Методические рекомендации по выполнению практических работ по ПМ.01 Проектирование цифровых устройств по специальности Компьютерные системы и комплексы
методическая разработка

БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА – ЮГРЫ

«ЛАНГЕПАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

ФИЛИАЛ В ГОРОДЕ ПОКАЧИ

Методические рекомендации

Организация и проведение

практических работ

по ПМ.01 «Проектирование цифровых устройств»

МДК 01.01 «Цифровая схемотехника»

по специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»

Покачи

2016

«Организация и  проведения практических работ по ПМ.01 «Проектирование цифровых устройств» МДК 01.01 «Цифровая схемотехника по специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»»: методическое пособие. - БУ  «Лангепасский политехнический колледж» Филиал в городе Покачи

Разработчики/ Составители:

А.Р.Ахметгареева, преподаватель высшей категории

Данное пособие содержит рекомендации по организации и проведению практических работ.

          Рассмотрено на заседании ПЦК  мастеров п/о и преподавателей общепрофессионального и профессионального     циклов                                                          

Протокол №  7 от 01.06.2016г.

Рекомендовано Методическим советом БУ  «Лангепасский политехнический колледж» Филиал в городе Покачи

Протокол № 1 от 01.09.2016г.

Предисловие

        Методические указания для выполнения практических работ являются частью основной профессиональной образовательной программы по специальности 09.02.01  «Компьютерные системы и комплексы», в соответствии с требованиями  ФГОС СПО третьего поколения.

        Методические указания по выполнению практических  работ адресованы  студентам очной формы обучения.

        Методические указания созданы в помощь для работы на занятиях, подготовке к практическим работам, правильного составления отчетов.

        Приступая к выполнению практической работы, необходимо внимательно прочитать цель и задачи занятия, ознакомиться с требованиями к уровню подготовки в соответствии с федеральными государственными стандартами третьего поколения (ФГОС-3), краткими теоретическими и учебно-методическими материалами по теме практической работы, ответить на вопросы для закрепления теоретического материала.

        Все задания к практической работе необходимо выполнять в соответствии с инструкцией, анализировать полученные в ходе занятия результаты по приведенной методике.

        Отчет о практической работе необходимо выполнить по приведенному алгоритму, опираясь на образец.

        Наличие положительной оценки по практическим работам необходимо для получения допуска к экзамену по ПМ.01 «Проектирование цифровых устройств» МДК 01.01 «Цифровые устройства», поэтому в случае отсутствия на занятии по любой причине или получения неудовлетворительной оценки за практическую  работу необходимо найти время для ее выполнения или пересдачи.

Правила выполнения практических работ

        1. Студент должен прийти на практическое занятие подготовленным к выполнению практической работы.

        2. После проведения практической работы студент должен представить отчет о проделанной работе.

        3. Отчет о проделанной работе следует выполнять в журнале практических работ на листах формата А4 с одной стороны листа.

Оценку по практической работе студент получает, если:

- студентом работа выполнена в полном объеме;

- студент может пояснить выполнение любого этапа работы;

- отчет выполнен в соответствии с требованиями к выполнению работы;

- студент отвечает на контрольные вопросы на удовлетворительную оценку и выше.

        Зачет по выполнению практических работ студент получает при условии выполнения всех предусмотренных программой практических работ после сдачи журнала с отчетами по работам и оценкам.

Внимание! Если в процессе подготовки к практическим работам возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, необходимо обратиться к преподавателю для получения разъяснений или указаний в дни проведения дополнительных занятий.

Обеспеченность занятия

1.Учебно-методическая литература:

Основные источники:

1. Богомолов С.А. Основы электроники и цифровой схемотехники - М.:  Издательский центр «Академия», 2016
2. Кистрин А.В. Проектирование цифровых устройств -  М.:  Издательский центр «Академия», 2016

Дополнительные источники:

1. Бабич Н.П., Жуков И.А. Основы цифровой схемотехники. Учебное пособие- М.:  ДМК Пресс, 2016

2. Харрис Дэвид М., Харрис Сара Л. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. пособие- М.:  ДМК Пресс, 2016

3.Технические средства обучения:

            1) персональный компьютер

            2) проектор

            3) интерактивная доска

4.Программное обеспечение: Microsoft Office.

Порядок выполнения отчета по практической работе

1. Ознакомиться с теоретическим материалом по практической работе.

2. Записать краткий конспект теоретической части.

3. Выполнить предложенное задание согласно варианту.

4. Продемонстрировать результаты выполнения предложенных заданий преподавателю.

5. Записать выводы о проделанной работе.

6. Ответить на контрольные вопросы.

Практическая работа №1

Шифраторы и дешифраторы

Цель работы: изучить шифраторы и дешифраторы, составить их таблицы истинности.

Используя простейшие логические элементы, можно сконструировать более сложные устройства, реализующие соответствующие функции. Такими устройствами являются, например, шифраторы и дешифраторы.

Шифраторы, назваемые также кодерами, могут осуществлять преобразование десятичных чисел (позиционный код) в двоичную систему счисления. Шифратор работает следующим образом: шифратор имеет n входов, в текущий момент времени только на один из которых подается сигнал (это вход будет активным); по номеру активного входа на выходах дешифратора формируется двоичных код, соответствующей позиции активного входа. Например, если активным был пятый вход, то на выходах будет комбинация (за исключением старших нулей): 510=1012.

Дешифратор или декодер выполняет обратную по отношению к шифрованию операцию, т.е. преобразует двоичный код в десятичный. Входы дешифратора служат для подачи двоичных числе, а выходы последовательно нумеруются десятичными числами. При подаче на входы двоичного числа выходной сигнал появляется на выходе, который имеет номер соответствующего десятичного числа.

Существует два типа дешифраторов: логические дешифраторы и дисплейные дешифраторы/формирователи. Логические дешифраторы представляют собой схемы средней интеграции (микросхемы, имеющие с своем составе до 100 ЛЭ), управляемые адресом. Они выбирают и приводят в активное состояние конкретный выход определяемый адресом. Дешифраторы применяются в структурах выборки адреса запоминающих устройства, разуплотнения маршрутизации данных и т.п.

1. Шифратор.

