1、4線-2線編碼器的設(shè)計實驗?zāi)康?. 利用Cadence軟件完成一個4線-2線編碼器的設(shè)計；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)測試；3. 學(xué)會自底向上地設(shè)計基于組合邏輯電路的編碼器的設(shè)計；4. 掌握創(chuàng)建符號的步驟；5. 掌握編碼器設(shè)計和仿真的步驟；6. 學(xué)會設(shè)置仿真參數(shù)，從而加深對Cadence軟件仿真的熟悉度。實驗原理編碼和譯碼的問題在日常生活中經(jīng)常遇到，數(shù)字系統(tǒng)中存儲或者處理的信息，常常是用二進制碼表示的。用一個二進制代碼表示特定含義的信息稱為編碼，具有編碼功能的邏輯電路稱為編碼器，圖1所示為二進制編碼器的結(jié)構(gòu)圖，它有n位二進制碼輸出，與2n個輸入相對應(yīng)。本次專業(yè)技能訓(xùn)

2、練我們設(shè)計了一個普通的4線-2線編碼器。P0 Y0P1 Y1 P2n-1 Yn-1.圖1二進制編碼器的結(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個輸入P0 到P3 為高電平有效信號，輸出是兩個二進制代碼Y1 Y0，任何時刻P0P3中只能有一個取值為1，并且有一組對應(yīng)的二進制碼輸出。除表中的4種取值組合有效外，其余12種組合所對應(yīng)的輸出均應(yīng)為0。對于輸入或輸出變量，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式：Y1=Y0=根據(jù)邏輯表達式畫出邏輯圖，如下圖2所示：圖2 4線-2線

3、編碼器邏輯圖實驗內(nèi)容及結(jié)果本文的設(shè)計思路是首先完成4線-2線編碼器所需要的各個模塊的電路原理圖設(shè)計，再將其創(chuàng)建成可以調(diào)用的符號，最后按照圖2的編碼器邏輯圖完成首4線-2線編碼器的設(shè)計。首先需要創(chuàng)建一個庫（如：08063224）與各個視圖單元inv、 nand4 、nor2和 encode；注意在新建各個視圖單元文件時應(yīng)該都是建到08063224庫文件里，不然會提示文件位置報錯。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。實驗的內(nèi)容及結(jié)果具體如下：1. 反相器原理圖及其符號的創(chuàng)建開啟虛擬機，進入Red Hat Linux后，點擊CIW窗口的filenewlibrary，由此可創(chuàng)建庫0806

4、3224（用來存放單元視圖的文件夾）。將庫文件的路徑設(shè)置在cadence目錄下，Name欄輸入庫名08063224，右側(cè)Technology File欄中選擇Attach to an existing techfile，點擊窗口OK。然后再點擊filenewcellview，創(chuàng)建一個單元視圖文件夾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，點擊OK，此時便彈出Schematic Editing空白窗口。輸入反相器設(shè)計原理圖的結(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Intance窗口，點擊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的寬長為4U就可以點擊close，將Library Brower窗口關(guān)閉，此時Add Instance窗口的Cell和View欄就會被填好，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 ：點擊Addpin，會出現(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：點擊 AddWire(Narrow)，將應(yīng)該要連線的地方連接起來，點擊即可。若需要移動的時候也是先選中，按M再點擊到相應(yīng)的位置，切記不能有拖動的操作。 檢查并保存，在畫完原理圖后，需要檢查原理圖是否有錯，點

7、擊DesignCheck and Save，然后就可在CIW窗口中觀察是不有錯或警告。生成的反相器符號結(jié)果如下圖4所示：圖4 反相器符號具體的操作步驟：在Schematic中，點擊DesignCreate CellviewFrom Cellview彈出Cell From Cellview 窗口，圖中Library Name 和Cell Name 會自動填寫我們所要創(chuàng)建符號的原理圖名稱，點擊OK，彈出 Symbol Generation Option窗口，在填好各項后進入Symbol Editing 窗口編輯符號。點擊Addshape，可通過其中的Line和Circle各項來編輯符號形狀，結(jié)果如

8、上圖4所示。點擊DesignCheck and Save，可在CIW窗口中觀察是不有錯或警告，檢查并保存編輯好的符號。2. 四輸入與非門原理圖及其符號的創(chuàng)建在CIW窗口點擊filenewcellview，創(chuàng)建一個單元視圖文件夾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，點擊OK即可。輸入的四輸入與非門設(shè)計原理圖結(jié)果如下圖5所示：圖5 四輸入與非門原理圖先添加元件，在analogLib庫中選擇vcc與gnd各一個，按照圖添加所需元件。在gpdk18

