Перспективы развития ПК

 

2.1.  Назначение системы

 

Задачей данной работы является разработка относительно недорогого устройства, встроенного в персональный компьютер, предназначенного для тестирования и определения типа методом сигнатурного анализа микросхем ТТЛ (серии К155, К555, К531, К1531) и КМОП (серии К176, К561, К1561) логики, позволяющее производить проверку всех статических режимов работы этих ИМС, в режиме реального времени, и в случае выхода из строя любой детали ПК, немедленно сообщать пользователю, чтобы не вывести всю систему из строя, тем самым снизить стоимость ремонта.

Проверка производится следующим образом:

- к порту принтера (LPT) компьютера посредством кабеля подключается устройство. В колодку, выведенную на его корпус, вставляется испытуемая микросхема. На компьютере запускается программа поддержки. Она управляет выдачей сигналов в порт, которые в свою очередь поступают на входы микросхемы. Далее программа считывает данные с выходов микросхемы, анализирует считанные данные, сверяя их с табличными, и выводит на дисплей результат тестирования. При определении типа ИМС производится перебор всех известных для тестирования комбинаций (выполняется сигнатурный анализ), после чего осуществляется анализ поступивших данных и вывод результатов на экран. 

Описание структуры  системы.

Исходя из поставленных технических условий разработаем  структурную схему устройства, на основании которой можно будет вести дальнейшее проектирование системы.

Общая структурная схема приведена  (см. рис. 1). 

 

Рис. 1.  Общая структурная  схема

Питание устройства осуществляется от сети переменного тока ~220в, обмен данными между устройством и компьютером осуществляется посредством порта принтера LPT. Микросхема вставляется в колодку, расположенную на корпусе проектируемого устройства.

Структурная схема устройства представлена  (см. рис. 2). 

 

Рис. 2.  Структурная схема устройства

LPT-порт компьютера в нормальном режиме представляет собой параллельный регистр, который имеет 12 линий на вывод и 5 линий на ввод. Поскольку микросхемы имеют самую разнообразную структуру, то этого явно недостаточно для тестирования микросхем, имеющих, к примеру, 6 входов и 16 выходов (К155ИД3), или 21 вход и 1 выход (К155КП1).

Поэтому необходимо наращивание разрядности  LPT-порта путем введения входных запоминающих регистров, выходных мультиплексоров и дешифратора, управляющего записью в регистры и чтением данных при помощи мультиплексоров соответственно. Применение в данном случае выходных мультиплексоров, а не регистров, обусловлено упрощением схемы, и возможно благодаря статическому характеру сигналов на выводах испытуемой микросхемы. Так как стандартный LPT-порт компьютера имеет на выходе ТТЛ-уровни, то целесообразно выбрать в качестве регистров и мультиплексоров именно ТТЛ-микросхемы⁸.

Входные регистры необходимы для запоминания выставленных значений, предназначенных для подачи на вход микросхемы. Выходные мультиплексоры предназначены для чтения сигналов с выходов микросхемы. При проектировании необходимо ориентироваться на 32 разряда (поскольку максимальное число выводов микросхем ТТЛ- и КМОП-логики не превышает 32). Так как число входных и выходных линий LPT-порта ограничено, то наиболее эффективным и удобным для программирования в этом случае будет использование 8-ми выходных линий LPT-порта для записи данных в регистры и 4-х входных линий LPT-порта для чтения данных из мультиплексоров. Для записи данных понадобятся четыре 8-разрядных регистра, для чтения данных - четыре двухвходовых 4-разрядных мультиплексора [18; 67].

Поскольку входные и  выходные линии разделены (для ввода  и вывода данных будут использоваться различные физические линии LPT-порта), то мультиплексоры можно адресовать параллельно регистрам (для адресации понадобится 4-е линии вместо 8-ми). При этом для управления выборкой входов мультиплексоров будет использоваться один бит LPT-порта на вывод (0-й бит порта 378H).

В блоке питания аналогично входным будут использованы еще  три 8-разрядных регистра (2 на управление и 1 на коммутацию, речь о них пойдет ниже), которые потребуют еще 3 адресные линии.

