4. Методические указания

   1. Изучить функциональные свойства MS – это, значит, выяснить способность мультиплексоров к реализации произвольных логических функций и возможность применения для решения других задач кроме основного функционального назначения.

Для выяснения функциональных свойств мультиплексоров в статическом режиме используется аналитический метод. То есть по логико-математической модели мультиплексора следует проанализировать логические зависимости выходного сигнала от входных и на основании этого анализа определить возможность применения MS для реализации логических функций. Поскольку логическими функциями описываются комбинационные устройства, то одновременно находится ответ на вопрос: «Какие комбинационные устройства могут быть реализованы на мультиплексоре заданного порядка?».

Цель анализа работы мультиплексора в динамическом режиме заключается в следующем. Требуется выяснить функциональные возможности его в формировании последовательностей импульсов с требуемыми временными соотношениями. При этом временными соотношениями могут устанавливаться между длительностями импульсов, длительностями пауз и длительностями импульсов и пауз конкретной последовательности. Этот анализ проводится методом построения временных диаграмм. При этом последовательности входных сигналов выбираются «типовыми» с фиксированными временными соотношениями, и отыскивается возможность формирования выходных последовательностей с заданными временными соотношениями.

При ознакомлении с составом субблока МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ-СЕЛЕКТОРЫ уясните назначение всех «элементов»: функциональных, коммутационных и элементов индикации. Для этого используйте функциональную схему рис.3 и схему, приведенную на лицевой панели субблока. Сравните эти схемы и уясните их различия.

Убедитесь в работоспособности субблока. Для этого тумблеры на лицевой панели поставьте в показанные на рис.3 положения, кроме тумблера SA1. Он должен стоять в положении РУЧН. Питание субблока должно быть отключено. В таком случае счётчик D6 окажется подготовленным к работе в потактовом режиме от кнопки ПУСК (SB1), а на стробирующих входах всех мультиплексоров будут запрещающие сигналы.

Проверку работоспособности выполнить в следующем порядке:

• Включить тумблер СЕТЬ на субблоке СЕКУНДОМЕР лабораторного стенда;

• Включить тумблер ПИТАНИЕ на субблоке. Должны загореться светодиоды контроля напряжения питания и на выходе мультиплексора D11 (VH8);

• Периодически нажимая кнопку ПУСК, по светодиодам на выходах счётчика (VH1÷VH4) проверьте его работу: цикл смены состояний счётчика должен состоять из 16 тактов. Нажатие кнопки СБРОС (SB2) должно приводить счётчик в нулевое состояние – указанные светодиоды гаснут;

• Поставьте тумблер SA1 в положение ГЕНЕР и однократно нажмите кнопку ПУСК. Счётчик D7 должен периодически менять своё состояние от 0000 до 1111 (от 0 до 15). Остановите работу генератора, нажав кнопку СБРОС.

2. Функциональные свойства MS в статическом режиме исследуются на примерах реализации логических функций, описывающих работу комбинационных устройств: цифрового компаратора и арифметического сумматора двух 2-разрядных двоичных чисел; мажоритарных элементов; схем логического порога и схемы контроля чётности/нечётности (см. табл.1). Номер варианта указывает преподаватель. Индивидуальным заданием предусматривается:

• По наименованию функции определить её значения в зависимости от значений аргументов, т.е. значения выходного сигнала соответствующего устройства от значений входных сигналов;

• Построить карту Карно этой функции;

• Выбрать порядок мультиплексора и соответствующую микросхему. Определить значения сигналов по информационным входам MS и тумблерами SA11÷SA26 зафиксировать эти значения;

• Выбрать способ формирования сигналов по адресным входам («вручную» либо «автономно») и, подавая эти сигналы, проконтролировать значения сигнала на выходе выбранного мультиплексора.

При выполнении вариантов №1÷»5 учтите, что входы у компаратора и арифметического сумматора функционально неравнозначны. Поэтому порядок подачи сигналов на адресные входы мультиплексора жёстко фиксирован, а сами сигналы имеют конкретное смысловое значение. Примите следующее представление «обрабатываемых» чисел: - число А → <а₁ а₀>; - число В → <b₁ b₀>.

Переменным а₀ , b₀ будут соответствовать младшие разряды, а переменным а₁ , b₁ – старшие разряды указанных чисел. Тогда наборы <а₁ а₀> и <b₁ b₀> будут отображать в двоичной системе счисления значения этих чисел. Если условия А=В, А>В и А<В выполняются, то выходные сигналы, описываемые функциями R, Б и М, должны принимать значения лог.1. Аналогично для арифметического сумматора если сумма вторых разрядов равна 1 или сигнал переноса возникает, то функции S₁ и P₂ должны иметь значение лог.1.

Варианты №6, … №10 относятся к реализации многовходовых логических элементов, у которых все входы логически равнозначны. Поэтому порядок подачи сигналов на адресные входы мультиплексора безразличен.

Эксперименты провести на подтверждение адекватности функционирования мультиплексора (по исследуемой схеме его включения) описываемой его же функций. Для этого сопоставьте значение выходного сигнала MS со значением функции при всех 16-ти комбинациях по адресным его входам.

Вначале проведите эксперимент при формировании адресных сигналов тумблерами SA5,...SA8, а затем, когда эти сигналы формируются счетчиком D7 в потактовом режиме.

Сделайте выводы по результатам экспериментов относительно способа подключения информационных входов MS, позволяющего реализовать заданную функцию или её инверсию.

