单元电路论文（共8篇）
一．填空题（每空1 分，共33分）
1.一个完整的电路是由提供电能的_________、消耗电能的________、控制电路通断的______和提供电的流动路径的___________四部分组成的.
2.如图1所示为测电笔的`构造示意图，其中必须用绝缘材料制作的是__________.使用测电笔时，手要接触测电笔尾部的__________，笔尖接触电线时，如果氖管发光，表明接触的是_______线.
1 保安单元产品设计背景
众所周知, 总配线架就作为一个交换机的配套设备, 它承担电缆成端、用户线调配、内外线测试及过电压过电流保护功能。
在机电制交换机到程控电话交换机, 总配线架上过电压防护元件从炭精板发展到气体放电管, 半导体放电管。过电流保护元件从热线圈发展到热敏电阻 (PTC) 。
目前网上使用的保安单元是按照老标准设计的, 技术方案见图1。工作原理如下:
过电压→放电管击穿放电→热敏元件动作→易熔片熔化→电流入地告警装置动作。
此方案是在20世纪70年代设计定型的, 经过了近30年的使用, 暴露出许多问题。主要有:a.动作速度慢。b.一级保护和二极保护不能协调。c.过电流保护动作后, 保安单元就失效, 不能重复使用。
为此在2004版《总配线架》行业标准中对保安单元做了相当大的修改, 修订会议上, 与会的专家都认为只有使用集成电路型保安单元才是解决问题的好办法。
2 集成电路和固体管保安单元的防护性能分析
根据ITU-T K20中所指出的过电压和过电流来源, 对过电压和过电流防护分为两个保护级别。在总配线架上是一级保护, 交换、传输设备上安装的是二级保护。
我们根据一级保护和二级保护的要求, 分析如下。
a.对于雷电感应的防护, 固体放电管虽已解决了一级保护和二级保护不协调的问题, 但固体管的击穿电压在400V左右, 进入交换机的瞬间电流约7~8A。集成电路保安单元在过电压保护是“电流控制”模式。雷电感应脉冲进入后, 在电流达到0.35A后就开始进行保护, 经保护输出电压只有100~200V, 进入交换机的瞬间电流约1~2A。对交换机的防护有很大好处。b.对于电力线碰触保护, 过电流保护元件即陶瓷或高分子PTC, 它们是串联在电路中, 对于交换机使用的PTC来讲, 它的上面只有可能通过通话电流, 而总配线架上的PTC, 它还要通过振铃电流。因此二级保护用的PTC, 其不动作电流小于一级保护的PTC, 而且它的电阻值也大于一级保护的PTC。而集成电路它的动作速度比PTC快几个数量级。它就可以较好满足要求。在总配线架上对工频电流进行防护。
3 自复性集成电路保安单元
在自复性保安单元中, 我们采用的过电压过电流保护集成电路是此集成电路结构是a、b线各使用一片的形式。采用直立式焊接, 便于安装。外形见图二。针对选用的集成电路, 我们设计了一种带告警灯的手动自复式热保护器。两片集成电路夹一片带钩子的双金属片, 当集成电路发热时, 双金属片变形, 活动簧片脱钩, 在弹簧作用下向上滑动推开进线簧片切断电路。同时连接上告警电路点亮发光二极管。其原理示意图见图2。
特点:
保安单元的使用小电流接地保护, 大电流开路保护。当过电压或过电流消失后可手工复位, 重复使用。
当有小电流通过保安单元时, 保安单元内部的电子开关动作, 将电流引入保护地, 并发出告警信号。当有大电流通过保安单元时, 保安单元的电子开关动作, 将电流引入保护地, 发出告警信号, 在三分钟内将外线输入端断开。当过电流或过电压消失后, 只要按动复位杆, 即可将保安单元所有功能恢复, 无需更换保安单元。
自复性集成电路保安单元因具有手工复位功能, 可多次反复使用, 大大节约了运营维护成本。在经济上提高保安单元的利用率, 降低运行成本。在技术上可以对保安单元进行过电流保护性能进行非破坏性测试, 来保证设备运行的可靠性。
【关键词】电子技术；电子电路；单元电路；设计方法
1、前言
我国的电子技术的发展相对于发达国家来说比较缓慢，即在改革开放后我国的电子技术才真正的走入市场，相关的科研工作和产品研发也才展开。这种情况下，电子技术的发展必然要落后于其他发达国家，但是在经过了几十年的飞速发展后，我国的电子技术也实现了翻天覆地的转变，所以，这种情况下相关的设计人员应该重视对完整的设计图的设计。
2、电子技术和单元电路的概念
2.1电子电路从广义上看，是指在电能的各个领域中进行电能技术应用的一种研究范围，即通过对电能的使用的优越性，通过技术实现对其进行有效的控制和转换，以便更好的同现有的电磁运行理论结合起来。另外，通过这种电路的综合分布情况的分析，可以有效的培养电路工程人员的电路规律的掌握情况以及各种技术的灵活应用。
