Вопросы для самопроверки
1. Изобразите схему асинхронного суммирующего счетчика импульсов с произвольным модулем счета.
2. Изобразите схему асинхронного вычитающего счетчика импульсов с произвольным модулем счета.
3. Изобразите схему реверсивного синхронного счетчика импульсов с модулем счета равным степени два.
4. Назовите основные типы регистров.
3.6. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
Принцип дискретизации аналоговых сигналов.
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП): принцип построения, функциональные элементы ЦАП, погрешность преобразования.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Способы преобразования: последовательный, параллельный, поразрядное взвешивание.
Реализация ЦАП и АЦП на интегральных схемах [1, 4].
Вопросы для самопроверки
1. Поясните принцип работы ЦАП.
2. Какие функциональные элементы ЦАП влияют на точность преобразования?
3. Дайте сравнительную оценку быстродействия и аппаратных затрат для различных способов аналого-цифрового преобразования.
4. Какие функциональные элементы АЦП влияют на точность преобразования?
4. Контрольные задания
4.1. Общие методические указания
При изучении дисциплины «Цифровые и импульсные устройства» предусматривается выполнение одной контрольной работы.
Перед выполнением контрольной работы следует изучить соответствующий теоретический материал и рассмотреть примеры решений, приведенные в данном методическом руководстве.
Защита контрольной работы проводится в виде собеседования по вопросам теории и практическому применению теоретических знаний для решения двух поставленных задач.
4.2. Контрольное задание № 1
Синтезировать комбинационное устройство, которое реализует логическую функцию, заданную таблицей истинности в соответствии с вариантом задания (табл. 2). Вариант задания должен совпадать с номером в списке группы.
Разработать функциональную и принципиальную схему устройства, используя только одну интегральную микросхему (ИС) из серии 155 (7400). Обозначение используемых микросхем, их назначение и нумерация выводов приведены в прил. 2.
На принципиальных схемах, предназначенных для моделирования логических функций (цифровых устройств) в среде EWB предусмотреть использование генератора слова и логического анализатора (прил. 1).
Выполнение задания требует знания всех этапов синтеза комбинационных схем, т.е. порядка представления (записи) логической функции, минимизации и схемной реализации в заданном базисе.
Таблица 2
N│10 |
X4 |
X3 |
X2 |
X1 |
Номер варианта задания |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|||||
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Ф |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Ф |
Ф |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
Ф |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
Ф |
1 |
Ф |
Ф |
1 |
0 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
Ф |
Ф |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Ф |
Ф |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
11 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
0 |
12 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Ф |
0 |
0 |
Ф |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
13 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
14 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
14 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Ф |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Продолжение табл. 2
N│10 |
X4 |
X3 |
X2 |
X1 |
Номер варианта задания |
|||||||||
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
|||||
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Ф |
0 |
0 |
1 |
0 |
Ф |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Ф |
1 |
1 |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
1 |
1 |
1 |
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
1 |
1 |
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
Ф |
1 |
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Ф |
0 |
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
Ф |
1 |
0 |
0 |
0 |
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Ф |
1 |
0 |
11 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
0 |
Ф |
1 |
1 |
12 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
13 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
0 |
Ф |
0 |
14 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
Ф |
1 |
14 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Ф |
0 |
0 |
Ф |
0 |
0 |
1 |
1 |
Примечание. Ф – запрещенное состояние.
4.3. Пример выполнения контрольного задания № 1
Синтезировать логическое устройство для реализации функции, заданной таблицей истинности (табл. 3). Разработать функциональную и принципиальную схему устройства, используя только одну микросхему из серии К133 (155): ЛА1, ЛА4, ЛА3, ЛЕ1, ЛР1, ЛР3.
Заполняем карту Карно и объединим
соседние единичные клетки (рис. 1). В
результате группирования соседних
единичных клеток получим алгебраическое
выражение логической функции в ДНФ,
содержащей один минтерм с двумя
переменными
.
Реализуем схему логического устройства
в базисе 2И‑НЕ на микросхеме 155ЛА3.
Для этого преобразуем алгебраическое
выражение в указанный базис:
.
