Библиографический список:
Ю.М. Келим «Вычислительная техника». М.: Академия, 2005.
Лабораторная работа №3
Тема: Исследование работы интегральных триггеров на логических элементах
Цель работы: Закрепить и систематизировать полученные знания по пройденной теме.
Задание: Выполнить действия по вариантам: 1 вариант – чётные по журналу; 2 – вариант нечётные по журналу. 1 вариант: А; 2 вариант: Б.
А) Вычертите схему RS –триггера, составленного из элементов «ИЛИ-НЕ»;
Б) Вычертите схему RS –триггера, составленного из элементов «И-НЕ».
Пояснения к работе:
Триггер - простейший автомат (к автоматам относят устройства, имеющие собственную память) с двумя устойчивыми состояниями - один из основных элементов цифровой техники. В серии микросхем ТТЛ, ТТЛШ, КМОП и другие обязательно входят те или иные его разновидности. Но если в арсенале радиолюбителя таких микросхем нет, триггер можно составить из других элементов. Покажем, как можно построить одну из его разновидностей - так называемый RS -триггер - из элементов, реализующих логические функции.
На рис. 1, а изображен RS -триггер, составленный из логических элементов ИЛИ-НЕ. Легко видеть, что в режиме хранения информации - при напряжениях низкого уровня (лог. 0) на входах S и R - он может находиться, в одном из двух состояний: иметь высокий уровень (лог. 1) на выходе элемента DD1.1 и низкий на выходе DD1.2 или, наоборот, низкий на DD1.1 и высокий на DD1.2.
Устанавливают триггер в то или иное состояние обычным образом: подавая на вход S или R напряжение высокого уровня. Это может быть и очень короткий, на пределе физического быстродействия микросхемы, импульс напряжения «единичной» амплитуды. Функции входов-выходов этого триггера, в «триггерном» его изображении, показаны на рис.1, б.
RS-триггер можно составить и из элементов «И-НЕ» (рис. 2, а, б). Здесь режиму хранения информации соответствует напряжение высокого уровня на входах S и R. Напряжение низкого уровня, поданное на вход S, переведет триггер в состояние 1. Оно же, но поданное на вход R, установит триггер в состояние 0.
Рис. 1. Триггер из «ИЛИ-НЕ»
Рис. 2. Триггер из «И-НЕ»
Рис. 3. Триггер из «И» и «ИЛИ»
Оба эти триггера составлены из так называемых шефферовых элементов, каждый из которых сам по себе обладает функциональной полнотой (функционально полными называют наборы логических элементов, пользуясь которыми можно реализовать любую двоичную функцию). Функционально полный набор может состоять и из одного элемента. Функция, реализуемая таким элементом, называется шефферовой. К универсальным, шефферовым относятся логические элементы, реализующие функции ИЛИ-НЕ и И-НЕ (...ЛЕ... и ...ЛА... в микросхемных сериях). Но RS-триггер можно построить и из элементов, не составляющих функционально полной системы.
Такой триггер показан на рис. 3, а, б. Режиму хранения здесь соответствует напряжение низкого уровня на входе S и высокого - на входе R. Триггер устанавливают в состояние 0 подачей на вход R напряжения низкого уровня. Напряжение высокого уровня, поданное на вход S, переведет триггер в состояние 1. Триггеры такой конфигурации замечательны тем, что имеют минимальную сложность в базисе И, ИЛИ, НЕ (принятое в работах по синтезу схем выражение «в базисе...» означает, что при создании того или иного устройства разработчик имеет право пользоваться лишь элементами, указанными в базисном наборе. Достижение требуемого результата возможно меньшим числом базисных элементов - одна из основных задач конструктора. Построение схемы, реализующей заданную функцию минимально возможным числом базисных элементов, относится к числу труднейших задач математической логики).
В практическом синтезе может возникнуть необходимость управлять триггером по нескольким, никак не связанным друг с другом S- или R-входам. Такой триггер показан на рис. 4, а, б. Это, очевидно, разновидность триггера, изображенного на рис. 1. Появление «единичного» напряжения на любом из S-входов переводит триггер в состояние 1. Оно же, но приложенное к любому из R-входов, вернет его в состояние 0.
Функционально ту же многоканальность управления триггером можно было бы получить, включив на S- и R-входы триггера по многовходовому дизъюнктору. Но этот вариант был бы, очевидно, более громоздким.
Рис. 4. Триггере многоканальным управлением
Как известно, в триггере комбинацию входных сигналов, инверсную по отношению к режиму хранения, принято запрещать. Для триггера, изображенного на рис. 1, это {S=1, R=1}. Инверсный набор входных сигналов запрещают потому, что при возвращении триггера в режим хранения - при смене {S=1, R=1} на {S=0, R=0} - он может непредсказуемо оказаться как в нулевом, так и в единичном состоянии. Это зависит от того, на каком из входов - S- или R - сигнал 1 задержится чуть дольше. Но если такой неопределенности нет и смещение спадов S- и R-сигналов известно и даже специально организовано, то накладывать безусловный запрет на SR-комбинацию, инверсную по отношению к режиму хранения, нет необходимости.