2.2所谓的电子技术，即在实际的电路运行过程中，用于解决电路运行问题的技术，这种技术的最重要的特性是可以实现对电路中的不同器件的功能的调整，即根据技术的具体功用的不同，可以将电子技术分为信息技术和电路技术两大类，信息技术的最主要的作用和意义在于可以实现对电子电路中的各种数据的有效传输，而电子电路技术则主要针对的是电力运行系统中的模拟技术的管理和应用。随着各种高新技术的发展，我国的电子电路技术也在不断的发展和进步，这样就导致了工程师在设计过程中也应该根据当下的电子电路发展水平不断的对设计方案和设计理念进行调整，以使得电力设计能够更加符合当代电子相关技术的运行要求。另外，在设计过程中，还应该注重对不同的单元的设计方案的管理，因为现代电子的运行特点决定了在以后的管理过程中逐渐的趋近于单元化模式。
3、单元电路的设计步骤和方法
3.1单元电路的设计步骤
一般来说，要想实现对单元电路的有效设计，就必须要经过这样三个步骤，即首先要明确单元设计的基本的任务，其次要实现对单元设计中的各种数据情况的分析和计算，最后，要对现有的单元的电路图进行整理和规划。
首先，明确单元的设计任务环节。指的在电子单元电路的设计之前，应该对此次设计行为的基本目的和意义进行掌握，以便正确的指导在设计过程中的各种单元设计的行为和具体的细节处理。只有树立了明确的单元设计的任务，才能实现对单元设计的准确和有效的组织。除了基本的单元设计的任务之外，在单元设计的过程中还应该重视对于设计成本的节约以及电路的操作简便等问题的全面考虑，以优化现有的单元设计。
其次，计算相关的参数。即在电路设计的过程中，要想实现对各个环节的有效设计，就必须要针对现有的电路参数进行有效的计算，因为参数的计算准确性不仅关系到预期目标的实现，还关系到电路使用过程中的效率和能耗，所以有关设计人员在设计的过程中应该做好详细的参数计算，确保将各种参数控制在最小的误差范围内。
最后，对现有的单元电路进行整合和规划，即在进行了任务和目标的确定以及参数的计算后，有关设计人员就应该根据电路的实际情况，设计出具体的电路规划系统，以更直观的对现有的电路中的整机运行状况进行分析，实现对电路系统的直观的反应，这样不仅可以实现对电路中的各个元件和电机以及线路的组合情况的审查，还能够方便有关工程人员的施工。指的注意的是，在电路规划图上，要对各种相关的元件和线路进行明确的标柱和提示。
3.2单元电子电路的设计方法
即在明确了单元电子电路的设计步骤后，还应该掌握一定的设计方法和原则，才能实现对现有的电子电路的准确有效的设计，才能保证电子电路的有效运行。下面笔者将结合实际情况，主要讲三种实际生产中常用的设计方法。
第一种就是线性的集成运放组成的稳压电源的设计方法，在稳流网络，稳压电源中的电压变压器只有通过输入电压才能借助滤波网络进入最后的稳压网络中去，因此，在电子工程师设计电路时，要将电流的短路保护考虑在内，防止负载的电流超过额定电流，对电路产生损害，一般的稳压电路都是串联式，因此在设计时，要将负载区的纹波系数降低，保证电路的稳压效果，带动负载一定不能选用直流电，防止出现短路。
其具体设计方法为：对于整流出来的直流电是很少用来直接带动负载，还必须滤波后降低其纹波系数，但这种电路不能起到稳压的作用。所以稳压电源都应满足一定的技术指标。在设计稳压电源时，必须针对这些指标来进行设计。
第二种就是单元电路的级联设计方法。在将各个分单元的电路设计好后，就要设计他们之间的级联图了，一些涉及的是模拟电路的联系，一些是数字电路的联系，更多的是两者结合的综合电路，这些电路总体是要提高电路的放大倍数和提高其负载能力，因此，我们设计时要综合考虑对电路进行匹配设计。在耦合信号的设计中，要考虑不同耦合种类的相互影响，对电路进行最优设计。对于电路中的时序配合，要总体的先对系统进行分析，确定电路系统的时序，在按照最简原则进行设计。
第三种就是对电路中的放大器的设计。对于运算放大器的设计中，其基本参数应当选择单、双电源供电，电源电流。而且应当输入失调电压、输入失调电流、输入电阻。并且转换速率、建立时间。运算放大器使用有着一定的注意事项：如无特殊的要求，尽量采用通用型运算放大器。设计中应当正确认识、对待各种参数，不盲目片面追求指标的先进。而且当用运算放大器作弱信号放大时，应选用失调及噪声系数均很小的运算放大器（ICL7650）同时保持运放同相端与反相端对地的等效直流电阻。特别值得注意的是：为消除运放的高频自激，应参照推荐参数在规定的消振引脚之间接入适当的电容消振，同时应尽量避免两级以上放大级级连，以减小消振困难。
4、结语
综上所述，随着电子信息技术和相关技术的快速发展，我国的电子电路设计也取得了很大的发展和进步，但是在实际的设计过程中仍然存在一些不合理的现象，这种情况下，要想推动和促进行业的发展，就必须要实现对相关设计方案的完善，对设计理念和设计方法的掌握。
参考文献
[1]徐雷.关于电子技术单元电路的级联问题[J].电子制作，2013，（9）：17-19.
[2]高兰芳.浅谈《电子技术基础》的教学方法[J].华章，2010，（4）：24-27.
[3]黄有全.以单元电路为核心的《模拟电子技术》课程内容体系改革[J].职业技术教育，2006，27（29）：32-35.
