯(cuò)，點(diǎn)

7、擊DesignCheck and Save，然后就可在CIW窗口中觀察是不有錯(cuò)或警告。生成的反相器符號(hào)結(jié)果如下圖4所示：圖4 反相器符號(hào)具體的操作步驟：在Schematic中，點(diǎn)擊DesignCreate CellviewFrom Cellview彈出Cell From Cellview 窗口，圖中Library Name 和Cell Name 會(huì)自動(dòng)填寫(xiě)我們所要?jiǎng)?chuàng)建符號(hào)的原理圖名稱(chēng)，點(diǎn)擊OK，彈出 Symbol Generation Option窗口，在填好各項(xiàng)后進(jìn)入Symbol Editing 窗口編輯符號(hào)。點(diǎn)擊Addshape，可通過(guò)其中的Line和Circle各項(xiàng)來(lái)編輯符號(hào)形狀，結(jié)果如

8、上圖4所示。點(diǎn)擊DesignCheck and Save，可在CIW窗口中觀察是不有錯(cuò)或警告，檢查并保存編輯好的符號(hào)。2. 四輸入與非門(mén)原理圖及其符號(hào)的創(chuàng)建在CIW窗口點(diǎn)擊filenewcellview，創(chuàng)建一個(gè)單元視圖文件夾nand4，Library Name選取為08063224，Cell Name自定義為nand4，設(shè)置view name為schematic，設(shè)置tool為composer schematic，點(diǎn)擊OK即可。輸入的四輸入與非門(mén)設(shè)計(jì)原理圖結(jié)果如下圖5所示：圖5 四輸入與非門(mén)原理圖先添加元件，在analogLib庫(kù)中選擇vcc與gnd各一個(gè)，按照?qǐng)D添加所需元件。在gpdk18

9、0庫(kù)中選擇pmos與noms各4個(gè), 并且設(shè)置pmos的寬長(zhǎng)為4U,nmos的寬長(zhǎng)為2U。然后添加輸入輸出管腳，再進(jìn)行連線。生成的四輸入與非門(mén)符號(hào)結(jié)果如下圖6所示，操作步驟和創(chuàng)建反相器的符號(hào)方法相似。圖6 四輸入與非門(mén)符號(hào)3. 二輸入或非門(mén)原理圖及其符號(hào)的創(chuàng)建二輸入或非門(mén)原理圖設(shè)計(jì)：在CIW窗口，點(diǎn)擊filenewcellview創(chuàng)建一個(gè)單元視圖文件夾nor2，Library Name選取為08063224，Cell Name自定義為nor2，設(shè)置view name為schematic，設(shè)置tool為composer schematic，點(diǎn)擊OK即可，打開(kāi)電路原理圖設(shè)計(jì)窗口。添加元件在gpdk

10、180中選擇兩個(gè)pmos和兩個(gè)nmos，在analoglib庫(kù)中選擇vcc和gnd各一個(gè)，即按下圖7所示添加所須元件；添加輸入端管腳為a、b；輸出端管腳為y；連線，按設(shè)計(jì)的原理圖連線。檢查電路結(jié)構(gòu)與連線，使用check and save 圖標(biāo)檢驗(yàn)查錯(cuò)，修改并存檔。輸入的二輸入或非門(mén)設(shè)計(jì)原理圖結(jié)果如下圖7所示：圖7 或非門(mén)設(shè)計(jì)原理圖創(chuàng)建符號(hào)：從原理圖打開(kāi)邏輯符號(hào)窗口，同創(chuàng)建反相器符號(hào)方法，對(duì)符號(hào)進(jìn)行編輯，最終形成nor2邏輯符號(hào)如圖8所示：圖8二輸入或非門(mén)符號(hào)4. 利用設(shè)計(jì)好的符號(hào)設(shè)計(jì)頂層4-2線編碼器原理圖電路結(jié)構(gòu)：構(gòu)成4-2線編碼器的電路形式主要有非門(mén)、四輸入與非門(mén)結(jié)構(gòu)和二輸入或非門(mén)結(jié)構(gòu)，C

11、MOS結(jié)構(gòu)的4-2線編碼器電路如圖9所示：添加輸入pin為P0、P1、P2和P3；輸出pin為Y1與Y0。圖9 4-2線編碼器原理圖5. 4-2線編碼器的瞬態(tài)仿真在設(shè)計(jì)好的4-2線編碼器原理圖編輯窗口，點(diǎn)擊ToolsAnalog Environment，彈出Analog Design Environment ，首先設(shè)置庫(kù)的路徑，點(diǎn)擊SetupModel libraries，然后點(diǎn)擊Browse，將庫(kù)路徑設(shè)為/home/irio/ /gpdk180/models/spectre/gpdk.scs，將Section 設(shè)為stat。然后點(diǎn)擊SetupStimuli，在彈出的Setup Analog