Функциональная схема устройства,
эквивалентная этому алгебраическому
выражению, приведена на рис. 2
Таблица 3
№ наб. |
Х4 |
Х3 |
Х2 |
Х1 |
F |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
ф |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
ф |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
ф |
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
ф |
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
11 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
12 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
13 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
14 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
15 |
1 |
1 |
1 |
1 |
ф |
Рис. 1
Рис. 2. Функциональная схема цифрового устройства для примера 1
По функциональной схеме в программе EWB создаем принципиальную схему цифрового устройства (рис. 3), реализующего заданную логическую функцию. В принципиальную схему включаем виртуальные измерительные приборы: генератор слова и логический анализатор. Выполняем настройку приборов, используя рекомендации приложения 1.
Рис. 3. Принципиальная схема цифрового устройства с таблицами настройки приборов
В программе EWB включаем режим моделирования. На экране логического анализатора получаем временные диаграммы, представленные на рис. 4.
Рис. 4. Временная диаграмма, полученная в результате моделирования устройства
Выводы
Сравнивая участок временной диаграммы, ограниченный временными метками, с таблицей истинности (табл. 3) получаем полное совпадение значений каждой строки таблицы с соответствующим тактом (длиной 1 мс) временной диаграммы.
При этом следует учитывать, что в процессе группирования ячеек карты Карно (рис. 1) все запрещенные состояния логической функции были доопределены 0.
4.4. Контрольное задание № 2
На основе микросхем JK-триггера (прил. 3) составить таблицу состояний, разработать функциональную и принципиальную схему асинхронного суммирующего счетчика с заданным модулем счета. Модуль счета Ксч и тип микросхем JK-триггера определяются номером варианта по табл. 4.
При разработке использовать логические элементы микросхем серии К155 (74), имеющиеся в библиотеке элементов программы EWB (прил. 2).
Проверить таблицу состояний счетчика по логическому анализатору и убедиться в правильности его работы, для чего задать медленный режим работы генератора кодовых слов (F = 1 кГц).
Проверить работу счетчика в динамическом режиме. Для этого подключить вход и выход старшего разряда счетчика к осциллографу, задать быстрый режим работы генератора кодовых слов (F= 10 МГц). Измерить по осциллографу время установления кода счетчика Туст.
Таблица 4
Исх. данные |
Вариант задания |
||||||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||||||||||
Триггер |
74 72 |
74 109 |
74 112 |
74 107 |
74 113 |
74 114 |
74 72 |
74 114 |
74 113 |
74 107 |
74 112 |
74 109 |
|||||||||
Ксч |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
11 |
11 |
11 |
11 |
11 |
11 |
|||||||||
Исх. данные |
Вариант задания |
||||||||||||||||||||
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
||||||||||
Триггер |
74 72 |
74 72 |
74 109 |
74 112 |
74 107 |
74 113 |
74 114 |
74 72 |
74 114 |
74 113 |
74 107 |
74 112 |
|||||||||
Ксч |
12 |
13 |
14 |
12 |
13 |
14 |
15 |
15 |
15 |
15 |
15 |
15 |
|||||||||
4.5. Пример выполнения контрольного задания № 2
На основе микросхем JK-триггера 555ТВ6 (74107) составить таблицу состояний, разработать функциональную и принципиальную схему асинхронного суммирующего счетчика с модулем счета Ксч = 11.
Для описания работы счетчика составим таблицу его состояний (табл. 5). Состояния счетчика sn в таблице изменяются с периодом КСЧ = 11, т.е. sn = s(n + i∙Kсч), i = 0…∞. Всякий раз при достижении счетчиком состояния sn = 11, он в результате операции сброса переходит в состояние 0. Состояние sn = 11 является временным, запрещенным в отличие от других устойчивых состояний. Время пребывания в этом состоянии определяется временем реакции триггеров на сигнал сброса по асинхронному входу и не превышает нескольких десятков нс.
Таблица 5
n(10) |
sn |
sn(10) |
Режим |
|||
Q4 |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
|||
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Счет |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
|
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
3 |
|
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
4 |
|
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
5 |
|
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
6 |
|
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
7 |
|
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
|
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
|
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
10 |
|
11 |
1 |
0 |
1 |
1 |
11 |
Сброс |
11 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Счет |
13 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
14 |
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
|
Комбинационная схема, выполняющая сброс счетчика, должна выделять состояние sn = КСЧ = 11. Учитывая инверсное значение асинхронного входа сброса в применяемых триггерах, составим алгебраическое уравнение схемы
Получим функциональную схему проектируемого счетчика, представленную на рис. 5.