教 学 设 计
梁瑞勇
（一）教学目标
1、知识与技能 ：
（1）理解串联电路、并联电路，会连接简单的串联和并联电路，会画简单的串联和并联电路图；
（2）通过学生动手实验，培养学生初步的实验操作技能，会使用简单的仪器，进行实验探究；
（3）通过学生自主的合作、探究，得出串联、并联电路的概念和特点。
2、过程与方法：
通过实验探究过程的体验，使学生对科学探究的方法有初步的认识和感受，并为观察、提出问题、设计实验方案、分析概括能力的初步形成打下基础。
3、情感与价值观：
（1）通过学生的观察、探究体验，使学生保持对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中物理道理；体验战胜困难、解决物理问题时的喜悦；
（2）通过探究学习中交流与合作的体验，使学生认识交流与合作的重要性，敢于提出与别人不同的见解，也勇于修正自己的错误观点。
（二）教学重点： 理解串联电路、并联电路
（三）教学难点： 并联电路的识别及连接
（四）教学用具：
演示用：两个电路板、四只电珠、两只开关、四节干电池、导线若干
学生用：四人一组，器材有：电珠两只、开关一只、电池两节、导线若干。教学过程：
（一）创设问题情景
教师手里有一电路板，闭合开关时，电珠全都亮，断开开关时电珠全都熄灭，[提问]：若拔掉其中的任意一只小彩灯，猜想一下，其他的小彩灯是否发光？ [学生猜想]：亮（占大部分）；不亮（占小部分）究竟谁的说法对呢？ 教师演示1：拔掉其中的任意一只电珠，其他的电珠都不亮。
教师演示2：闭合线路板上的一只开关，两只电珠同时亮，断开开关时两只电珠同时熄灭，若拔掉其中的任意一只电珠，另外一只电珠会发光吗？猜想一下？
演示验证：另外一只电珠照常亮。
演示说明：这两块电路板上电珠的连接显然是不同的，这节课我们就通过实验来探究电路的基本连接方式。
（二）自主探究
[探索1]、现有器材：两只电珠、两节干电池、导线若干，要求：把两只电珠同时连入电路，如何连接？
分组实验，把实物连接好之后，对照实物画出对应的电路图。
[探索2]、请在原有电路上，添加一只开关，要求：闭合开关两只电珠都亮，断开开关两只电珠都不亮，那么开关应该添加在什么位置？
分组实验验证，同时画出对应的电路图；做好了的小组派代表将画好的不同的电路图画在黑板上。
[提问]：上述五个图形中，能不能归类？说出你的归类依据。
分组讨论，教师巡回倾听学生的讨论情况，鼓励学生畅说欲言，并及时给予指导。
总结讨论结果：
[依据1]、按照电珠的连接方式分； [依据2]、按照电流的路径分；
教师点评：在这里我们按照电灯的连接方式分。[提问]、对照图分析：你有什么发现？
引导：（1、电流有几条路径？
2、若取下其中的任意一只电珠，另一只电珠是否继续发光？）
小组交流，归纳总结串联电路的特点：
1、电流的路径只有一条。
2、电器互相影响，有一个用电器开路，其他用电器就无法工作。教师点评：（1）、把元件逐个顺次连接起来的电路就叫做串联电路。小组交流，归纳总结：
[结论1]、左边连左边，右边连右边。
[结论2]、一列一列地连起来，就像队列比赛。
[结论3]、就像一条小河遇到两个渠道，水就分开流动，最后汇合在一起流动。
[提问]、在并联电路中，你有什么发现：
引导：（1）、电流的路径有几条？
（2）、取下一个电珠，另一个电珠是否发光？
师生共同总结并联电路的特点：
1、电流的路径有多条。
2、用电器互相不影响，一个开路，其他的用电器仍然工作。教师点评：把元件并列地连接起来的电路就叫做并联电路。
（三）、迁移创新：
（1）比较串联和并联电路中，你们还有什么发现吗？（2）演示实验：电珠的亮度。
（3）引导：是不是因为电池的电量不足呀？（换节电池，不解决问题）你们认为这个问题该怎样运用实验解决，请设计实验方案
（4）演示实验，引导学生做好实验记录
（5）师生共同总结：串联电路中，电珠连接越多，亮度会逐渐降低；
并联电路中，电珠个数对电珠亮度影响不大。
（四）、总结
今天，我们尝试两种不同的连接方法，不存在哪一种更好，哪一种更差的区别，具体的连接方式得看具体的连接电路的环境。
教学反思：
1、本节课在设计上一改旧教材教师演示，学生猜想，观察，教师引导从而区别串联和并联电路的做法，而放开让学生通过实验，获得直观认识，在本节课中有80%的学生连完本节课的并联电路，100%的学生连完了串联电路。通过本课的探究串并联电路电流特点中可以看到本次的设计是很成功的。
2、教学中充分抓住教学的契机，利用学生较为熟悉的供水做为例子，尊重学生已有的知识与经验，体现学生的学习过程是在教师的引导下自我建构、自我生成的过程。
教学目标： 1．知识与技能
（1）认识常见的电路符号，会画简单的电路图。（2）能连接简单的串、并联电路。（3）初步培养学生的电学实验操作技能。
（4）初步了解开关在电路中不同位置时的控制作用。2．过程与方法
（1）学习用实验的方法探究串、并联电路的区别，并通过实验培养学生的观察能力和科学探究能力。
（2）让学生经历从简单的物理现象和实验中归纳科学规律、并能口头或书面表达自己的观点的过程，体会到分析、归纳、论证在科学探究中的重要性。
3．情感、态度与价值观
（1）通过实验培养学生相互合作的精神和对科学的求知欲，体验战胜困难，解决物理问题的喜悦。
（2）通过列举生活、生产中的简单串、并联电路的实际应用，让学生认识科学技术对于人类生活、生产的影响。（3）使学生得到安全用电的初步教育。教具及实验器材：
多媒体课件，视频展示台，初中物理电学磁性元件一套，1．5V干电池60节，2．5V的小灯泡（灯座）60个，开关60个，导线若干。重点、难点：
重点：识别，连接串联电路和并联电路，画简单的串、并联电路图 难点：连接并联电路并画出电路图 教学方法：科学探究法 课时：1 教学过程：
一、复习并引入：
1．复习常见电路元件符号的画法。
2．出示一长串小彩灯，并接通电源使它发光。3．多媒体放映家庭照明电路中用电器工作情况。4．激发兴趣引入新课。
实际电路中，用电器往往不止一个，甚至有很多，如何将这些用电器连接起来是我们必须要考虑的问题。
二、探究教学
1．问题：你能否选用一些器材使一盏灯亮？
2．介绍常见实验器材。（提示学生任何情况下都不能把电池的两端连到一起；连接电路时开关要断开。）