Рис.1. Восьмивходовый шифратор на логических элементах «ИЛИ» и его таблица истинности.

Собрать схему, представленную на рис.1, и составить таблицу истинности для нее. Убедиться, что она реализует соответствующую функцию (вырабатывает на выходах двоичных код, соответствующий номеру заданного входа).

2. Приоритетный шифратор на микросхеме.

В микросхемном исполнении имеются так называемые приоритетные шифраторы, в которых при нажатии на несколько клавиш на выход будет выеден номер большей из них. Для этого микросхема внутри дополняется логикой выбора приоритета.



Рис.2. Приоритетный шифратор и его таблица истинности.

Собрать схему, представленную на рис.2, и составить таблицу истинности. Убедиться, что она соответствует приведенной на рисунке.

3. Дешифратор на логических элементах

Рис.3. Трехвходовый дешифратор на логических элементах «И» и «НЕ». Его таблица истинности.

Соберите схему, показанную на рис.3, и составьте для нее таблицу истинности. Проверьте совпадение с таблицей, приведенной на рисунке.

4.  Преобразователь кода для семисегментного индикатора.

Дешифраторы и дисплейные дешифраторы/формирователи формируют цифровые коды для семисегментного индикатора, и затем обеспечивают передачу кода на формирователь или непосредственно на дисплей. В семисегментном индикаторе десятичных цифр каждый сегмент (их семь) представляет собой отдельный светоизлучающий элемент (используется также буквенная идентификация сегментов, соответственно от a до g). Светящееся изображение цифр или знаков получается при подаче напряжения на определенные сегменты:

Такой преобразователь кода должен удовлетворять таблице истинности, приведенной ниже:




Рис.6 Дешифратор для 7-сегментного индикатора на логических элементах.
Собрать схему, показанную на рис.6, и проверить ее работу в соответствии с представленной таблицей истинности.

5.  Дешифратор для 7-сегментного индикатора на микросхеме.

Данный дешифратор преобразует двоично-десятичный код (binary-decimal code), подаваемый на входы A,B,C,D, в код управления 7-сегментным индикатором. Двоично-десятичный код представляет собой упорядоченный по разрядам набор двоичных чисел, в котором разрядам приписаны следующие «веса» в порядке уменьшения старшинства. D – 8, С – 4, В – 2, A – 1. Поэтому данный код называют также кодом 8-4-2-1. Фактически в этом коде записаны десятичные числа от 0 до 15 во входных переменных таблицы истинности:




Рис.7. Дешифратор кода для 7-сегментного индикатора на микросхеме 7448.

Собрать схему на рис.7 и проверить ее работу (соответствие двоичного кода на входах дешифратора и показаний индикатора).

Содержание отчета:
А) наиболее важные схемы
Б) таблицы истинности для всех схем
В) выводы по работе
Вопросы:

1. Объясните принцип действия шифратора.
2. Объясните принцип действия дешифратора.
3. Какие особенности имеет дешифратор кода для 7-сегментного индикатора?
4. Где применяются шифраторы и дешифраторы?

Отчет по работе:

Цель работы: изучить шифраторы и дешифраторы, составить их таблицы истинности.

Рабочая среда: электронная программа «Electronics Workbench»

1)Дешифратор кода для 7-сегментного индикатора на микросхеме 7448.

таблица истинности:

2) Трехвходовый дешифратор на логических элементах «И» и «НЕ»





3) Приоритетный шифратор и его таблица истинности.

4) Восьмивходовый шифратор на логических элементах «ИЛИ» и его таблица истинности.





Вывод: 

в данной лабораторной работы были составлены схемы включения шифраторов и дешифраторов в среде Electronics Workbench , полученные таблицы истинности оказались верны.

Практическая работа №2.

«Работа в Electronics Workbench. Основы имитации цифровых устройств. Элементарные логические функции. Логический синтез вычислительных схем».

1. Цель работы:

1.1. Познакомиться с работой в программе Electronics Workbench, а также с элементами, требуемыми для работы с логическими и цифровыми схемами.

1.1. Изучить элементарные логические операции.

1.2. Изучить законы алгебры логики.

1.3. Научиться синтезировать вычислительные схемы устройств.

1. Изучить и проверить основные тождества алгебры логики.

2. Общие сведения.

ElectronicsWorkbench представляет собой программное обеспечение для имитации процессов, происходящих в электронных схемах. ElectronicsWorkbench позволяет имитировать работу как аналоговых, так и цифровых электронных схем.

Основное окно программы включает в себя главное меню, панели с наборами элементов схем и окно для сборки электронной схемы. В правом верхнем углу находится выключатель для запуска процесса имитации.

На рис. 4.1. представлены основные приборы (панель Instruments), используемые при работе со схемами цифровых устройств. Это WordGenerator (Генератор слов) и Logic Analyzer (Логический анализатор).

Word Generator

(Генератор слов)

Logic Analyzer

(Логический анализатор)

Рис. 4.1. Инструменты «Electronics Workbench».

Выходы (1-16)

1

16

а) условное обозначение на схеме;

б) Основное окно

Рис. 4.2. Генератор слов.

Настройка генератора слов. Левая часть основного окна генератора слов (поле со полосой прокрутки) представляет собой набор из четырехзначных шестнадцатеричных чисел. Диапазон значений этих чисел от 0000 доFFFF(от 0 до 65535 в десятичной системе счисления), максимальное количество чисел в наборе 999. При активизации генератора шестнадцатеричное число побитно передаётся на соответствующие выходы.

Для изменения последовательности битов подаваемых на выходы генератора можно использовать несколько вариантов:

• набрать шестнадцатизначный двоичный код числа в строке «Binary» (это автоматически изменит шестнадцатеричный код, отображаемый в строках левой части генератора);
• изменить шестнадцатеричный код, отображаемый в строках левой части генератора;
• в строке «ASCII» записать соответствующийASCIIсимвол.

Управление выходом генератора.Для того чтобы обеспечить повторение подаваемых на выход генератора слов необходимо «зациклить» генератор, включив опцию «Cycle» в поле «Address». Включение опции «Step» обеспечить пошаговую подачу слов на выход генератора при каждом нажатии на кнопку «Step».