Таким образом, для адресации 7-ми регистров понадобятся 3 дополнительные линии LPT-порта (37AH) на вывод (адресуемые при помощи дешифратора 3x8). И еще одна линия порта 37AH на вывод будет нужна для управления записью в регистры.

Так как проектируемое  устройство предназначено как для  тестирования микросхем ТТЛ, так  и для тестирования микросхем  КМОП, то после входных запоминающих регистров необходимо ввести устройство согласования по входу (для преобразования выходных ТТЛ-уровней регистров в уровни испытуемой микросхемы (КМОП или ТТЛ, в зависимости от серии). Для чтения данных с выходов испытуемой микросхемы, перед входами мультиплексоров необходимо поставить аналогичное устройство согласования по выходу (преобразование выходных КМОП или ТТЛ сигналов в ТТЛ-уровни)⁹.

При определении типа микросхемы для каждого разряда  заранее неизвестно, является ли подключенный к нему вывод микросхемы входом или  выходом. Потому ток, протекающий через  ее вывод, должен быть выбран таким, чтобы обеспечивать максимально возможный входной ток для проверяемой серии. Нужно учесть тот факт, что ток выхода некоторых микросхем меньше этого входного тока, потому при попытке определения их типа, результаты могут быть искажены; т.к. таких микросхем очень мало, они могут быть исключены из списка определяемых. Также необходимо учитывать различие входных/выходных токов для микросхем КМОП и ТТЛ серий¹⁰.

 Рис. 3.  Структурная схема блока питания

Блок питания устройства должен обеспечивать необходимое питание аппаратной части проектируемого устройства. Структурная схема блока питания представлена  (см. рис. 3). Величины напряжения и максимально потребляемого тока в цепи нагрузки должны устанавливаться программно. Регулировка напряжения и тока нужна для того, чтобы иметь возможность измерить минимальное напряжение питания и максимально потребляемый ток для каждого конкретного экземпляра. Учитывая все вышеизложенное, в его состав включены следующие узлы:

1)       источник  питания устройства;

2)   8-разрядный регистр  для запоминания выставленного  значения напряжения питания  испытуемой микросхемы;

3)  8-разрядный ЦАП  для преобразования цифрового  значения напряжения в аналоговое, источник опорного напряжения  для него;

4)        регулируемый стабилизатор напряжения испытуемой микросхемы;

5)   8-разрядный регистр  для запоминания выставленного  значения максимально потребляемого  тока;

6)     8-разрядный  ЦАП для преобразования цифрового  значения макс. тока в напряжение, источник опорного напряжения для него;

7)    датчик и  преобразователь потребляемого  тока в напряжение (с усилением  - для согласования со следующим  звеном);

8)       устройство  сравнения (компаратор) выставленного  значения тока с реально потребляемым  микросхемой (при  превышении последнего должна срабатывать аппаратная защита);

9)      1-разрядный  регистр для запуска регулируемого  источника питания в случае  срабатывания защиты;

10)      8-разрядный  регистр управления коммутацией  напряжения питания ИМС;

11)      устройство  коммутации питания ИМС;

12)   8-разрядные регистры  и ЦАПы могут обеспечить ступенчатую  регулировку в 2⁸=256 значений напряжения. Т.е. при опорном напряжении в 9в, шаг будет равен , этого вполне достаточно для регулировки напряжения питания ИМС. Так как максимально допустимый потребляемый микросхемой ток выбран ~250мА, то изменяя коэффициент усиления преобразователя можно добиться дискретности изменения тока в . Для определения реально потребляемого тока такой точности будет вполне достаточно [9; 46].

Для чтения состояния устройства сравнения потребляемого тока необходим еще один разряд LPT-порта на ввод (3-й бит порта 379H).

Поскольку у различных  микросхем питание подается на различные  выводы (к примеру, у К155ЛА3 - 14 и 7 выводы, а у К155ИЕ2 - 5 и 10 выводы для подачи +5в и GND соответственно), необходимо предусмотреть все варианты подачи питания на различные выводы колодки, предназначенной для испытуемой микросхемы¹¹. Как показал анализ разновидностей питания микросхем, возможны 6 вариантов включения “+” питания и 3 варианта включения GND (микросхема вставляется со смещением в сторону 16-го контакта колодки, “ключ” микросхемы при этом должен быть направлен в сторону 1-го контакта колодки). Таким образом, устройство коммутации содержит:

1)  регистр коммутации питания;

2)  2 дешифратора (для  “+” и GND соответственно);

3)  коммутационные  ключи по «+» питания;

4)  коммутационные  ключи по GND.