3．学生在黑板上连通电路使灯泡发光后，要求全体学生画出电路图。4．提问：如果给你两盏灯和一个电源，你能同时使两灯都发光吗？有几种接法？（初步练习简单的电路设计，培养学生动手动脑的能力和相互协作的情感态度，体验战胜困难、解决问题的喜悦）师巡视，有目的地请两组学生到前面连接两种电路，画出电路图。5．学生上台利用磁性元件在黑板上连接电路，使灯泡发光，并画出电路图。
6．利用多媒体进行分析、归纳。引导学生观察这两种连接方式有什么不同？学生思考回答，师生共同小结：
①两个灯泡首尾相连，再接入电路中，则两个灯泡是串联 ②两个灯泡两端相连，再接入电路中，则两个灯泡是并联
在串联和并联电路中，如果有一灯的灯丝断了，另一只灯泡会发光吗？试一试。
学生操作后回答：
①串联电路：一灯拧下，另一灯也不亮
②并联电路：一灯拧下，另一灯还亮
7．学生动手、动脑，相互讨论，你们有什么发现？这种情况说明两种电路有怎样的特点？
学生讨论后归纳：串联电路，各用电器会同时工作：并联电路中各用电器独立工作，互不影响。
为什么串联电路和并联电路会有这样的不同?同学们可以想一想，在串联和并联电路中，电流是如何流动的？
（课件展示：类比河流的干路和支路）
学生看完展示后讨论回答：串联电路电流路径只有一条，并联电路电流路径有多条。
8．在教材图上画出电路闭合时电流的方向。学生独立完成后，小组交流，师巡视，让一生展示。9．探究开关对电路的控制作用。
设计电路，用开关让一灯熄灭时另一灯还继续发光。学生讨论、动手实验。师指导。
让一个小组介绍设计思路：并联电路用电器可以独立工作，在并联电路中的两个支路各加个开关。
小组观察回答：在并联电路中，干路开关控制所有用电器，支路开关控制本支路用电器。
在并联电路中，开关位置不同，对电路的控制作用不同，那么在串联电路中，开关的位置变了，对电路的控制作用会不会变呢？ 学生操作并交流后，得出结论：串联电路只要一个开关，开关的位置变了对电路的控制作用不变。
三、小结
在教师的指导下，学生完成对本节课的小结。（结合课件，展示总结出串联、并联电路的不同）
四、随堂练习：
1、判断下列电路是串联的，还是并联的（课件展示）
2、列举生活中用电器串联和并联的例子。
3、打开电冰箱的门，灯亮了，压缩机可能在工作，也可能不在工作。试分析灯和压缩机的连接方式，并画出电路图。
4、单位有前后两个门，前门来人时坐在传达室里的人看到红灯亮，后门来人时，绿灯亮。设计出电路，并画电路图。
五、布置作业：丛书
六、反思
新的学期，教研中心对物理教研提出了新的要求，我们泽头中学从领导到教师对本次教研也非常重视。学期开始，教导处就对本次活动进行了部署，全体物理教师在9月10日进行了学科教研。21日，将进行网上教研，23日在二中进行学习。
新课标倡导科学探究式学习方式，我在过去教学过程中只重知识讲解，而忽视学生的思考与接受，不会引导学生一步步探究，通过本节课的教学，我有下面的反思和体会：
1、教学中，我转变角色，成为一个组织者、引导者、评价者的角色。我相信学生的能力，大胆放给学生去探究，完全解除教师的“指挥棒”，让学生在“实验课题”的统领下，以自己的方式、自己的习惯、自己的情感和自己的认知规律去探索、去研究、去发现、去感悟、去体验。在探究式的教学中，我更多关注学生的基础、关注学生的困难、关注困难的学生、关注学习的过程。
2、“体验”是每个学生成长过程必需的，学生只有在参与中自己深刻体验成功，体验挫折，体验合作，体验质疑，体验挑战，才能健康成长。科学探究教学模式正是为每个学生提供了平等“参与”的机会，通过“体验”促进学生的健康成长，以更好地适应现代社会对人才发展的需要。学生发展的同时也促进了教师和整个教学的发展。在学生的探究过程中，学生提出了很多具有建设性的问题。
3、本次教研会，我们学校要积极学习其他学校的先进的教学经验和方法，使新学期教学迈上一个新的台阶。
泽头中学 邢小杰
“串联电路和并联电路”
教学设计
邢小杰 泽头中学
汽车预热电路和熄火控制电路的故障查找
1预热电路故障的查找 为了改善发动机性能,柴油发动机一般都配置了预热起动系统.预热起动系统中的.主要部件――电热寒通常安装在发动机缸体内靠近喷油器处,电热塞通电后形成800 ℃的高温,有效地帮助从喷油器射出的雾状柴油燃烧,使柴油发动机顺利起动.也有一些车的电热塞是安装在进气歧管的进气口中,让冷空气进入发动机前经预热升温,转换成发动机所需的热空气,使其在寒冷的天气也能正常发动.
作 者：张焦军 ZHANG Jiao-jun 作者单位：河南省焦作市东环路东方花苑1号楼,454002刊 名：汽车电器英文刊名：AUTO ELECTRIC PARTS年，卷(期)：“”(4)分类号：U463.142关键词：
CMOL电路继承了传统CMOS工艺, 不需要额外的生产设备, 成本会大大降低, 在摩尔定律面临日益严峻的挑战下, CMOL技术被认为是最有前途的替代传统CMOS技术之一[1~3]。然而, 纳米级尺寸的器件在非确定的化学自组装 (self-assemble) 工艺制造条件下, 其直径只有几个原子大小, 且由于一些不可控的因素, 将不可避免的产生各种缺陷, 如:纳米二极管常开 (stuck-open) 、纳米二极管常闭 (stuck-close) 、纳米线断开 (nanowire broken) 等, 缺陷率高达10-3~10-1, 这远远大于传统CMOS集成电路的10-9~10-7缺陷率[4]。因此, 为了在CMOL电路上实现正确的逻辑功能又能保持一定的良率, 针对缺陷的容错映射的研究显得十分必要。而在CMOL电路中, 只有少部分纳米器件参与到逻辑电路功能的实现, 其余大部分器件可作为冗余器件, 这为容错提供了基础。
CMOL电路单元映射过程通常分为两步:一是, 不考虑缺陷的初始单元映射, 主要根据连通域约束和输入输出 (IO) 配置约束完成电路单元映射, 这方面已有了大量的研究[5,6,7,8,9,10,11,12];二是, 为避开电路结构中的缺陷, 在缺陷器件周围的容错映射[6,13,14]。迄今为止关于CMOL电路单元容错映射的研究中, 主要是针对纳米线断开缺陷和纳米二极管常开缺陷[13,14]。虽然文献[6]用可满足性方法求解了存在多种纳米缺陷的容错问题, 但可求解的电路规模小, 并且求解时间长。
本文通过对CMOL电路中纳米二极管常闭缺陷对电路单元映射的影响机制进行分析, 提出了一种启发式容错策略, 与已有的可满足性方法相比, 提高了容错效率。
2 CMOL电路与容错映射
2.1 CMOL电路结构