Адресация в генераторе слов. Каждое слово в окне генератора имеет свой уникальный адрес, соответствующий шестнадцатеричному номеру из диапазона 000 до 3E7. При вводе или редактировании какой-либо строки в поле «Address» отображается её характеристики, а именно:

«Edit» - адрес слова, на котором стоит указатель;

«Current» - адрес редактируемого в данный момент слова;

«Initial» - адрес, которого начинается подача слов на выход генератора при его запуске;

«Final» - адрес, которым заканчивается подача слов на выход генератора при его запуске.

Частота следования слов для генератора. Частота следования слов изменяется с помощью поля «Frequency». Каждое последующее слово в режиме «Cycle» подается на выход генератора по истечении одного периода следования.

Оставшиеся элементы управления и функции генератора в работах не используются, поэтому студентам предлагается самостоятельное их изучение.

Логический анализатор, представленный на рис. 4.3, используется для отображения уровней логических сигналов и их изменения во времени.

а) условное обозначение б) основное окно.

на схеме;

Рис. 4.3. Логический анализатор.

Red Probe

(логический пробник)

Seven-Segment Display

(Семисегментный индикатор)

Decoded Seven-Segment Display

(Семисегментный индикатор с дешифратором)

Рис. 4.4. Индикаторы «Electronics Workbench».

На рис. 4.4. показаны основные индикаторы, используемые при построении цифровых схем.

К ним относятся:

- Red Probe(RP-Логический пробник)

- Seven-Segment Display(SSD-Семисегментный индикатор)

- DecodedSeven-Segment Display(DSSD-Семисегментный индикатор с дешифратором)

а) RP; б)SSD; в)DSSD.

Рис. 4.5. Условные обозначения индикаторов на схеме.

Логический пробник, показанный на рис. 4.5 (а), представляет собойLEDиндикатор, который загорается при подаче на его вход логической «1». Пробник может быть использован для индикации «высокого» и «низкого» уровня сигналов в цифровых схемах, а также для графического отображения работы различных счетчиков.

Семисегментный индикатор, показанный на рис. 4.5 (б), отображает состояние своих входов, т.е. при подаче на один из входов логической «1» загорается соответствующий сегмент.

Семисегментный индикатор с дешифратором, показанный на рис. 4.5 (в), проще в использовании по сравнению с семисегментным индикатором, так как каждое шестнадцатеричное число (от 0 до 9 и отAдоF) отображается, когда на входы поступает его двоичный код.

Алгебра логики – это раздел математической логики, значение всех элементов (функций и аргументов) которой определены в двухэлементном множестве: 0 и 1. Алгебра логики оперирует с логическими высказываниями.

Высказывание – это любое предложение, в отношении которого имеет смысл утверждение о его истинности или ложности. При этом считается, что высказывание удовлетворяет закону исключенного третьего, т.е. каждое высказывание или истинно или ложно. Одновременно истинным и ложным или НЕ истинным и НЕ ложным оно быть не может.

Простейшими операциями в алгебре логики являются операции логического сложения (ИЛИ, OR, операция дизъюнкции) и логического умножения (И, AND, операция конъюнкции). Для обозначения дизъюнкции используют символы + или V, а конъюнкции – или Λ. Правила выполнения операций в алгебре логики определяются рядом аксиом, теорем и следствий. В частности, для алгебры логики применимы следующие законы.

1. Сочетательный:

(a + b) + c = a + (b + c),

(a ּ b) ּ c = a ּ (b ּ c).

2. Переместительный

(a + b) = (b + a),

(a ּ b) = (b ּ a).

3. Распределительный

a ּ (b + c) = a ּ b + a ּ c,

(a+ּ b) ּ c = a ּ c + b ּ c.

Также справедливы соотношения:

a+a=a,a+b=b, еслиa≤b,

a ּa = a, a ּb = a, если a ≤ b,

a + a ּb = a, a ּb = b, если a ≥ b,

a + b = a, если a ≥ b,

a + b = b, если a ≤ b,

Наименьшим элементом алгебры логики является 0, наибольшим – 1. В алгебре логики также вводится еще одна операция – отрицания(НЕ, инверсия), обозначаемая чертой над элементом.

По определению:

, - операция отрицания

- закон дополнения

- закон противоречивости

Кроме того, справедливы такие соотношения:

- закон двойного отрицания

, - закон де Моргана

Функция в алгебре логики – выражение, содержащее элементы алгебры логики a,b,cи др., связанные операциями, определенными в этой алгебре.

Пример логической функции:

Согласно теоремам разложения функций на конституэнты (составляющие), любая функция может быть разложена на конституэнты 1 и 0:

(3.1)

Эти соотношения используются для синтеза логических функций и вычислительных схем.

Логический синтез вычислительных схем. В качестве примера рассмотрим синтез одноразрядного двоичного полусумматора, имеющего два входа (a,b) и два выхода (S,P) и выполняющего операцию сложения. Алгоритм работы двоичного полусумматора задан в виде таблице истинности (табл. 3.1).Таблица истинности представляет собой все возможные сочетания входных сигналов и соответствующие им состояния выходных сигналов.

Таблица 3.1. Таблица истинности для синтеза полусумматора.

где f1(a,b) =S– значение цифры суммы в данном разряде;

f2(a,b) = Р – цифра переноса в следующий (старший) разряд.

Согласно (3.1), можно произвести разложение на конституэнты:

Логическая блок-схема устройства, реализующего полученную функцию, представлена на рис. 3.1. На рис. 3.2. представлены логические блоки, используемые при построении схем в соответствии с международным стандартом и их аналоги согласно ГОСТ. Таблицы истинности наиболее часто используемых в ЭВМ операций представлены в табл. 3.2-3.5.

Операция OR(ИЛИ) – логическое сложение, выполняет поразрядную дизъюнкцию битов двух чисел; устанавливает 1 в тех битах результата, в которых была 1 хотя бы у одного из исходных операндов.

Таблица 3.2. Таблица истинности «ИЛИ».

ОперацияAND(И) – логическое умножение, выполняет поразрядную конъюнкцию битов двух чисел; устанавливает 1 в тех битах результата, в которых у обоих исходных операндов были 1.