9、0庫中選擇pmos與noms各4個, 并且設(shè)置pmos的寬長為4U,nmos的寬長為2U。然后添加輸入輸出管腳，再進行連線。生成的四輸入與非門符號結(jié)果如下圖6所示，操作步驟和創(chuàng)建反相器的符號方法相似。圖6 四輸入與非門符號3. 二輸入或非門原理圖及其符號的創(chuàng)建二輸入或非門原理圖設(shè)計：在CIW窗口，點擊filenewcellview創(chuàng)建一個單元視圖文件夾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，點擊OK即可，打開電路原理圖設(shè)計窗口。添加元件在gpdk

10、180中選擇兩個pmos和兩個nmos，在analoglib庫中選擇vcc和gnd各一個，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)檢驗查錯，修改并存檔。輸入的二輸入或非門設(shè)計原理圖結(jié)果如下圖7所示：圖7 或非門設(shè)計原理圖創(chuàng)建符號：從原理圖打開邏輯符號窗口，同創(chuàng)建反相器符號方法，對符號進行編輯，最終形成nor2邏輯符號如圖8所示：圖8二輸入或非門符號4. 利用設(shè)計好的符號設(shè)計頂層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、四輸入與非門結(jié)構(gòu)和二輸入或非門結(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)計好的4-2線編碼器原理圖編輯窗口，點擊ToolsAnalog Environment，彈出Analog Design Environment ，首先設(shè)置庫的路徑，點擊SetupModel libraries，然后點擊Browse，將庫路徑設(shè)為/home/irio/ /gpdk180/models/spectre/gpdk.scs，將Section 設(shè)為stat。然后點擊SetupStimuli，在彈出的Setup Analog

12、Stimuli窗口，設(shè)置4個輸入?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)時都要點擊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)置點擊AnalysesChoose，選擇分析類型為Tran瞬態(tài)分析，Stop Time仿真時間參數(shù)設(shè)置16n，并選中moderate和Enabled。點擊OutputSave All，選擇輸出，輸出信號選擇allpub，器件電流選擇all，點擊OK。此時我們再將輸出結(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)仿真窗口點擊SimulationNelist and Run，進行仿真，點擊后會彈出Welcome to Spectre窗口，點擊OK就開始仿真。如果提示有錯誤，就需要查找錯誤并修改原理圖。若無錯誤，運行后就會彈出仿真波形如圖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)用實驗三中生成的反相器符號來連接反相器的仿真電路，輸入原理圖步驟同實驗二。只是現(xiàn)在單元視圖中多了一個反相器的符號，同時直流

14、分析需要對電路外加一個激勵。具體電路圖如圖4所示。圖4 反相器直流分析原理圖此時Vcc不需要再進行設(shè)值，而是要對外接激勵V0設(shè)置為1.8V，對V1進行直流掃描和參數(shù)設(shè)置：點擊Select Component，選擇電路圖中的V1，彈出Select Component Parameter窗口，選中窗口中dc，點擊OK。運行后仿真波形如圖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直流分析需要對電路外加一個激勵。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)果分析問題分析 1. 在原理圖設(shè)計時連線一定不能十字相交，否則在進行check and save操作后CIW窗口會出現(xiàn)警告，但可以丁相交。2. 在設(shè)計頂層4-2線編碼器原理圖時添加輸入端時，一開始命名為I0、I1、I2、I3，但check and save沒通過出現(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，就沒有警告，所以可

16、能是因為反相器符號的輸入端命名為in與I0、I1、I2、I3有相同的英文字母。3. 頂層4-2線編碼器原理圖時添加激勵進行仿真時的線性電壓源一定要和各個模塊所加的電源Vcc相同，而不是Vdd，否則在進行仿真時會報錯，并且出現(xiàn)的錯誤提示表明是致命的錯誤。4. 為了方便仿真驗證，在Schematic中要對所有元件進行參數(shù)定義，選取模型并定義器件寬長比等。 5. 原理圖輸入時要表明各MOS管子的尺寸，不然仿真的波形會不理想，在本次設(shè)計中設(shè)置pmos的寬長為4U, nmos的寬長為2U。實際中可以通過嚴格按要求設(shè)置MOS管的寬長，以減少管子的功耗。 6. 生成符號時應(yīng)注意要將標(biāo)有Instance name 刪去，否則在其他電路上調(diào)用此符號時器件會出錯。另外在添加輸入(出)端口時一定要標(biāo)明是INPUT 還是OUTPUT，否則也會報錯。 7. 若仿真時出現(xiàn)錯誤，可返回到仿真參數(shù)設(shè)