CMOL电路是结合纳米交叉结构与CMOS技术的一种混合电路, 其剖面结构如图1 (a) 所示, 两层互相垂直交叉的纳米线位于CMOS单元栈的顶层, 纳米线交叉处是纳米二极管器件, 纳米线与CMOS单元由接口引脚进行连接, CMOL电路中有两种不同的接口引脚, 一种是顶层纳米线与CMOS单元之间的接口引脚, 另一种是底层纳米线与CMOS单元之间的接口引脚, 这构成了CMOS单元、接口引脚、纳米线、纳米二极管, 再到纳米线、接口引脚、CMOS单元这样的连接路径。在CMOL电路中, CMOS单元作为反相器 (inverter) , 纳米线实现"线或" (wire-OR) , 所以CMOL电路的基本逻辑功能是"或非/非";在CMOL电路结构上实现逻辑电路时, 首先要将逻辑电路转换成基于"或非/非"的形式, 逻辑门节点映射到CMOS单元 (CMOL单元) 上, 通过配置不同纳米二极管的开关状态, 就可以实现复杂的逻辑功能。
在CMOL电路结构的设计中, 考虑到制造过程带来的缺陷和长距离传输导致的信号衰减, 纳米线以一定长度周期性断开并且与CMOS单元成一定的角度, 如图1 (b) 所示。CMOL电路特殊的纳米线结构使得一个CMOS单元只能和附近的M=2r (r-1) -1个有限单元直接连接, 从而构成了所谓的连通域 (connectivity domain) , 称r为连通域半径。设两个单元c1、c2的右上角顶点坐标分别为 (x1, y1) 、 (x2, y2) , 若它们的曼哈顿距离|x1-x2|+|y1-y2|≤r, 则认为c1在c2的输入连通域内, 图1 (b) 中的11个浅灰色单元就是深灰色单元在r=3时的输入连通域。
2.2 容错映射
实际上, 在CMOL电路制造等过程中会给CMOL电路结构引入各种缺陷, 纳米二极管常闭缺陷是最常见的缺陷类型之一。如图2所示, "实点"的纳米二极管的表示为"常闭缺陷", 即始终处于"on"状态, 如d1、d2;"空点"的表示正常的钠米二极管, 可以设置为"on"或者"off"。假设在图2的CMOL电路上实现逻辑, 由于纳米二极管d2处于常闭状态, 逻辑变量z通过纳米线w1、纳米二极管d2、纳米线w2的路径传到f, 实现f的逻辑表达式中将有逻辑变量z, 会产生逻辑错误;必须对z或者f重新配置单元, 如把f配置到t, 得到, 或者把z配置到t, 得到, 从而避免因常闭缺陷而引入新的逻辑变量到f中。
对于图2中的常闭纳米二极管d2, 对应的两条纳米线w1、w2相连的单元c1、c2处于常闭连接状态, 如果对单元c1和c2都弃之不用, 将会造成很大的资源浪费。分析表明, 利用常闭缺陷连接单元实现逻辑电路功能有两种途径:一是, 单元c1和c2只用其中一个;二是, c1和c2都用, 但需满足条件:当一个或非门配置到单元c2时, 单元c1必须被该或非门的一个扇入占用, 而如果单元c1不是被该或非门的扇入占用, 将会引入一个新的扇入到该或非门, 造成逻辑错误。设逻辑电路的门节点集合为G, CMOL电路单元集合为C, g∈G, c∈C, 用pgc表示门节点g配置到单元c上, 容错映射的约束关系表示为:
其中, 表示单元c被门节点g占用, 表示单元c没有被占用 (即为空白单元) ;表示门节点g1是g2的扇入。
容错映射过程还必须遵循初始单元映射的约束条件: (1) 每一个CMOL单元最多被一个门映射; (2) 每一个门必须映射到有且仅有一个CMOL单元上; (3) 有连接关系门的映射单元的曼哈顿距离必须小于等于连通域半径; (4) 电路中的I/O只能映射到CMOL阵列的四周单元。根据以上约束条件, 重新配置电路中有错误连接的门节点到合适的CMOL单元上, 以实现容错映射。
3 提出的方法
对于给定的一个初始单元映射和一个缺陷图dmap (描述CMOL单元常闭缺陷连接信息) , 先根据缺陷图对电路中的门节点进行评估 (evaluation) , 然后根据评估值选择 (selection) 门节点, 最后以电路中的错误连接数为成本值, 对选择的门节点重新配置单元 (allocation) , 以达到缺陷容忍 (也称之为"容错") 的目的。
3.1 缺陷图的生成
模拟缺陷信息是CMOL电路容错技术研究过程中非常重要的一步, 缺陷图记录每个单元与连通域中单元之间的缺陷连接状态。图3中的箭头表示单元间的常闭缺陷连接, 如单元c1与c2、c2与c3、c2与c4。对于c2的常闭缺陷连接单元c3, 如果c3在c1的连通域内, 由于常闭连接的传递性, c1与c3之间也有常闭缺陷连接, 如虚线箭头所示;而c4不在c1的连通域内, 它们不能直接连接。常闭缺陷图生成的步骤如下:
步骤1:对于每一个单元ci, 在其连通域内随机生成与该单元有常闭连接缺陷的单元, 并存入集合Di中。如图3可表示为D1={c2}、D2={c3, c4}、D3=D4={}。
步骤2:以单元ci为根节点, 深度遍历由集合D构成的图, 当遍历到的节点单元在ci的连通域内, 则存入集合D'i中, 若节点单元不在ci的连通域内或节点单元的常闭连接单元集合为空或又遍历到节点单元ci时结束。对于图3中的单元c1, D1中的c2在c1的连通域内, 则把c2存入集合D'1;假设D2中的单元c3也在c1的连通域内, c3也存入集合D'1, 而D3为空, 则返回;D2中的单元c4不在c1的连通域内, 则返回, 从而有D'1={c2, c3}, 即c1的常闭缺陷连接单元集合。
根据以上步骤生成CMOL电路单元常闭缺陷图, 并应用于容错映射过程中。
3.2 门节点的评估与选择
在评估过程中, 首先要识别注入缺陷图后的逻辑门之间的错误连接。设门节点g配置到单元c, 只有当c的输入输出常闭缺陷连接单元为空白单元 (没有被其他门节点占用) 或只被g的扇入扇出占用时, 逻辑功能才正确;相反地, 当单元c的输入输出常闭缺陷连接单元中有不是g的扇入扇出占用时, 就会引入新的逻辑变量与g连接, 发生逻辑错误。如图4 (a) 的逻辑电路, {i1, i2, i3}为输入, {g4, g5, g6}为"或非/非"门, 其中g6为输出信号门。由于逻辑电路的每个输入在映射过程中也占用一个CMOL单元, 等效为一个门, 也称之为门节点。图4 (a) 逻辑电路的映射情况如图4 (b) 所示, 其中每一个正方形表示一个CMOL单元, "箭头"表示单元间的常闭缺陷连接, 即从一个单元指向它的输出常闭连接单元, 如单元c2是单元c4的输出常闭连接单元。在图4 (b) 中, 门g4配置到单元c4, 而单元c4的输出常闭缺陷单元c2正好被g4的扇出g6占用;单元c4的输入常闭缺陷单元c7、c8分别被门节点i1、g5占用, 而g5不是g4的扇入, 却配置到了单元c4的输入常闭缺陷连接单元上, 产生逻辑连接错误;而g4的另一个扇入i2配置到单元c9, 可以通过设置连接单元c4与c9的纳米二极管为"on"就可以实现逻辑连接。
