Задания на лабораторную работу

Синтезировать на основе имеющихся в библиотеке САПР Quartus II примитивов РТС на основе сдвигающего регистра в соответствии с заданием, приведенном в таблице 6.2. Расшифровка вариантов: первая цифра – количество выходных каналов, вторая 1 – циркуляция единицы, 0 – циркуляция нуля.

Таблица 6.2.

Номер варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Шифр задания	6, 0	7, 1	7, 0	8, 1	8, 0	6, 1	9, 0	9, 0	5, 1	5, 0	10, 0	10, 1

Синтезировать на основе имеющихся в библиотеке САПР Quartus II примитивов РТС на основе счетчика Джонсона в соответствии с заданием, приведенном в таблице 6.3. Расшифровка вариантов: первая цифра: количество выходных каналов, вторая цифра: 1 – циркуляция единицы, 0 – циркуляция нуля, третья цифра: 1 – счетчик без восстановления, 2 – с самовосстановлением с перекрестной обратной связью по выражению 6.1, 3 – с самовосстановлением, реализованным с дополнительным триггером.

Таблица 6.3.

Номер варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Шифр задания	6, 0	7, 1	7, 0	8, 1	8, 0	6, 1	9, 0	9, 0	5, 1	5, 0	10, 0	10, 1

Последовательность выполнения работы

1. Разработать функциональную схему РТС на основе сдвигающего регистра с самовосстановлением после сбоя в соответствии с заданием.

2. Подготовить проект в САПР Quartus II.

3. Выполнить функциональное моделирование проекта, убедиться в правильности работы схемы.

4. Повторить п. 1 – 3 для РТС на основе счетчика Джонсона.

5. Добавить в проект счетчик понижающий частоту тактового сигнала. Выполнить компиляцию. Назначить контакты ПЛИС.

6. Загрузить проект на плату, наблюдать работу устройства в автоколебательном режиме.

Содержание отчета

1. Спроектированные функциональные схемы РТС на основе сдвигающего регистра и счетчика Джонсона.

2. Схемные файлы САПР Quartus II.

3. Временные диаграммы, полученные в ходе функционального моделирования спроектированных устройств.

4. Описание процесса макетирования РТС на основе счетчика Джонсона.

Лабораторная работа 7 проектирование двоичных счетчиков

Цель работы – исследовать особенности функционирования двоичных счетчиков с вырожденными переходами (принудительной установкой в состояния) и различными способами организации переноса.

Краткие теоретические сведения

Счетчиками называются узлы последовательностного типа, осуществляющие счет поступающих на вход импульсов, фиксацию и сохранение результата в заданном коде. Счетчики классифицируются по ряду признаков: направлению счета (суммирующие, вычитающие, реверсивные), способу организации цепей переноса (последовательный, параллельный, сквозной и групповой), используемой системе счисления (двоичная позиционная, двоично-десятичная, прочие недвоичная), модулю счета М – числу состояний счетчика.

В позиционной системе счисления n-разрядный счетчик имеет модуль счета M = 2ⁿ. Переходы, реализуемые в таком счетчике, называются невырожденными, а порядок счета – естественным.

Для организации произвольного модуля счета сокращают число внутренних состояний счетчика, запрещая попадание счетчика в ряд из них, то есть с помощью определенных схемных приемов организуют принудительную установку счетчика, так называемые вырожденные переходы.

Остановимся на двух способах построения счетчиков с произвольным модулем: управлении сбросом (установкой) и модификации межразрядных связей.

При управлении сбросом выявляется момент достижения содержимым счетчика значения М – 1. Это является сигналом сброса счетчика в следующем такте, после чего начинается новый цикл. Такой вариант обеспечивает легкость перестройки счетчика на другие значения модуля, т. к. требуется изменять лишь код, с которым сравнивается содержимое счетчика для выявления момента сброса.

При построении счетчика с модифицированными межразрядными связями последние, лишние, состояния исключаются непосредственно из таблицы функционирования счетчика. Далее обычным для синтеза автоматов способом строится счетчик, специфика которого состоит в нестандартных функциях возбуждения триггеров и, следовательно, в нестандартных связях между триггерами, что и объясняет название способа. Схема получается специализированная, изменение модуля счета требует изменения самой схемы. В то же время реализация схемы счетчика может оказаться простой.

A_н

а)

б)

A_к

A_к

A_н

в)

г)

д)

Рис. 7.1 Графы двоичных счетчиков

На рис. 7.1, а представлен граф функционирования трехразрядного двоичного счетчика без вырожденных переходов, т.е. с естественным порядком счета. На рис. 7.1, б представлен случай, когда счетчик после состояния А_k переходит в нулевое состояние А₀.

