Лабораторная работа №3.

Тема: «Ознакомление с шифраторами. Синтез схем на логических элементах и библиотечных микросхемах».

Цель работы: Синтезировать и исследовать шифраторы с помощью ключей семисегментных индикаторов и светоизлучающих диодов.

Оборудование: персональный компьютер и программа EWB.

В цифровых устройствах используют специальные способы систематического представления информации – кодирование. Развитие техники передачи информации, её обработки и хранения привело к разработке самых различных кодов. Примерами кодов являются: знаменитая азбука Морзе, радиолюбительский Q – код, штрих-код. По сути, представление чисел в различных системах счисления является простейшим числовым кодированием. Коды используются для сжатия информации, обеспечения помехоустойчивости, защиты и т.п.

Широко распространенным кодом является код ASCII (American Standard Code for Information Interchange – стандартный американский код для обмена информацией). Именно в этом коде принято сохранять информацию в памяти ПК. В двоичном коде производятся вычисления на ПК. Кроме перечисленных, на практике используются коды: позиционный, двоично-десятичный и др. Отсюда возникает задача преобразования кодов.

Функциональные цифровые узлы комбинационного типа, переводящие коды из одного вида в другой, относятся к преобразователям кодов. Рассмотрим подобные устройства – шифраторы.

Шифраторы (кодеры) используются чаще всего для преобразования десятичных чисел в двоичный или двоично-десятичный код например в микрокалькуляторах, в которых нажатие десятичной клавиши соответствует генерации соответствующего кода. Поскольку возможно нажатие сразу нескольких клавиш, в шифраторах используется принцип приоритета старшего разряда, т.е. при нажатии клавиш 9,5 и 2 на выходе дешифратора будет генерироваться код 1001, соответствующий цифре 9.

Построим схему шифратора, который при нажиме на клавишу с соответствующим номером даёт на своём выходе двоичный код этого числа. Пусть входной позиционный код имеет 8 разрядов Xk, где k=0…7 – номер разряда. Тогда выходной двоичный код Yk должен иметь 3 разряда: Y0, Y1, Y2. Соответствие между Xk и Yk выражается следующей таблице истинности.

№	Позиционный код								Двоичный код
	X7	X6	X5	X4	X3	X2	X1	X0	Y2	Y1	Y0
0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0
1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	1
2	0	0	0	0	0	1	0	0	0	1	0
3	0	0	0	0	1	0	0	0	0	1	1
4	0	0	0	1	0	0	0	0	1	0	0
5	0	0	1	0	0	0	0	0	1	0	1
6	0	1	0	0	0	0	0	0	1	1	0
7	1	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1

Рис. 1. Таблица истинности шифратора 83.

Из анализа таблицы видно, что каждый разряд выхода в двоичном коде может быть получен четырёхвходовым БЛЭ ИЛИ, причём на его входы должны подаваться сигналы в соответствии с построчной связью единиц в Xk и Yk. Например, для самого младшего значащего разряда в двоичном коде Y0, соответствующего 2^0, на входы БЛЭ надо подать сигналы с линий: X1, X3, X5, X7. По аналогии нетрудно определить также связи Y1, Y2.

Перейдём к построению схемы шифратора.

В программе EWB выберем восемь ключей, источник +5V, заземление, три четырёхвходовых БЛЭ ИЛИ, цифровой семисегментный индикатор. Проведя необходимые соединения и редактирования, получим схему шифратора с восемью входами и тремя выходами (см. рис.1).

П

Рис.2. Шифратор 83 на элементах ИЛИ.

одобный цифровой узел называется шифратором 8×3. Нажимая на одну из клавиш, видим, как на выходном индикаторе, можно прочитать число, соответствующее нажатому ключу. Так, как на рис.2 нажат ключ 6, то на индикаторе горит цифра 6. Нулевой вывод (X0) здесь является вырожденным.

Реализация шифраторов на микросхемах.