设门节点g配置到单元c, c的输入和输出常闭缺陷连接单元分别为{ci1, ci2, …, cin}、{co1, co2, …, con}, 其中被占用的单元 (非空白单元) 个数分别为Niall、Noall, 而其中有g的扇入、扇出个数为Niis、Nois, 则不是门节点g的扇入扇出占用的常闭缺陷单元总个数为 (Niall-Niis) + (Noall-Nois) , 这就是与节点g有关的错误连接数。用门节点配置单元的输入输出常闭缺陷连接单元中, 非扇入扇出占用的单元个数与总的被占用的单元个数的比值作为评价每个门节点的标准, 记为评估函数eva, 定义为:
其中eva在[0, 1]之间, 当函数evai越大时, 表明门节点gi的缺陷连接率越大。
选择有缺陷连接的门节点进行单元重新配置, 实现正确的逻辑电路功能。用评估函数与一个随机数比较来选择门节点, 选择关系表达式为:
其中rand为[0, 1]之间的一个随机数, b为一个偏值因子, 与映射中边的缺陷连接率有关, 用来调节再配置门的数量, 当缺陷连接率较大时, b值应小些, 缺陷率较小时, b值应大些, 以增大算法搜索空间。而evai越大, 门gi被选择再配置的概率就越大, 反之亦然。即使evai接近于0, 门gi也有一个非0的概率被选择再配置。
3.3 单元配置与成本函数
选择的门节点重新配置到合适的CMOL单元上, 在避开电路缺陷的同时, 还要遵循初始单元映射的约束条件。在门节点重新配置之前, 先求可配置的单元区域, 称之为修复区域 (repair region) , 记为R。修复区域R即为该门节点扇入配置单元的输出连通域和扇出配置单元的输入连通域的交叉区域, 门节点在修复区域内重新配置, 就不会破坏初始单元映射的连通域约束。如图5 (a) 的逻辑电路, 门g的修复区域R就如图5 (b) 的灰色区域, 即为扇入门A、B的配置单元的输出连通域 (虚线框) 与扇出门F的配置单元的输入连通域 (双点划线框) 的交叉区域。当修复区域R中的单元为空白单元 (没有被其它门节点占用) 时, 门g可直接配置到此单元;当R中的单元被其它门节点占用时, 同时需要求出占用该单元的门节点的修复区域, 只有两个门节点的配置单元在彼此的修复区域内, 才能进行成功配置。
常闭缺陷连接的单元只有为空或者只被其扇入扇出占用时, 才能实现正确的逻辑功能;当常闭缺陷连接单元个数大于其扇入扇出个数时, 必定有一些单元不能被占用, 即始终处于空白单元状态。例如, 门gi配置到单元ci, gi有3个扇入, 而单元ci有5个输入常闭缺陷连接单元, 当这3个扇入都配置到输入常闭缺陷连接单元时, 最少有2个单元不能被占用。减少不能被占用的空白单元, 可以增加电路映射的成功率, 所以优先将扇入扇出配置到有常闭缺陷连接的单元。
每一个CMOL单元都用不同的纳米二极管连接, 门节点g在修复区域内移动, 从一个有缺陷连接的单元移动到一个没有缺陷连接的单元。用电路中总的缺陷连接数作为成本值来衡量门节点每次配置的优劣, 成本值定义如下:当
其中ci、co分别为门gi、go的配置单元, N (ci, c0) =1表示单元ci、co之间有常闭连接缺陷;pgc=1表示单元c被门节点g占用, 反之pgc=0表示单元c没有被占用;θ (ci, c0) 表示两个常闭缺陷单元ci、co的配置状态, θ=1表示单元配置有错误。在修复区域R中选择有最小成本值的配置, 当有多个最小成本值配置时, 选择与扇入扇出配置单元有更多常闭连接的单元配置。设初始单元映射为φinit, 缺陷图为dmap, 容错映射算法步骤如下:
步骤1:根据缺陷图信息, 对初始映射电路中的所有门节点进行评估, 即根据式 (3) , 求每个门节点的评估值evai。
步骤2:根据选择关系式 (4) , 选择要重新配置的门节点。
步骤3:对选择的门节点重新配置单元:
(1) 先求出门节点的修复区域R。
(2) 该门节点的配置单元与修复区域里的每个单元进行预交换, 并根据式 (5) 、 (6) 求出交换后的成本值, 把具有最小成本值的交换单元存入集合P中;再从集合P中选择Nois+Niis最大的单元, 门节点就配置到此单元。
重复以上步骤, 直到容忍CMOL电路结构中所有缺陷, 实现正确的逻辑电路功能。
4 实验结果与分析
提出的算法在随机分布的钠米二极管常闭缺陷模型下, 采用ISCAS'89标准测试电路, 在连通域半径r=18, 与可满足性方法 (SAT) [6]进行比较, 算法读入的初始单元映射用课题组提出的LRMA[10]算法产生。算法用C语言实现, 并在Linux操作系统及Intel Core i3-2130 3.40 GHz CPU, 2GB RAM的PC环境平台运行。选择过程的偏值取[-0.06, 0.05], 算法当使得解的成本值为0或达到最大迭代次数4000或经过多次 (如100) 迭代后解的成本值不变时结束。测试结果中的每一项数据都是在5个不同的初始单元映射 (φinit) 、10张不同缺陷图 (dmap) 分别运行10次后取的中间值 (5×10×10=500run) 。
表1为纳米二极管常闭缺陷密度p=0.1%时的实验结果比较, 其中, "单元"表示初始单元映射中已配置的CMOL单元总数;"面积"为分配的CMOL阵列的大小, 即row×column;"时间"为运行程序时CPU的耗时, 单位为秒;SAT表示可满足性方法[6]。从表1中可以看出, SAT方法仅能求解小规模的电路, 如s27, 对大部分电路都无法求解, 即"UNSAT", 而本文方法在一个较合理的时间里可以求解更大规模的电路。可满足性方法把电路映射的所有约束条件用布尔条件表示, 并寻找一个精确解, 即为可满足性解, 在CMOL电路的单元容错映射中, 约束条件过多, 导致可满足性求解器很难求解;而本文提出的启发式方法在门节点的选择上具有随机性, 从而具有很强的爬坡能力, 可以求解更大规模的电路。