Таблица 3.3. Таблица истинности «И».

Операция XOR(исключающее ИЛИ) – устанавливает 1 в тех битах результата, в которых операнды отличались.

Таблица 3.4. Таблица истинности «исключающее ИЛИ».

ОперацияNOT(НЕ) – устанавливает обратное значение битов в числе (инверсия).

Таблица 3.5. Таблица истинности «НЕ».

Рис. 3.1. Логическая блок-схема одноразрядного полусумматора.

а) «ИЛИ»; б) «И»; в) «НЕ»;

Рис. 3.2. Обозначение логических операций.

При построении логической блок-схемы устройства по некоторой логической функции ее необходимо минимизировать (т.е. упростить) в соответствии с рассмотренными выше соотношениями и законами. Это необходимо для уменьшения стоимости устройств.

Для логических функций «ИЛИ», «И», «НЕ» существуют типовые технические схемы, реализующие их на реле, электронных лампах, дискретных полупроводниковых элементах. Для построения современных ЭВМ применяются системы интегральных элементов, называемые сериями. Для максимальной унификации в качестве базовой логической схемы используется только одна из схем (минимальный базис): «И-НЕ» (NAND, штрих Шеффера), «ИЛИ-НЕ» (NOR, стрелка Пирса) или «И-ИЛИ-НЕ» (NORAND).

В алгебре логики вводится некоторый набор логических аксиом и тождеств.

1. a(b + c) = ab + ac

2. a + bc = (a + b)(a + c)

3. a(a + b) = a

4. a + ab = a

5) a(not(a) + b) = ab

6) a + not(a)b = a + b

7) ab + a not(b) = a

8) not(ab) = not(a) + not(b)

9) not(a + b) = not(a) not(b)

10) ab + not(a)c + bc = ab + not(a)c

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Собирать схему (рис.4.6), содержащую цифровой генератор, семисегментный индикатор с дешифратором и четыре логических пробника. Запрограммировать генератор двоичными значениями шестнадцатеричных цифр. В процессе работы схема должна отображать все шестнадцатеричные цифры.

Рис. 4.6. Пример схемы с цифровым генератором.

3.2. Собрать схему, аналогичную предыдущей, с контролем выходов генератора слов с помощью логического анализатора.

3.3. Используя несколько логических пробников, собрать схему «бегущие огни». Варианты исполнения: бегущий огонь влево/вправо, инвертированный бегущий огонь влево/вправо.

3.4. Синтезировать логическую блок-схему устройства, в соответствии с таблицей истинности. Произвести при необходимости минимизацию функции. Варианты заданий для работы приведены в таблице 3.6.

3.5. Путем схемной реализации проверить выполнение всех логических тождеств.

Таблица 3.6. Варианты заданий.

4. Контрольные вопросы.

1. Назначение и основы работы с генератором слов.
2. Назначение и основы работы с логическим анализатором.
3. Назначение и использование индикаторов в цифровых схемах.
4. Сформулируйте основные законы алгебры логики.
5. Приведите пример разложения функции конституэнты 1.
6. Приведите пример разложения функции конституэнты 0.
7. Сформулируйте последовательность действий необходимых для синтеза логической схемы устройства.

Практическая работа №3

«Работа в Electronics Workbench. Комбинационные схемы».

1. Цель работы:

1.1. Изучить функциональные возможности логического преобразователя (Logic Converter).

1.2 Научиться строить статические комбинационные схемы с использованием полного набора логических функций.

2. Общие сведения.

На рис. 5.1. и 5.2. показан Logic Converter (Логический преобразователь), который необходим для различных преобразований схемных решений, реализованных на типовых логических элементах.

LogicConverter

(Логический преобразователь)

Рис. 5.1. Инструменты «ElectronicsWorkbench».

Получение таблицы по схеме. Для получения таблицы истинности по имеющейся схемной реализации (рис. 5.3) необходимо:

• входы имеющейся схемы соединить с входами преобразователя;
• выход схемы соединить с выходом преобразователя;
• нажать кнопку преобразования схемы в таблицу истинности .

Ввод и преобразование таблицы истинности. Для получения таблицы истинности (рис. 5.4) необходимо:

• задать необходимое количество входов (от AдоH) в основном окне преобразователя;
• изменить выход конвертера, поставив в соответствие сочетанию входов желаемое значение выхода;
• для преобразования таблицы истинности в логическую функцию следует нажать , результат преобразования отобразиться в строке функций;
• для преобразования таблицы истинности в упрощенную логическую функцию следует нажать , результат преобразования отобразиться в строке функций.

Входы (A-H)

Выход

а) условное обозначение на схеме;

Строка функций

б) основное окно.

Рис. 5.2. Логический преобразователь.

Ввод и преобразование логических функций. Для получения таблицы истинности необходимо ввести необходимую логическую функцию в строку функций и нажать.

Для получения схемы необходимо ввести необходимую логическую функцию в строку функций и нажать .

а) схема «повторение входа В» б) таблица истинности.

Рис. 5.3. Пример получения таблицы истинности по схеме.

Рис. 5.4. Пример получения логической функции по таблице истинности.

Для получения схемы с использованием минимального базиса NAND(И-НЕ) элементов необходимо ввести необходимую логическую функцию в строку функций и нажать.

3 Задания для выполнения лабораторной работы.

31. Реализовать схему работы одиночного светофора по таблице истинности табл. 6.1.

Таблица 6.1. Таблица истинности одиночного светофора.

2.2. Разработать таблицу истинности и реализовать схему работы группового светофора с дополнительной секцией для Т-образного перекрёстка (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Т-образный перекресток.

Практическая работа №4

«Работа в Electronics Workbench. Шифраторы и дешифраторы».

1. Цель работы:

1.1. Изучить принцип работы устройств кодирования и декодирования информации.

2. Общие сведения.

Шифратор

Рис. 11.1. Цифровые элементы «Electronics Workbench».

Шифраторыидешифраторыявляются основными устройствами преобразования информации. При этом шифратор преобразует код «1 изN» в двоичный код, а дешифраторы, наоборот, из двоичного кода в код «1 изN». Так как число разрядов двоичного числа меньшеN, условно такую операцию можно назвать сжатием данных. Шифратор и дешифратор являются КЦУ, т.к. не имеют элементов памяти. Поэтому для них существует возможность задания связи выходного сигнала с входным в виде таблицы истинности, или же логической функции.