Рис. 5. Функциональная схема асинхронного суммирующего счетчика на Т-триггерах с КСЧ = 11
Перед построением принципиальной схемы в среде EWB изобразим схему включения микросхемы 555ТВ6, содержащей два JK-триггера, в режим Т-триггера (рис. 6).
Рис. 6
По функциональной схеме в программе EWB составим принципиальную схему счетчика (рис. 7). В принципиальную схему включаем виртуальные измерительные приборы: генератор слова, осциллограф и логический анализатор. Выполняем настройку приборов, используя рекомендации прил. 1.
Рис. 7. Принципиальная схема счетчика с таблицей настройки генератора слова
В программе EWB включаем режим моделирования. На экране логического анализатора получаем временные диаграммы, представленные на рис. 8. Тактовая частота генератора слов составляла 1 кГц, тактовая частота логического анализатора – 4 кГц.
Включаем режим моделирования с тактовой частотой генератора слов 10 МГц. На экране осциллографа получим временную диаграмму (рис. 9) для измерения времени установления кода счетчика Туст.
Выводы
Сравнивая участок временной диаграммы (рис. 8) с таблицей состояния (табл. 5) получаем полное совпадение значений каждой строки таблицы с соответствующим тактом (длиной 4 мс) временной диаграммы.
По осциллограмме (рис. 9) с помощью временных меток определяем время установления кода счетчика Туст = Т2-Т1 = 36 нс.
Рис. 8. Временная диаграмма для проверки соответствия работы счетчика таблице состояний
Рис. 9
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Краткие сведения по применению программы EWB
Команды меню
В данном разделе приведено описание специфических команд меню, используемых в программе EWB.
Команда File > Revert to Saved используется для коррекции схемы путем возврата на последнее сохраненное изображение.
Команда Edit > Copy as Bitmap используется для копирования выделенной части экрана в буфер обмена.
Построение схем
Процесс построения схемы состоит из трех этапов.
Этап 1. Перенос элементов из панелей инструментов на рабочую область и примерное расположение элементов на своих местах. При этом полезно пользоваться кнопками вращения элементов, изображёнными ниже
Этап 2. Соединение контактов элементов.
Для соединения необходимо: навести
курсор мыши на вывод элемента так, чтобы
появилась чёрная точка контакта; нажать
левую клавишу мыши, и не отпуская её,
провести проводник к элементу, с которым
надо установить соединение; отпустить
клавишу мыши, когда проводник достигнет
вывода другого элемента и появится его
точка контакта
.
В случае необходимости можно добавить
дополнительные узлы (разветвления). Для
этого нужно перетащить элемент узел
с панели инструментов на проводник,
который надо разветвить.
Этап 3. Задание номиналов элементов. Двойной щелчок на элементе приводит к появлению диалогового окна его свойств. Содержание окна свойств существенно зависит от типа элемента. Общими для всех окон свойств являются закладки Label и Fault. В первой из них задаётся имя элемента и его обозначение (название) на схеме, во второй — возможные неисправности элемента. Для удаления участка цепи необходимо его выделить и нажать клавишу Del.
Ниже приведены сведения, необходимые для применения используемых в работе контрольно-измерительных приборов программы EWB.
Моделирование схем выполняют
следующим способом. Если в схеме
установлены измерительные приборы, то
она запускается на моделирование
включением напряжения питания тумблером,
расположенным в правой верхней части
экрана
.
Там же расположена кнопка Pause,
с помощью которой можно зафиксировать
процесс моделирования в определенном
состоянии. На экране осциллографа
просматриваются графики сигналов в
выбранных узлах. Для лучшего визуального
просмотра на осциллографе подбираются
необходимые чувствительность по
вертикальному каналу и длительность
развертки.
В программе EWB используются следующие обозначения производных единиц для выражения значений параметров.