5 结束语
一、课程题目……………………………………………….2
二、设计要求……………………………………………….2
三、系统框图及说明………………………………………..2
四、单元电路设计…………………………………………..4
五、仿真过程与效果分析
………………………………….12
六、体会总结……………………………………………….13
七、参考文献………………………………………………13
《一》课程设计题目：
交通灯控制电路设计
《二》设计要求：
1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支 干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行时间为20秒，时间可设置修改。
2、在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；
3、黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。
4、东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用计时的方法）。
5、同步设置人行横道红、绿灯指示。
《三》系统框图及说明：
1、分析系统的逻辑功能，画出其框图
交通灯控制系统的原理框图如图 1-1 所示。它主要由计时电路、主控电路、信号
灯转换器和脉冲信号发生器组成。脉冲信号发生器用的是 555 定时器；计时计数器是
由74LS160 来完成、输出四组驱动信号T0 和T3 经信号灯转换器(4 片7448)来控制信
号灯工作，主控电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。
（图1-1）
2、信号灯转换器
状态与车道运行状态如下：
S0：支干道车道的绿灯亮，车道通行，人行道禁止通行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行
S1：支干道车道的黄灯亮，车道缓行，人行道禁止通行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行
S2：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行；主干道车道的绿灯亮，车道通行，人行道禁止通行
S3：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行；主干道车道的黄灯亮，车道缓行, 人行道禁止通行
G1=1：主干道绿灯亮 Y1=1：主干道车道黄灯亮
R1=1：主干道车道红灯亮，人行道绿灯亮；南北方向人行道红灯亮
G2=1：支干道车道绿灯亮
Y2=1：支干道车道黄灯亮
R2=1：支干道车道红灯亮，人行道绿灯亮；东西方向人行道红灯亮
四．单元电路设计
1．主控电路：
1).原理：
通过一片 74LS160，选择其 4 个状态、分别为(00 01 10 11)分别表示主绿支红、主黄支红、主红支绿、主红支00->(30 秒)01->(5 秒)10->(20 秒)11（5 秒）{循环图}。中间延时通过计时电路来实现。
2).原器件的选择及参数：
若选集成计数器74160，74160 是一个具有同步清零、同步置数、可保持状态不变的4 位二进制加法计数器。表1-1 是它的状态表。
表1-1 74160 的状态表
CLR
LOAD
ENP
ENT
CLK
A B D C
QA QB OC OD
0
X
X
X
X
X X X X
0
0
0
0
0
0
0
POS
X X X X
A
B
C
D
POS
X X X X
Count
X
X
X X X X
QA0 QB0 QC0 QD0
X
X
X X X X
QA0 QB0 QC0 QD0
设状态编码为：S0=0000
S1=0001
S2=0010
S3=0011，则其状态表为：
表1-2
状态编码与信号灯关系表
Qd Qc Qb Qa
G1
Y1
R1
G2
Y2
R2
0 0 0 0
0
0
0
0
0 0 0 1
0
0
0
0
0 0 1 0
0
0
0
0
0 0 1 1
0
0
0
0
态的相应控制来分别实现30 秒、5 秒、25 秒。通过7448（2 片）译码器和数码管的连接 的连接实现几个灯时间的显示。
2).原器件的选择及参数：
若选集成计数器74160（2片），采用同步整体置数。译码器7448（2片）、7段
数码管（2个）等。
表1-3 7447 状态表
Inputs
Outputs
No.LT
RBI
D C B A
BI/RBO | a b c d e f g
----|----|-----|-----------|--------|--------------
0 | 1 | 1 | 0 0 0 0 |
| 1 1 1 1 1 1 0
| 1 | X | 0 0 0 1 |
| 0 1 1 0 0 0 0
| 1 | X | 0 0 1 0 |
| 1 1 0 1 1 0 1
| 1 | X | 0 0 1 1 |
| 1 1 1 1 0 0 1
----|----|-----|-----------|--------|--------------
| 1 | X | 0 1 0 0 |
| 0 1 1 0 0 1 1
| 1 | X | 0 1 0 1 |
| 1 0 1 1 0 1 1
| 1 | X | 0 1 1 0 |
| 0 0 1 1 1 1 0
| 1 | X | 0 1 1 1 |
| 1 1 1 0 0 0 0
----|----|-----|-----------|--------|--------------
| 1 | X | 1 0 0 0 |
| 1 1 1 1 1 1 1
| 1 | X | 1 0 0 1 |
| 1 1 1 0 0 1 1
表 1-4 状态编码与时间关系表
开关(s)A
B
C
时间（T）
0
0
0
0
0
0
3）电路接法如下：
3.支干道计时电路
1)原理：
通过 74LS160(2 片)采用串行同步整体置数级连和下一个状态的相应控制来
分别实现30秒、5秒、25秒。通过7448（2片）译码器
和数码管的连接的连接实现几个灯时间的显示。
2).原器件的选择及参数：