Для синхронизации выходных сигналов этих преобразователей тактовыми импульсами используют дополнительные входы. Такие преобразователи называются стробируемыми. Стробирование – это выделение сигнала в определенный момент времени.

а) условное обозначение; б) стробирование по выходу;

в) стробирование по входу.

Рис. 11.2. Дешифратор «1 из 8».

Сфера применения дешифраторов– устройства индикации, управления, коммутаторы, служащие для распределения сигнала по различным цепям.

Различают полныеинеполные дешифраторы (рис. 11.2, табл. 11.1). Число выходов у полного дешифратораNвых= 2n, а у неполногоNвых< 2n, гдеn– число двоичных разрядов (входов). Существует два способа стробирования дешифраторов: введением дополнительного входа в каждый элемент (стробирование по выходу – рис. 11.2, б) и блокирование всех элементов через одну из выходных цепей (стробирование по входу – рис. 11.2, в).

Таблица 11.1. Таблица истинности дешифратора «1 из 8».

Шифратор – это КЦУ, которое преобразует код «1 изN» в двоичный код.Полный шифраторимеет 2nвходов иnвыходов.Сфера применения шифраторов– ввод данных с клавиатуры, при котором нажатие на клавишу с десятичной цифрой должно приводить к передаче в устройство этой цифры в двоичном коде. При нажатии любой из десяти цифровых клавиш единица появляется только на одном из десяти входов шифратораX0,X1,…,X9. На выходе шифратора должен появиться двоичный код (y0y1y2y3) введенного десятичного числа. Из табл. 11.3 видно, что в этом случае нужен преобразователь с десятью входами и четырьмя выходами, т.е. так называемый шифратор «10-4».

На выходе y0единица должна появиться при нажатии любой нечетной клавиши (X1,X3,X5,X7,X9), т.е.

;

;

;

.

Таблица 11.3. Таблица истинности шифратора«10 - 4».

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Реализовать дешифратор «1 из 8» в соответствии с таблицей истинности табл. 11.1, проверить правильность его работы.

3.2. Реализовать преобразователь двоично-десятичного кода в код «3 из 5» в соответствии с таблицей истинности табл. 11.2, проверить правильность его работы.

3.3. Реализовать шифратор «10 - 4» в соответствии с таблицей истинности табл. 11.3, проверить правильность его работы.

Ход выполнения работы должен быть отражен в отчете по выполнению лабораторной работы.

4. Контрольные вопросы.

1. Что называется шифратором?
2. Что называется дешифратором?
3. Что такое стробирование?
4. Что называется полным и неполным дешифратором?
5. Что называется полным шифратором?

Лабораторная работа №5

«Работа в Electronics Workbench. Цифровые компараторы».

1. Цель работы:

1.1. Изучить принцип работы цифрового компаратора.

2. Общие сведения.

Компараторы используются для сравнения двух сигналов и, в случае если эти сигналы не равны, позволяют определить больший из них. Цифровой компаратор необходим для сравнения двух двоичных чисел. В табл. 12.1 указаны выходные сигналы цифрового компаратора при поступлении на его входы 1 или 0.

Таблица 12.1. Таблица истинности цифрового компаратора.

По известным правилам на основании табл. 12.1 можно записать следующие логические функции, характеризующие соотношение одноразрядных чисел:

; ;.

Если значения a и b таковы, что правая часть функции равна 1, то соотношение, указанное в левой части, выполняется. Если правая часть функции равна 0, то соотношение между a и b противоположно указанному.

Схема одноразрядного компаратора, реализующая приведенные функции, показана на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Схема цифрового одноразрядного компаратора.

Рассмотрим боле подробно функцию равенства чисел Fa=b, или функцию «Равнозначность». По смыслу данная функция противоположна функцииFa≠b«Неравнозначность». Т.к., то.

Поэтому проверку равенства пары одноименных разрядов двух двоичных чисел можно осуществлять с помощью элемента «Равнозначность» (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Условное обозначение элемента «Равнозначность».

При этом два двоичных числа Aи В равны, если в одноименных разрядах образующих их чисел находятся одинаковые цифры (a0=b0Иa1=b1И …an-1=bn-1), или:

Рис. 12.3. Поразрядное сравнение.

Когда цифры в одноименных разрядах чисел А и В одинаковы, на выходах всех элементов «Равнозначность» (рис. 12.3) появляются 1, и значит FA=B=1. Если же хотя бы в одной из пар сравниваемых разрядов цифры различны, то на выходе элемента «Равнозначность» появится логический 0 иFA=B=0, а значит А и В не равны.

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Реализовать цифровой одноразрядный компаратор в соответствии со схемой представленной на рис. 12.1, проверить правильность его работы.

3.2. Реализовать логический элемент «Равнозначность», проверить правильность его работы. Для этого, используя известное выражение:

необходимо составить его схему и преобразовать ее в отдельный элемент. Этого делается с помощью пункта «Create Subcircuit» меню «Circuit» (рис. 12.4).

Собрав схему, выделяем образующие ее логические элементы «мышью» и создаем элемент.

Рис. 12.4. Меню «Circuit».

В поле «Name» появившегося диалога задаем имя элемента и создаем его. При этом если ввести имя уже существующего элемента, то с ним можно проделать ряд операций, например, изменить схему.

Рис. 12.5. Задание имени элемента.

Рис. 12.6. Инструмент «Favorites».

Вновь созданный элемент попадает в панель «Favorites» и становится доступным для работы с ним.

Увеличить количество входов логического элемента можно, установив необходимое их количество на закладке «Number of inputs» окна свойств, вызываемых двойным щелчком мыши на элементе.

3.3. Реализовать схему поразрядного сравнения двух двоичных чисел в соответствии со схемой представленной на рис. 12.3, проверить правильность ее работы.

4. Контрольные вопросы.

1. Что такое компаратор?
2. Как и с помощью какого элемента осуществляется поразрядное сравнение двоичных чисел?

Лабораторная работа №6

«Работа в Electronics Workbench. Сумматоры».