Структурная схема устройства коммутации  приведена  (см. рис.4).

 

Рис. 4.  Структурная  схема устройства коммутации питания ИМС

  Выбор элементной базы. 

Для реализации программного управления напряжением питания и током  потребления ИМС в качестве ЦАП  выбран К572ПА1А, отвечающий требованиям  разрядности (>=8 бит) и быстродействия (<100мкс) [10; 57].

Микросхема представляет собой умножающий ЦАП, выполненный по КМОП технологии. Предназначена для преобразования параллельного 10-разрядного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения¹².

Микросхема поставляется в герметичном 16-выводном металлокерамическом корпусе типа 201.16-8 с двухрядным вертикальным расположением выводов.

Электрические параметры  ЦАП К572ПА1А приведены в таблице 1, условное графическое обозначение  (см. рис. 5), назначение выводов - в таблице 2. 

Таблица 1

Электрические параметры  ЦАП К572ПА1А

 

Номинальное напряжение питания	15в
Ток потребления	3 мА
Дифференциальная нелинейность	+0.1%
Погрешность коэффициента преобразования	+3%
Время установления выходного  тока	5 мкс
Среднее значение входного тока по цифровым входам	1 мкА
Выходной ток при  опорном напряжении 10В	2 мА
Предельные значения опорного напряжения	+17в
Предельные значения напряжения питания	5...17в

 

 

 К572ПА1А

Рис. 5.   ЦАП К572ПА1А (обозначение)

Таблица 2

Назначение выводов

 

1	1-й аналоговый выход
2	2-й аналоговый выход
3	Общий
4	10-й цифровой вход (старший  значащий разряд)
5	9-й цифровой вход
6	8-й цифровой вход
7	7-й цифровой вход
8	6-й цифровой вход
9	5-й цифровой вход
10	4-й цифровой вход
11	3-й цифровой вход
12	2-й цифровой вход
13	1-й цифровой вход (младший  значащий разряд)
14	“+” питания
15	опорное напряжение
16	вывод резистора обратной связи

 

Для запоминания выставленных значений в качестве  входных  регистров необходимы 8-битные параллельные регистры-защелки с суммарным числом запоминаемых битов - 32. Эти регистры должны иметь тактируемый вход записи, вход разрешения параллельной загрузки, быстродействие <100мкс, не должны иметь Z-состояния (чтобы не было неопределенных уровней сигналов). Этим требованиям соответствуют 4 регистра К555ИР27¹³.

В качестве регистров  коммутации, управления напряжением  и током можно выбрать К555ИР27, поскольку они обеспечивают необходимую  разрядность (8 бит), управление (запись/запоминание/хранение) и быстродействие¹⁴.

Электрические параметры микросхемы К555ИР27 приведены в таблице 3, условное графическое обозначение  (см. рис. 6), назначение выводов - в таблице 4, состояния регистра ИР27 - в таблице 5.  

Таблица 3

Электрические параметры микросхемы К555ИР27

Uпит., ном., В	5
U0вых., не более, В	0.5
U1вых., не менее, В	2.7
I0вх., не более, мА	-0.4
I1вх., не более, мА	0.02
Iпот., не более, мА	28
T1.0зд.р., не более, нс	30
T0.1зд.р., не более, нс	30

 

 

К555ИР27

Рис. 6.  Регистр К555ИР27 (обозначение)

Таблица 4

Назначение выводов

 

1	Вход разрешения параллельной загрузки /PE
2	Выход данных Q0
3	Вход данных Q0
4	Вход данных Q1
5	Выход данных Q1
6	Выход данных Q2
7	Вход данных Q2
8	Вход данных Q3
9	Выход данных Q3
10	GND
11	Синхронный тактовый вход C
12	Выход данных Q4
13	Вход данных Q4
14	Вход данных Q5
15	Выход данных Q5
16	Выход данных Q6
17	Вход данных Q6
18	Вход данных Q7
19	Выход данных Q7
20	“+” питания