若选集成计数器 74160（2 片），采用同步整体置数。译码器 7448（2 片）、7
段数码管（2个）等。基本上与主干道计时电路一样。
表 1-5 状态编码与时间关系表
开关(s)A
B
C
时间（T）
0
0
0
0
0
0
计数器选用集成电路74190 进行设计较简便。74190 是十进制同步可逆计数器，它
具有异步并行置数功能、保持功能。74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD 的输出数据间接实现清零功能。
表 1-4
74190 的状态表
CTEN D/U CLK LOAD
A B C D
QA QB QC QD
0
X
X
0
X X X X
A
B
C
D
0
POS
X X X X
Count Down
0
0
POS
X X X X
Count Up
X
X
X
X X X X
Qa0 Qb0 Qc0 Qd0
图1-5
现选用两个 74190 芯片级联成一个从 99 倒计到 00 的计数器，其中作为个位数的
74190 芯片的CLK 接秒脉冲发生器（频率 为 1），再把个位数 74190 芯片输出端的QA、QD 用一个与门连起来，再接在十位数 74190 芯片的CLK 端。当个位数减到0时，再减1
就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的 QA、QD 同时由 0 变为1，把QA、QD 与
起来接在十位数的CLK 端，此时会给十位数 74190 芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。具体连接方法如图 1-5所示。
信号 LD 由两个芯片的8 个输出端用或门连起来，决定倒计时是置数，还是计数
工作开始时，LD为0，计数器预置数，置完数后，LD 变为 1，计数器开始倒计时。当倒
计时减到数00 时,LD 又变为 0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。
图 1-6
预置数（即车的通行时间）功能：如图 1-6所示，８个开关分别接十位数 74190 芯
片的D、C、B、A 端和个位数 74190 芯片的D、C、B、A 端。预置数的范围为6～98。
假如把通行时间设为45 秒，就像图１-5的接法，A 接 0，B 接 1，C 接 0，D 接 0，E 接
0，F 接 1，G 接 0，H 接 1。（接电源相当于接 1，悬空相当于接 ０）
图 1-7
向译码器提供模5 的定时信号T5 和模0 的定时信号T0,它表示倒计时减到数“00”
（也即绿灯的预置时间，因为到00时，计数器重新置数），T =1，此时T 给译码器一个脉
冲号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法 为：把两个74190 计数
器的8 个输出端用一个或非门连起来。T 表示倒计时减到数“05”时。T =1，此时T 给译
码器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯的不变。接法为：当减到数为“05”
（0000 0101）时，把十位计数器的输出端QA.QB、QC、QD连同个位计数器的输出端QB、QD用一个或非门连起来，再把这个或非门与个位计数器的输出端QA、QC用一个与门连接
起来。具体连接方法如图1-7 所示。
4、黄灯闪烁控制
要求黄灯每秒闪一次，即黄灯0.5 秒亮，0.5 秒灭，故用一个频率为2 的脉冲与控制黄
灯的输出信号用一个与门连进来，再接黄灯。
图 1-8
《五》 仿真过程与效果分析
1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有4 个时间显示器，10 个交通灯。但由于 4 个时间显示器是由同一个倒计时计数器控制，所以我在设计图 1-8 电路的过程中，为了简化电路使画图看起来更加清晰，就只接了1 个时间显示器。
另外由于人行道的红绿灯跟车道的红绿灯是同步的，分别是：东西方向人行道的绿灯接车道的红灯，红灯接南北方向车道的红灯；南北方向人行道的绿灯接车道的红灯，红灯接车道的红灯。所以在图1-8 电路中就只接了6 个灯。
2、为了使电路更加直观，我把计数器、信号灯灯转换器等放在一个名为main 的子电路中。然后再在子电路外面接输入端和输出端。
3、点击启动按钮，然后再打开总开关，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为45 秒，打开总开关，东西方向车道的绿灯亮，人行道的红灯亮；南北方向车道的红灯亮，人行道的绿灯亮。时间显示器从预置的 45 秒，以每秒减 1，减到数 5 时，东西方向车道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。减到数 1 时，1 秒后显示器又转换成预置的45 秒，东西方向车道的黄灯转换为红灯，人行道的红灯转换为
绿灯；南北方向车道的红灯转换为绿灯，人行道的绿灯转换为红东西方向灯。如此循环下去。
4、修改通车时间为其它的值再进行仿真（时间范围为6~98 秒），效果同3 一样，总开关一打开，东西方向车道的绿灯亮，时间倒计数 5，车灯进行一次转换，到0 秒时又进行转换，而且时间重
置为预置的数值，如此循环。
《六》体会总结
1、通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中，我总共想过两个方案，另一个方案弄了两天，结果总是实现不了题目的要求。所以我又花了一天的时间做出这个方案，这个相对另一个方案比较简单，包括电路原理和连接，和芯片上的选择。这个方案总共只用了四个芯片，分别为 2 个74190 计数器，2个 JK触发器。
2、在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。所以这几天不管是吃饭还是睡觉，脑子里总是想着如何解决这些问题，如何想出更好的连接方法。不过说也奇怪，整天想着这些问题，脑子和身体却一点都不会觉得累。或许是那种渴望得到知识的欲念把疲劳赶到九宵云外去了吧！
3、我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。《七》