1. Цель работы:

1.1. Изучить принцип работы сумматора.

2. Общие сведения.

Сумматор представляет собой комбинационное цифровое устройство (КЦУ), предназначенное для суммирования двоичных чисел, хотя с его помощью можно выполнять и другие операции.

Полусумматорами (рис. 10.1 а-б) называют КЦУ с двумя входами (a,b) и двумя выходами, на одном из которых вырабатывается сигнал суммы (выход S), а на другом – сигнал переноса (выход Р). В табл. 10.1 представлена таблица истинности полусумматора.

а) условное обозначение; б) схема полусумматора.

Рис. 10.1. Полусумматор.

Таблица 10.1. Таблица истинности полусумматора.

Одноразрядным сумматором (рис. 10.2 а-б) называют КЦУ с тремя входами и двумя выходами. Кроме двух входов для чисел, он имеет третий вход, на который подается сигнал переноса из предыдущего разряда. Одноразрядный сумматор является основным элементом многоразрядных сумматоров. Он выполняет арифметическое сложение одноразрядных двоичных чисел ai и bi и переноса Pi-1 из предыдущего разряда, с образованием на выходе суммы Si и переноса Pi в старший разряд. Отметим некоторые особенности логики работы сумматоров:

• сумма равна 1, если единичные значения принимает нечетное число аргументов;
• выходной перенос равен 1, если единичные значения принимают больше двух аргументов.

а) условное обозначение;

б) схема одноразрядного сумматора.

Рис. 10.2. Одноразрядный сумматор.

Таблица 10.2. Таблица истинности одноразрядного сумматора.

Рис. 10.3. Схема одноразрядного двоичного сумматора.

Булевы функции, описывающие работу одноразрядного двоичного сумматора (по табл. 10.2), можно записать в следующем виде:

Используя различные варианты преобразования этих функций, можно реализовать большое число структур одноразрядные двоичных сумматоров (например, рис. 10.3).

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Собрать схему изображенную на рис. 10.1.

3.2. Собрать схему изображенную на рис. 10.2.

3.3. Собрать схему изображенную на рис. 10.3.

Ход выполнения работы должен быть отражен в отчете по выполнению лабораторной работы.

4. Контрольные вопросы.

1. Что называется сумматором?
2. Что называется полусумматором?
3. Приведите схемы одноразрядного двоичного сумматора.

Лабораторная работа №7

«Работа в Electronics Workbench. Мультиплексоры и демультиплексоры».

1. Цель работы:

1.1. Изучить принцип работы мультиплексора.

1.2. Изучить принцип работы демультиплексора.

2. Общие сведения.

Коммутатор – устройство, переключающее электрические цепи. В основном в вычислительной техничке используются два типа коммутаторов: осуществляющие подключение с нескольких входов на один выход, и, наоборот, с одного входа на несколько выходов.

Коммутатор типа «несколько входов – один выход» (рис. 13.1, а) дает возможность подключать канал Yк разным источникам информации (D1,D2,D3). Выбор присоединяемого источника (одного из информационных входов коммутатора) осуществляется сигналом на адресном входе. При этом информация будет поступать из того канала, на элемент И которого подается разрешение в виде логической 1 с одного из адресных входов А1, А2, А3. Рассмотренный нами коммутатор выполнен на одной микросхеме, содержащей в корпусе три элемента И, выходы которых соединены с входами элемента ИЛИ.

Аналогичную задачу решает мультиплексор– коммутатор, в котором выбор входа по его номеру (адресу) осуществляется двоичным кодом.

На рис. 13.1, б приведен коммутатор типа «один вход – несколько выходов», который позволяет подключать канал источника цифровой информации D к разным каналам на выходе (Y1,Y2,Y3). Выбор выходного канала осуществляется подачей логической 1 с одного их адресных входов А1, А2, А3, активизирующей соответствующий конъюнктор. Коммутатор выполнен на одной микросхеме, содержащей в одном корпусе несколько элементов И.

Аналогичную задачу решает демультиплексор. В отличие от коммутатора выбор выхода демультиплексора осуществляется кодом, подаваемым на все адресные входы.

Сфера применения мультиплексора (рис. 13.2) - использование для записи в регистры кодов, которые поступают из разных запоминающих устройств или устройств ввода. В цифровой телефонии он широко используется для передачи большого количества телефонных разговоров по одному каналу связи.

а) несколько входов – один выход;

б) один вход – несколько выходов.

Рис. 13.1. Типы коммутаторов.

В системах автоматического управления – для подачи выходных сигналов от нескольких источников (например, датчиков измерения температуры) к одному приемнику (показывающему прибору). При этом подсоединение к источникам сигналов производится последовательно (системы обегающего контроля) или адресно – по выбору оператора.

Рис. 13.2. Мультиплексор.

Показанный на рис. 13.2 мультиплексор позволяет подключать к выходу Y один из четырех информационных входовD0,D1,D2,D3.

Выбор информационного входа осуществляется подачей на два адресных входа А1 и А2 соответствующего кода: 00, 01, 10, 11. Например, при подаче на адресные входы сигнала 11 (т.е. десятичная тройка) на выходе 3 дешифратора DC появляется 1, которая по входу 8 поступает на двухвходовый логический элемент И. На другой вход этого элемента поступает информационный сигнал по каналуD2.

Значит, именно третий информационный вход будет подсоединен к выходу Y мультиплексора. Мультиплексор позволяет передавать информацию по одному каналу связи от нескольких источников, но не одновременно. Следовательно, можно сказать, что выход Y представляет собой канал с временным разделением сигналов.

После получения информации по такому единственному каналу связи Y ее необходимо разделить между соответствующими приемниками информации.

Рис. 13.3. Демультиплексор.

Эту задачу решает демультиплексор(рис. 13.3). Выбор соответствующего информационного выхода осуществляется с помощью адресного входа. Как и в схеме мультиплексора, используется дешифраторDC.

Например, при подаче на адресные входы А1 и А2 сигнала 10 на выходе 2 появляется 1 и входной сигнал Yпроходит на информационный выходD2.

Мультиплексор

Демультиплексор

Рис. 13.4. Цифровые элементы «Electronics Workbench».