6.3. Возможность использования MS для формирования последовательностей импульсов проверяется при работе субблока в динамическом режиме, когда сигналы но адресным входам непрерывно периодически меняются, пробегая все множество комбинаций. В зависимости от порядка выбранного мультиплексора это множество может состоять из 4-х, 8-и и 16-и комбинаций Соответственно, полный цикл перебора этих комбинаций (длительность цикла) составит 4, 8 или 16 тактов.

Возможны два случая: 1) когда длительность цикла не регламентирована; 2) длительность цикла имеет фиксированное, конкретное значение.

В первом случае частота смены адресных комбинаций определяется темпом нажатия кнопки ПУСК ("вручную"), а во втором частотой импульсов от генератора D4 (≈ 2 Гц) Поэтому длительности тактов Δt, в первом случае, будут иметь произвольные значения, определяемые интервалом времени между моментами нажатия кнопки ПУСК, а во втором - Δt≡0,5 сек.

Индивидуальным заданием №2 (см. табл.2) предусматривается формирование последовательности (импульсов), отображающей точки и тире при передаче сигналов азбукой Морзе (русского алфавита). Вариант задания указывает преподаватель.

По этому заданию необходимо:

построить временную диаграмму последовательности импульсов (сигнал лог.1) и пауз (сигнал лог. 0) с требуемыми временными соотношениями;

определить длительность цикла формирования последовательности при условии, что длительности "точек" и "пауз" между "точками" и "тире" составляют один такт (Δt), длительность тире 3Δt, а длительность паузы между последовательностями ("буквами") ≥3Δt;

выбрать порядок мультиплексора и составить схему его включения для формирования требуемой последовательности, определив номера информационных входов, подключаемых к шинам лог. 1 и лог. 0;

• выполнить эксперименты, проконтролировав по загоранию светодиода на выходе мультиплексора длительности импульсов и длительности пауз. При этом контроль в потактовом режиме выполнить числом тактов, входящих в длительности точек и тире. А в автономном режиме - визуально по светодиоду.

В ходе эксперимента постройте временные диаграммы работы субблока в автономном режиме формирования заданной последовательности. На диаграммах отобразить сигналы на выходах следующих "элементов" (см. рис.3): D3, D4, D7 и на выходе выбранною мультиплексора.

6.4. Выводы о применении мультиплексоров сделайте, отметив:

а) прямое назначение мультиплексоров-селекторов и существующие (реальные) виды MS в интегральном исполнении (и не только в серии ИМС К155),

б) возможность реализации логических функций и комбинационных устройств на основе только мультиплексоров (без дополнительных логических элементов);

в) возможность применения MS в составе более сложных устройств для формирования последовательностей импульсов с заданными временными соотношениями.

Делая выводы (а), учтите, что в интегральном исполнении выпускаются мультиплексоры, различающиеся не только "порядком", то есть числом адресных и информационных входов, но и способом "организации" выходов и числом одновременно коммутируемых направлений ("многоканальностью").

Формулируя выводы (б), оцените множество логических функций, которые можно реализовать на мультиплексоре-селекторе выбранного порядка без дополнительных логических и других элементов. Сформулируйте свойства реализованных устройств, принимая во внимание возможность появления "критических состязаний" в них. Выводы (в) должны касаться возможных вариантов формируемых последовательностей импульсных сигналов на мультиплексоре-селекторе заданного (либо выбранного) порядка. При этом оцените длину последовательности количеством импульсов и пауз. Пределы изменения длительностей импульсов и пауз в последовательности (длительность цикла формирования последовательности) количеством тактов.

Вопросы для самопроверки

1. Каково прямое функциональное назначение мультиплексоров-селекторов? Приведите полное название микросхем К155КП2, К155КП7, К155КП1. Объясните назначение входов, выходов микросхем и приоритеты входных сигналов.

2. Почему мультиплексоры-селекторы следует отнести к универсальным логическим модулям? Докажите это.

3. Что называют "порядком" мультиплексора-селектора? Назовите разновидности ИМС мультиплексоров-селекторов и приведите их УГО.

4. Каким образом по алгебраическому выражению логической функции ее можно реализовать на MS? Как выбрать порядок мультиплексора и определить способ подключения его информационных входов к шинам лог.0 к лог.1 для реализации требуемой функции?

5. Сколько логических функций можно реализовать и, соответственно построить комбинационных устройств, на мультиплексоре К155КП в виде устройств с типовой структурой?

6. На основании чего можно получить логико-математическую модель (логическое описание) мультиплексора-селектора? Каков функциональный состав любого мультиплексора селектора? Приведите обобщенную функциональную схему MS.

7. Каким образом MS-p можно использовать для формирования импульсных последовательностей с заданными временными соотношениями? Что дополнительно для этого требуется и как определить способ подключения информационных входов MS к шинам лог.0 и лог.1 при формировании требуемой последовательности? Покажите это на примере выполнения индивидуального задания №2.

8. В чем отличие мультиплексоров-селекторов, рассмотренных в лабораторной работе, от MS с тремя состояниями выхода? Приведите пример такого мультиплексора.

9. Какие ограничения накладываются на формирование импульсных последовательностей с помощью MS? (На длительности цикла? Импульсов? Пауз? И на число импульсов в последовательности?)

10. Как построить MS требуемого порядка из стандартных микросхем MS меньшего порядка? Ответ иллюстрируйте примером построения MS-6 на ИМС К155КП2 и К155КП1.

Работа 7. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ-СЕЛЕКТОРЫ