Рассматривая схемы шифраторов, составленные из отдельных логических элементов, и обратившись к библиотеке компонентов программы, можно подобрать цифровые микросхемы, содержащие необходимые элементы, и провести сборку виртуальных моделей. Однако это не даст нам ничего нового и вряд ли целесообразно, так как в этих библиотеках содержаться готовые модели выпускаемых микросхем. В микросхемном исполнении имеются так называемые приоритетные шифраторы, в которых при нажатии на несколько клавиш на выход будет выведен номер большей из них. Для этого микросхема внутри дополняется логикой выбора приоритета.

В программе EWB выбор необходимой микросхемы выполняется из панели Digital пиктограммой ENC, открывающей меню библиотечных шифраторов.

Примером приоритетного шифратора 10×4 может служить микросхема ТТЛ 74147, которую можно использовать в клавиатуре. Таблица истинности этой микросхемы показана на рис.3. Особенностью данной микросхемы в том, что для неё активным является низкий уровень входного сигнала. Поэтому, если на входы не подаётся напряжение низкого уровня, то на всех выходах устанавливается напряжение высокого уровня, соответствующее десятичному числу 0. Когда же на вход подаётся 0, то на выходе формируется двоичный код номера выхода. При подаче нуля на несколько входов приоритет отдаётся входу с высшим номером, а остальные входы игнорируётся. Если провести поразрядную инверсию выходного сигнала (с учётом того, что 0’=1 и 1’=0), то получим 0’1’1’0’=(1001)_2, т.е. 9₁₀.

Рис.3. Таблица истинности МС 74147.

Сборка этого шифратора показана на рис.4. К выводу VCC подключаем питание; GND заземляем; NC (no connection) - холостой вывод, 1-9-входы; A,B,C,D - выходы. Поскольку, выходы являются инверсными, то для зажигания выходных светодиодов их аноды подключены к плюсу источника постоянного напряжения, а катоды к соответствующим выводам микросхемы. Появление 0 на выходе, таким образом, соответствует заземлению светоизлучающих диодов, и он загорается. На рисунке 4, показана работа приоритетного шифратора, когда нажаты, т.е. поданы нули на клавиши 3 и 5. Показание индикатора в двоичном коде 0101, т.е. 5₁₀. Число 3 проигнорировано, иначе во втором разряде была бы 1, а не 0.

Рис.4 Приоритетный шифратор 10×4 на микросхеме 74147

П

Рис.5. Таблица истинности

МС 74148

ри использовании шифраторов в цифровых устройствах часто бывает необходимо их каскадирование. Примером подобного шифратора является приоритетный шифратор 8×3 на ИМС ТТЛ 74148. В схему вводят один дополнительный вход EI - разрешение входа и два дополнительных выхода: GS - групповой сигнал и ЕО - разрешение выхода.

Согласно таблице истинности, которую можно взять из раздела предметной помощи программы EWВ (рис.5). На выходе GS формируется напряжение низкого уровня, если такое напряжение подаётся на один из входов.

Н а выходе ЕО формируется напряжение низкого уровня, когда на все входы подаётся напряжение высокого уровня. На входе EI при нормальной работе подаётся напряжение низкого уровня. Примеры включения приоритетных шифраторов 8×3 микросхемы ТТЛ 74148 показаны на рис.6.

Рис.6. Приоритетный шифратор 8×3 на микросхеме 74148.

Порядок выполнения работы.

1. Собрать схему шифратора на логических элементах и проанализировать его работу.

2. Собрать схему шифратора на микросхеме 74147 и проанализировать работу схемы.

3. Собрать схему шифратора на микросхеме 74148 исследовать все режимы работы схемы согласно таблице истинности.

Контрольные вопросы.

1. Что такое шифратор?

2. Для каких целей используется кодирование чисел?

3. Объясните смысл слова «приоритетный» в названии шифратора?

4. При решении каких задач цифровой техники используется шифратор?

5. Опишите назначение выводов МС 74148.