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Реализовать коммутатор «несколько входов – один выход» в соответствии со схемой представленной на рис. 13.1, а, проверить правильность его работы.

3.2. Реализовать коммутатор «один вход – несколько выходов» в соответствии со схемой представленной на рис. 13.1, б, проверить правильность его работы.

3.3. Реализовать мультиплексор в соответствии со схемой представленной на рис. 13.2, проверить правильность его работы.

3.4. Реализовать демультиплексор в соответствии со схемой представленной на рис. 13.3, проверить правильность его работы.

Ход выполнения работы должен быть отражен в отчете по выполнению лабораторной работы.

4. Контрольные вопросы.

1. Что называется коммутатором?
2. Объясните принцип работы коммутатора «несколько входов – один выход».
3. Объясните принцип работы коммутатора «один вход – несколько выходов».
4. Для чего нужны мультиплексор и демультиплексор, в чем разница между ними?
5. Объясните принцип работы мультиплексора.
6. Объясните принцип работы демультиплексора.
7. Назовите основные сферы применения мультиплексора и демультиплексора.

Лабораторная работа №8

«Работа в Electronics Workbench. Триггеры».

1. Цель работы:

1.1. Изучить устройство и характеристики RS-триггера.

1.2. Изучить устройство и характеристики D-триггера.

2. Общие сведения.

Триггер является основным устройством, способным запоминать информацию. Он имеет два устойчивых состояния – 1 или 0. Наибольшее распространение получили полупроводниковые триггеры, выпускаемые в виде интегральных микросхем и представляющие собой двухкаскадные усилители постоянного тока с положительной обратной связью.

RS-триггер

D-триггер

Рис. 7.1. Цифровые элементы «Electronics Workbench».

а) RS-триггер; б)D-триггер;

Рис. 7.2. Условные обозначения.

Перевод триггера из одного состояния в другое осуществляется подачей положительных или отрицательных импульсов на коллектор одного или другого транзистора. При этом один из двух имеющихся входов принимают устанавливающим триггер в состояние 1 и называют Sвходом (от англ.Set- установить), а другой, устанавливающий (сбрасывающий) триггер в состояние 0, называют входомR(от англ.Reset- сбросить). Такой триггер получил названиеRS-триггера (рис. 7.1). Его условное обозначение показано на рис. 7.2 (а).

RS-триггеры обычно строятся на двух базовых логических элементах – либо «ИЛИ-НЕ», рис. 7.3 (а), либо на двух «И-НЕ». Поясним работу этого триггера.

а) схема; б) диаграмма сигналов.

Рис. 7.3. RS-триггеры на базе «ИЛИ-НЕ».

После поступления сигнала 1 на вход Sтриггер переключается в состояние 1, если он был в состоянии 0, или сохраняет 1 на выходеQ, если он уже находился в этом состоянии. Соответственно при поступлении 1 на входRтриггер переключается в 0 или сохраняет это состояние. Исходное состояние триггера (сразу после включения и при отсутствии сигналов 1 на входахSиR) не определено, оно является случайной величиной. Таким образом, триггер работает в соответствии с таблицей истинности, приведенной в табл. 7.1.

Триггеры разделяются по способу записи информации на асинхронные и синхронные. Состояние (выходной сигнал) асинхронного триггера может изменяться в любой момент – тогда, когда придет входной сигнал. В синхронном триггере состояние может меняться только в определенные моменты времени – тогда, когда поступает дополнительный синхронизирующий сигнал. RS-триггер является асинхронным. На его базе может быть построен синхронныйD-триггер (рис. 7.2 б).

Таблица 7.1. Состояние выходов RS-триггеров.

Сигналы, предназначенные для записи в триггер, поступают на информационный вход D. Сигналы, определяющие момент записи, поступают на вход С. Изменение состояния статическогоD-триггера возможно только в течение того времени, когда С=1. Если же на вход С поступает сигнал 0, то изменение сигнала на выходе триггера не происходит, он сохраняет предыдущее состояние. На диаграмме сигналов (рис. 7.5) видно, что по окончании первого синхроимпульса на информационный входDпоступал уже сигнал 0, однако состояние триггера, соответствующее этому сигналу, возникло только тогда, когда пришел второй синхроимпульс.

Рис. 7.4. Схема синхронного D-триггера.

Аналогичным образом состояние 1 на выходе Qсохранялось от третьего до пятого синхроимпульса, хотя сигнал 1 на выходеDсменился на сигнал 0 раньше, чем пришел пятый синхроимпульс. Поскольку такой триггер задерживает выходной сигнал до прихода очередного синхроимпульса, он получил названиеD-триггер (от англ.Delay- задержка).

Рис. 7.5. Диаграмма сигналов синхронного D-триггера.

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Используя WordGenerator,RedProbeиRS-триггер собрать схему, которая иллюстрирует работуRS-триггера.

3.2. Используя WordGenerator,RedProbeиD-триггер собрать схему, которая иллюстрирует работуD-триггера.

4. Контрольные вопросы.

2. Что называется триггером?
3. Объясните принцип работы RS-триггера.
4. Объясните принцип работы D-триггера.

Лабораторная работа №9.

«Работа в Electronics Workbench. Регистры».

1. Цель работы:

1.1. Изучить принцип работы параллельного регистра.

1.2. Изучить принцип работы последовательного регистра.

2. Общие сведения.

Регистр представляет собой набор триггеров, число которых соответствует числу разрядов запоминаемого слова. Регистр используется для хранения n-разрядного слова и выполнения над ним логических преобразований. При этом в регистре могут выполняться следующие микрооперации:

• прием (запись) слова;
• передача слова в другой регистр;
• поразрядные логические операции;
• сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов;
• преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;
• установка регистра в начальное состояние (сброс).

Кроме того, регистр может осуществлять преобразование двоичного кода из прямого в обратный (когда единицы заменяются нулями, а нули – единицами), и наоборот.

В каждом из триггеров, составляющих регистр, хранится соответствующая цифра разряда числа. Поэтому по способу ввода и вывода разряда числа регистры разделяются на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.

