Применение пятизначного моделирования для анализа работоспособности сложных цифровых устройств на OrCad

Пятизначное моделирование позволяет обнаружить динамические риски сбоев в схемах

Существенным в пятизначном моделировании является обозначение не только факта изменения сигнала, как это делается при троичном моделировании, но и характера изменения. Выделяется изменение сигнала 1®0, обозначается  это изменение символом "L"; и изменение 0®1, обозначается это изменение "H". Неопределенное состояние обозначается "x".
Для двухвходового логического элемента "И", на вход которого подаются логические сигналы A и B, таблица истинности в этом случае выглядит следующим образом:

Для двухвходового логического элемента "ИЛИ", на вход которого подаются такие же логические сигналы A и B, таблица истинности принимает соответственно следующий вид:

Функционирование инвертора в пятизначном моделировании описывается таблицей истинности следующего вида:

Так же, как и в троичном моделировании, в пятизначном моделировании схема просчитывается не только для двух последовательных входных наборов A= (a1,. . . , ai,. . . ,an ) и B=(b1,. . .,bi,. . .,bn ),  но и для промежуточного набора A/B, который формируется следующим образом:
A/B = (c1,. . . ,ci, . . .,cn),
где                 сi  = L,   если     ai  = 1   и  bi = 0,
ci  = H ,   если   ai = 0  и  bi = 1,
ci  = ai ,  если   ai = bi
для i = 1, 2, 3, ..., n.
Пример пятизначного моделирования комбинационной схемы для наборов A = {0,1,0}  и B = {1,0,0}.

Риски сбоев в моделируемых схемах обнаруживаются по появлению состояния "x" на переходных наборах, причем для статического риска сбоя состояние цепи на наборах A и B  одинаково, а для динамического - различно.
В данном примере при переходе от A к B статический риск сбоя имеется в цепи c5 , а динамический – в цепях   c6  и  c8, как это показано на рисунке:

Принятая при многозначном моделировании идеализация предполагает произвольное соотношение задержек в элементах схемы. Вследствие этого при моделировании выявляются даже маловероятные случаи возникновения риска сбоя и критических ситуаций.

Таким образом, многозначное моделирование позволяет определить все возможные места рисков сбоев, даже тех, которые в реальных схемах не могут произойти. Асинхронное же моделирование, может пропускать некоторые случаи рисков сбоев.

Пример выполнения работы

Задание

Выполнить проектирование D-триггера.

Схема D-триггера при его проектировании в системе OrCAD приведена на следующем рисунке:

Временные диаграммы функционирования D-триггера:

Как видно из приведенных диаграмм, работа спроектированного триггера соответствует заданной таблице функционирования.

Подключим аналоговые источники питания к входам D-триггера. Модифицированная схема проектируемого устройства и временные диаграммы его работы приведены на следующем рисунке:

Для того чтобы проанализировать работу триггера в режиме динамического сбоя поставим на выходах аналоговых источников питания цифровые повторители. Повторители можно построить, соединив последовательно два элемента "НЕ" и объединив их в отдельный логический элемент.

Модифицированная таким образом схема D-Триггера приведена на следующем рисунке:

Воспользовавшись подобным приемом можно получить запись входных сигналов триггера в цифровой форме с использованием их пятизначного представления.

Временные диаграммы работы полученного устройства выглядят следующим образом:

Рассмотрим более подробно участок [30 us – 55 us] работы временной диаграммы.

На протяжениее всего этого участка сигналы NSи NR держат значение "1", что соответствует режиму работы триггера. Сигнал C находится в состоянии "1", D – "0", Q – "0", а NQ, соответственно, "1". В момент времени t = 35 us сигнал С переключается в "0", а через 0,5 us начинается переключение сигнала D из "0" в "1", что находит отражение в том, что через 0,035 us на выходе Q триггера начинается процесс переключения "0" ® "1", что в свою очередь вызывает начало процесса переключения выхода NQ из состояния "1" в состояние "0". Нестабильное состояние на выходах триггера держится в течении 11 us до тех пор, пока сигнал C не переключится в "1", что через 0,018 us приводит к установлению на выходе Q состояния "1", таким образом на входах элемента "3И-НЕ", формирующего сигнал NQ устанавливаются три логических "1", что определяет значение "0" на инверсном выходе триггера.