Заметим в заключение, что триггеры, составленные из логических элементов, не только'позволяют обойтись без специальных, «триггерных» микросхем, но могут существенно упростить трассировку монтажа, так как «синтетический» триггер можно собрать из ближайших по месту на печатной плате свободных логических элементов.
Насчитывается несколько видов триггеров: D-триггеры, JK-триггеры, RS-триггеры, T-триггеры. Из названий триггеров можно определить количество входов. Так у D-триггера есть всего один вход D, а у JK — два входа J и K. Если триггер является синхронным — добавляется вход синхронизации C.
Каждый тип триггера имеет таблицу работы (таблицу истинности), в которой указывается как различные значения на входах триггера влияют на его состояние. Состояние триггера обозначают буквой Q. Индекс возле буквы означает состояние до подачи сигнала (t) или после подачи сигнала (t+1). Рассмотрим эти таблицы для перечисленных триггеров в асинхронном режиме (без входа С):
|
|
|
|
Если триггер синхронный то существует также дополнительный вход синхронизации. При записи информации в триггер на него необходимо подать 1.
Содержание отчета:
Оформить титульный лист в соответствии с СТП 1.2 – 2005.
В лабораторной работе необходимо отразить следующее:
А) Название лабораторной работы.
Б) Цель работы.
Г) Задание.
Д) Выполненная работа в соответствии с заданием.
Е) Ответы на контрольные работы.
Ж) Вывод.
3. Отчет необходимо оформить в папку.
Контрольные вопросы:
Дать определение понятию «Триггер».
Укажите классификацию триггеров.
Опишите порядок построения разновидностей триггера.
Что такое таблица истинности?
Лабораторная работа №4
Тема: Анализ работы шифратора и дешифратора
Цель работы: Закрепить и систематизировать полученные знания по пройденной теме.
Задание: Выполнить действия по вариантам: 1 вариант – чётные по журналу; 2 – вариант нечётные по журналу. 1 вариант: А; 2 вариант: Б.
А) Вычертите схему шифратора на элементах «ИЛИ-НЕ»;
Б) Вычертите схему дешифратора на элементах «И-НЕ»;
Пояснения к работе:
Шифратор, (называемый так же кодером) - устройство, осуществляющее преобразование десятичных чисел в двоичную систему счисления. Пусть в шифраторе имеется m входов, последовательно пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2, 3, ..., m - 1), и n выходов. Подача сигнала на один из входов приводит к появлению на выходах n- разрядного двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа.
рис 5.17
рис 5.18
Очевидно, трудно строить шифраторы с очень большим числом входов m, поэтому они используются для преобразования в двоичную систему счисления относительно небольших десятичных чисел. Преобразование больших десятичных чисел осуществляется методами, приведенными в справочнике "Системы счисления"
Шифраторы используются в устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут снабжаться клавиатурой, где клавиша которой связана с определенным входом. При нажатии подается сигнал на определенный вход шифратора, и на выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.
-
Таблица 5.5
Десятичное число
Двоичный код 8421
x8
x4
x2
x1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
Таблица 5.6 |
|||||
Входной код 8421 |
Номер выхода |
||||
x8 |
x4 |
x2 |
x1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
3 |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
4 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
5 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
6 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
7 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
|
На рис. 5.17 приведено символическое изображение шифратора, преобразующего десятичные числа 0, 1, 2, ..., 9 в двоичное представление в коде 8421. Символ CD образован из букв, входящих в английское слово CODER. Слева показано 10 входов, обозначенных десятичными цифрами 0, 1, ..., 9. Справа показаны выходы шифратора: цифрами 1, 2, 4, 8 обозначены весовые коэффициенты двоичных разрядов, соответствующих отдельным выходам.
Из приведенного в табл. 5.5 соответствия десятичного и двоичного кодов следует, что переменная x1 на выходной шине 1 имеет уровень лог. 1, если имеет этот уровень одна из входных переменных y1, у3, у5, у7, у9. Следовательно, x1 = yl \/ y3 \/ y5 \/ y7 \/ y9.
Для остальных выходов x2 = y2 \/ y3 \/ y6 \/ y7; x4 = y4 \/ y5 \/ y6 \/ y7; x8 = y8 \/ y9.
Этой системе логических выражений соответствует схема на рис. 5.18,а. На рис. 5.18,б изображена схема шифратора на элементах ИЛИ-НЕ.
Шифратор построен в соответствии со следующими выражениями:
При этом шифратор имеет инверсные выходы.
При выполнении шифратора на элементах И-НЕ следует пользоваться следующей системой логических выражений:
В этом случае предусмотрена подача на входы инверсных значений, т. е. для получения на выходе двоичного представления некоторой десятичной цифры необходимо на соответствующий вход подать лог. 0, а на остальные входы - лог.1. Схема шифратора, выполненная на элементах И-НЕ, приведена на рис. 5.18,в.
Изложенным способом могут быть построены шифраторы, выполняющие преобразование десятичных чисел в двоичное представление с использованием любого двоичного кода,