В параллельном регистре ввод или вывод слова осуществляется одновременно для всех разрядов. В последовательном регистре разряды числа вводятся и выводятся последовательно один за другим. В параллельно-последовательном регистре ввод осуществляется в параллельной форме, а вывод в последовательной, или наоборот.

Регистр

Рис. 8.1. Цифровые элементы «Electronics Workbench».

Функциональная схема параллельного регистра на RS-триггерах приведена на рис. 8.2. Подготовка к приему информации (обнуление триггеров) составляет первый такт. Во втором такте по сигналу «1», подаваемому по шине П (прием), двоичное числоx1x2x3x4всеми разрядами одновременно (параллельно) через конъюнкторы (элементы И) записывается в разряды регистра. Выдача сигнала в прямом коде осуществляется по сигналу, подаваемому по шине Впр, в обратном - Вобр.

В последовательных регистрах двоичное число вводится и выводится последовательно разряд за разрядом. Разряды самого регистра соединены последовательно. Каждый разряд выдает информацию в следующий разряд и одновременно принимает новую информацию из предыдущего. Для этого каждый разряд должен иметь два запоминающих элемента, т.е. двухступенчатый триггер. Двухступенчатый триггер (например, J K-триггер, D-триггер) представляет собой совокупность двух запоминающих элементов. Если в цепи таких триггеров выходы одного соединить с входами другого, то по фронту тактового импульса, подаваемого на вход С, во входную (первую) ступень каждого триггера будет заноситься информация из выходной (второй) ступени предыдущего триггера, а по спаду импульса она будет переписываться в выходную ступень.

Рис. 8.2. Схема параллельного регистра на RS-триггерах.

Рис. 8.3. Условное обозначение 8-битного параллельного регистра (74165).

Функциональная схема последовательного регистра приведена на рис. 8.4. Разряды двоичного числа, начиная с младшего, последовательно поступают на входы старшего разряда регистра. Поступление разрядов числа на входы J и K чередуются с поступлением импульсов сдвига на входы С, которыми вводимые разряды продвигаются вдоль регистра, пока младший разряд n-разрядного числа не окажется в младшем разряде регистра.

Рис. 8.4. Функциональная схема последовательного регистра.

Для выдачи записанного числа в последовательной форме надо на выходы старшего разряда регистра подать xi=0,xi=1, а на шину импульсов сдвига –n импульсов. Первый импульс выдвинет из младшего разряда регистра младший разряд числа, на его место передвинется второй разряд числа и.т.д. В итоге все число сдвинется вдоль регистра на один разряд, а в старший разряд регистра будет записан 0. После n импульсов сдвига число будет полностью выведено из регистра, а его разряды окажутся заполнены 0.

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Собрать схему изображенную на рис. 8.2 и записать в нее двоичное число от 0000 до 1111 в соответствии с выражением n+1, где n– номер варианта. Результаты на выходе регистра должны быть получены в прямом и обратном кодах.

Ход выполнения работы должен быть отражен в отчете по выполнению лабораторной работы.

4. Контрольные вопросы.

1. Что называется регистром и для чего он необходим?
2. В чем заключаются отличия параллельного, последовательного и параллельно-последовательного регистров.
3. Объясните принцип работы параллельного регистра.
4. Объясните принцип работы последовательного регистра.

Лабораторная работа №10.

«Работа вElectronicsWorkbench. Счетчики».

1. Цель работы:

1.1. Изучить принцип работы счетчика импульсов.

2. Общие сведения.

Счетный триггер, или Т-триггер, который показан на рис. 9.1. (а) имеет два выхода и один вход. При положительном перепаде напряжения на счетном входе Т-триггера сигналы на его выходах меняются на противоположные. В качестве основы построения счетного триггера может быть использован динамический D-триггер. При этом его инверсный выход должен быть соединен с информационным входом (рис. 9.1 б).

а) условное обозначение; б) схема на D-триггере;

Рис. 9.1. Счетный триггер.

Рассмотрим простой трехразрядный двоичный счетчик импульсов, состоящий из трех Т-триггеров, которые имеют входы Rдля установки нуля (рис. 9.2).

В исходном состоянии все триггеры находятся в 0 состоянии (рис. 9.3.). После подачи первого входного импульса триггер Т1 переходит в состояние 1, а после второго в состояние 1 переходит Т2, а Т1 возвращается в состояние 0 и.т.д.

Рис. 9.2. Трехразрядный двоичный счетчик импульсов.

Рис. 9.3. Диаграммы сигналов в счетчике импульсов.

Из табл. 9.1 видно, что по состоянию триггеров можно определить сколько импульсов было подано на вход счетчика. В общем случае емкость счетчика равна 2n, гдеn– число триггеров в счетчике.

Таблица 9.1. Состояние триггеров счетчика импульсов.

3. Задания для выполнения лабораторной работы.

3.1. Собрать схему изображенную на рис. 9.4. В схеме используется FunctionGenerator(Генератор функций), 4-bitBinaryCounter(4-х битный двоичный счетчик) и семи сегментный индикатор с декодером.

Function Generator(Генератор функций) – источник напряжения, выдающий сигналы синусоидальной, треугольной и ступенчатой формы (рис. 9.6). В основном окне генератора можно выбрать форму выходного сигнала с помощью одного из трех переключателя, а также одну из нескольких опций.

Параметры генератора:

Frequency (Частота - варьируется от 1Гц до 999МГц) – определяет количество генерируемых импульсов на выходе генератора в течение 1 сек.

Amplitude(Амплитуда) – амплитуда сигнала на выходе.

3.2. Самостоятельно изучить работу других счетчиков представленных в «ElectronicsWorkbench».

Рис. 9.4. Подсчет количества импульсов.

Генератор функций

Рис. 9.5. Инструменты «Electronics Workbench».

а) условное обозначение; б) основное окно.

Рис. 9.6. Генератор функций.

Ход выполнения работы должен быть отражен в отчете по выполнению лабораторной работы.

4. Контрольные вопросы.

1. Что называется счетным триггером и для чего он необходим?
2. Как можно реализовать счетный триггер?
3. Поясните принцип работы счетного триггера.
4. Приведите схему трехразрядного двоичного счетчика импульсов.
5. Поясните принцип работы трехразрядного двоичного счетчика импульсов.
6. Для чего необходим генератор функций?