12、Stimuli窗口，設(shè)置4個(gè)輸入?yún)?shù)P0、P1、P2、P3和Global Sources，參數(shù)設(shè)置方法如下圖1013所示：（在設(shè)置這些參數(shù)時(shí)都要點(diǎn)擊Enabled和Change使得參數(shù)從OFF狀態(tài)變到ON狀態(tài)）圖10輸入?yún)?shù)P0的設(shè)置圖11 輸入?yún)?shù)P1的設(shè)置圖12 輸入?yún)?shù)P2的設(shè)置圖13 輸入?yún)?shù)P3的設(shè)置點(diǎn)擊AnalysesChoose，選擇分析類(lèi)型為T(mén)ran瞬態(tài)分析，Stop Time仿真時(shí)間參數(shù)設(shè)置16n，并選中moderate和Enabled。點(diǎn)擊OutputSave All，選擇輸出，輸出信號(hào)選擇allpub，器件電流選擇all，點(diǎn)擊OK。此時(shí)我們?cè)賹⑤敵鼋Y(jié)果選中，操作步驟：Ou

13、tputsTo Be PlottedSelect On Schematic。在原理圖中選中輸入端P0、P1、P2、P3和輸出端Y1和Y2，再返回仿真的界面如圖14所示。圖14 瞬態(tài)仿真窗口點(diǎn)擊SimulationNelist and Run，進(jìn)行仿真，點(diǎn)擊后會(huì)彈出Welcome to Spectre窗口，點(diǎn)擊OK就開(kāi)始仿真。如果提示有錯(cuò)誤，就需要查找錯(cuò)誤并修改原理圖。若無(wú)錯(cuò)誤，運(yùn)行后就會(huì)彈出仿真波形如圖15所示。圖15 瞬態(tài)仿真波形圖直流分析創(chuàng)建新的單元視圖Pnvfz，并調(diào)用實(shí)驗(yàn)三中生成的反相器符號(hào)來(lái)連接反相器的仿真電路，輸入原理圖步驟同實(shí)驗(yàn)二。只是現(xiàn)在單元視圖中多了一個(gè)反相器的符號(hào)，同時(shí)直流

14、分析需要對(duì)電路外加一個(gè)激勵(lì)。具體電路圖如圖4所示。圖4 反相器直流分析原理圖此時(shí)Vcc不需要再進(jìn)行設(shè)值，而是要對(duì)外接激勵(lì)V0設(shè)置為1.8V，對(duì)V1進(jìn)行直流掃描和參數(shù)設(shè)置：點(diǎn)擊Select Component，選擇電路圖中的V1，彈出Select Component Parameter窗口，選中窗口中dc，點(diǎn)擊OK。運(yùn)行后仿真波形如圖5所示。注意：仿真波形中Net2為輸入電壓，out為輸出電壓。6. 4線-2線編碼器的最高工作頻率仿真同時(shí)直流分析需要對(duì)電路外加一個(gè)激勵(lì)。Y0的最高工作頻率：1.998GY1的最高工作頻率：2.0000GP0的最高工作頻率：0.998GP1的最高工作頻率：0.998

15、GP2的最高工作頻率：0.998GP3的最高工作頻率：0.998G最終的最高工作頻率波形：7. 4線-2線編碼器的功耗仿真最終的電流的值：0.00112A 也即1.1286mA P=UI=1.8V*I=0.00203148W 結(jié)果分析問(wèn)題分析 1. 在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)連線一定不能十字相交，否則在進(jìn)行check and save操作后CIW窗口會(huì)出現(xiàn)警告，但可以丁相交。2. 在設(shè)計(jì)頂層4-2線編碼器原理圖時(shí)添加輸入端時(shí)，一開(kāi)始命名為I0、I1、I2、I3，但check and save沒(méi)通過(guò)出現(xiàn)了很多的警告大體意思是命名有沖突，將I0、I1、I2、I3改為P0、P1、P2、P3后，就沒(méi)有警告，所以可

16、能是因?yàn)榉聪嗥鞣?hào)的輸入端命名為in與I0、I1、I2、I3有相同的英文字母。3. 頂層4-2線編碼器原理圖時(shí)添加激勵(lì)進(jìn)行仿真時(shí)的線性電壓源一定要和各個(gè)模塊所加的電源Vcc相同，而不是Vdd，否則在進(jìn)行仿真時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)，并且出現(xiàn)的錯(cuò)誤提示表明是致命的錯(cuò)誤。4. 為了方便仿真驗(yàn)證，在Schematic中要對(duì)所有元件進(jìn)行參數(shù)定義，選取模型并定義器件寬長(zhǎng)比等。 5. 原理圖輸入時(shí)要表明各MOS管子的尺寸，不然仿真的波形會(huì)不理想，在本次設(shè)計(jì)中設(shè)置pmos的寬長(zhǎng)為4U, nmos的寬長(zhǎng)為2U。實(shí)際中可以通過(guò)嚴(yán)格按要求設(shè)置MOS管的寬長(zhǎng)，以減少管子的功耗。 6. 生成符號(hào)時(shí)應(yīng)注意要將標(biāo)有Instance name 刪去，否則在其他電路上調(diào)用此符號(hào)時(shí)器件會(huì)出錯(cuò)。另外在添加輸入(出)端口時(shí)一定要標(biāo)明是INPUT 還是OUTPUT，否則也會(huì)報(bào)錯(cuò)。 7. 若仿真時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，可返回到仿真參數(shù)設(shè)