Рис. 7.1, в соответствует случаю переключения счетчика из конечного состояния A₂ⁿ_–1 (переполнения) в ненулевое начальное А_н. Счетчик, имеющий граф функционирования рис. 7.1, г, считает от кода А_н до состояния А_к, после чего вновь оказывается в состоянии А_н. И наконец, в счетчике с так называемым принудительным насчетом (рис. 7.1, д) после достижения кода А_k происходит переключение в состояние А_к+1, а далее естественный счет вплоть до переполнения.

Один из возможных вариантов схемы счетчика, реализующего граф функционирования рис. 7.1, б, представлен на pиc. 7.2, а. До состояния А_k счетчик считает обычным образом. После переключения в состояние А_k+1 на

выходе схемы выделения появляется нулевой сигнал и счетчик сбрасывается в нуль. Состояние А_k+1 существует кратковременно, только в течение переходного процесса в схеме. Схема выделения может быть реализована с помощью стандартного дешифратора либо на дополнительных логических элементах.

a) б)

в)

Рис. 7.2. Варианты реализации счетчика

Граф функционирования рис. 7.1, в реализуется схемой счетчика рис. 7.2, б. При переполнении, т.е. при наличии единиц на всех выходах счетчика, во втором полутакте на выходе переноса Р_о появляется нулевой сигнал. Следовательно, во втором полутакте счетчик установится в состояние и по следующему импульсу переключится в состояние А_н . Недостатком данного варианта построения счетчика является то, что состояние (2ⁿ – 1) существует лишь в течение полутакта.

Схема счетчика, реализующего граф функционирования, представленный на рис. 7.1, г, изображена на рис. 7.2, в. После достижения состояния А_k+1 на входе разрешения приема параллельного кода появляется логический нуль и в счетчик принимается код А_н. Состояние А_к+1 существует в счетчике кратковременно, лишь на время переходного процесса. Для реализации счетчика с принудительным насчетом (рис. 7.1, д) также используется схема рис. 7.2, в, однако схема выделения дешифрирует состояние А_н+1, а на входы приема параллельного кода подается код Ак.

Построение счетчика с модифицированными межразрядными связями рассмотрим на примере М = 5. Пусть требуется спроектировать счетчик с выполняющий счет от 0 до 4. Таблица переходов (табл. 7.1) счетчика имеет следующий вид.

При нахождении функций возбуждения триггеров использован "словарь" JK триггера, приведенный в табл. 4.1.

Таблица 7.1

Исходное состояние	Следующее состояние	Функции возбуждения триггеров
Q2 Q1 Q0	Q2 Q1 Q0	J2 K2	J1 K1	J0 K0
0 0 0	0 0 1	0 X	0 X	1 X
0 0 1	0 1 0	0 X	1 X	X 1
0 1 0	0 1 1	0 X	X 0	1 X
0 1 1	1 0 0	1 X	X 1	X 1
1 0 0	0 0 0	X 1	0 X	0 X

Вместо символа произвольного сигнала Х можно подставлять любое значение (0 или 1), на основании таблицы получим следующие функции:

.

На основании функций может быть построена схема счетчика.

В рассмотренном примере лишние состояния при нормальном функционировании счетчика не используются. Однако, при сбоях или подаче на схему напряжения питания в начале ее работы лишние состояния могут возникать. Поэтому полезно определить поведение схемы, при возникновении лишних состояний, то есть определить переходы, которые происходят из нег о.

Рис. 7.3. Схема счетчика по модулю 5 с модифицированными межразрядными связями

Для полученной схемы счетчика с модулем 5 имеем следующее: лишними являются состояния 101, 110 и 111.

В состоянии 101 Q₂ = 1, Q₁ = 0 и Q₀ = 1 функции возбуждения примут следующие значения J₀ = 0, К₀ = 1, J₁ = К₁ = 1, J₂ = 0, K₂ = 1. Следовательно, триггеры 0 и 2 сбросятся, а триггер 1 переключится в противоположное текущему состояние и из лишнего состояния 101 счетчик перейдет в состояние 010. Аналогично анализируются переходы из состояний 110 и 111.

В итоге будет восстановлен полный граф переходов, представленный на рис. 7.3, в котором учтен и рабочий цикл, и переходы из неиспользуемых состояний (заштрихованные состояния).

Рис. 7.3. Граф переходов счетчика

Анализ графа показывает, что рассматриваемый счетчик обладает свойством самовосстановления после сбоя – независимо состояния вернется в рабочий цикл.

Это свойство можно было обеспечить при разработке схем, добавив в таблицу строки, соответствующие переходам из лишних состояний в любое (любые), соответствующее рабочему циклу.