Обозначение |
Наименование |
Значение |
Обозначение |
Наименование |
Значение |
m |
мили |
10 –3 |
k |
кило |
10 3 |
u или μ |
микро |
10 -6 |
M |
мега |
10 6 |
n |
нано |
10 –9 |
G |
гига |
10 9 |
p |
пико |
10 –12 |
T |
тера |
10 12 |
Контрольно-измерительные приборы
Функциональный генератор (рис. П1.1) имеет выходные клеммы: «+», «Common» и «-». На клемме «+» формируются импульсы положительной полярности, на клемме «-» - импульсы отрицательной полярности. Клемма «Common» должна быть заземлена.
Рис. П1.1. Условно-графическое обозначение функционального генератора и таблица его настройки
Таблица настройки появляется на рабочем поле программы после двойного щелчка мыши по условно-графическому обозначению генератора. Она служит для задания параметров импульсов: формы импульсов, частоты следования (Frequency), коэффициента заполнения (Duty cycle в % ), амплитуды (Amplitude) и смещения (Offset). Так установка амплитуды 2,5 V и смещения 2,5 V обеспечивает формирование однополярных импульсов (с нулевым исходным уровнем) с амплитудой 5 V.
Осциллограф. Условно-графическое обозначение осциллографа и его экран в сжатом виде приведено на рис. П1.2.
Осциллограф имеет два канала (Сannel А и В) с раздельной регулировкой чувствительности от 10 мкВ/дел до 5 кВ/дел и регулировкой смещения по вертикали (Y position). Режим по входу выбирается кнопками АС (закрытый вход - наблюдается только переменный сигнал) и DC (открытый вход - наблюдается переменная и постоянная составляющие сигнала).
Рис. П1.2
Обычный режим развертки (по вертикали – напряжение сигнала, по горизонтали – время) выбирается кнопкой Y/T. В этом режиме длительность развертки (Time Base) может быть задана в пределах от 0,1 нс/дел до 1с/дел. В режиме В/А по вертикали откладывается напряжение канала В, по горизонтали – канала А.
Режимы работы развертки задаются функциональным блоком (Trigger). Развертка может иметь автоколебательный режим (Auto), ждущий режим с запуском от канала А, от канала В или от внешнего источника (Ext). Кнопки Edge обеспечивают синхронизацию по переднему или заднему фронту запускающего сигнала при его регулируемом уровне (Level).
При нажатии на кнопку Expand экран осциллографа расширяется. Появляются две визирные линии, с помощью которых можно измерять напряжение, временные интервалы и их приращения. Возврат к уменьшенному отображению экрана осциллографа осуществляется кнопкой Reduce.
Генератор слова (Word Generator)
Генератор слова предназначен для генерации 1024-х 16-разрядных слов. Внешний вид генератора, отображаемого на поле схемы, приведен на рис. П1.3.
Выходы 8-16 разрядов Выходы 1-8 разрядов кодовой комбинации слова
Рис. П1.3. Изображение генератора слова на схеме
Таблица настройки генератора приведена на рис. П1.4.
Рис. П1.4. Таблица настройки генератора слова и окно установки образца кодовой последовательности (Pattern)
Каждая кодовая комбинация в шестнадцатеричной форме заносится с клавиатуры в одну из 1024 ячейку, на которой установлен маркер. Номер этой ячейки отображается в окошке Edit блока Addres.
В процессе работы в окошке Current блока Addres индицируется номер текущей ячейки, код которой поступает на выходные клеммы генератора.
Номера начальной и конечной ячеек определяют отрезок последовательности генерируемых слов. Их значения отображаются в окошках Initial и Final блока Addres. Редактирование указанных значений выполняется с клавиатуры после установки курсора на соответствующую позицию одного из указанных окошек и дойного щелчка мышью.
Пуск генератора может выполняться в циклическом режиме (при нажатии кнопки Cicle), в режиме формирования одной кодовой последовательности (при нажатии кнопки Burst), в пошаговом режиме (при нажатии кнопки Step на каждом шаге).
Кнопка Breakpoint осуществляет прерывание работы генератора в момент формирования кодового слова с адресом 0000, если он входит в отрезок последовательности генерируемых слов.
При нажатии кнопки Pattern (Образец) на экране отображается меню для выполнения следующих операций:
Clear buffer – обнулить содержимое всех ячеек кодовых слов;
Open – загрузить кодовые комбинации из файла с расширением .dp;
Save – записать кодовые комбинации в файл с расширением .dp;
Up counter – установить последовательность кодовых комбинаций, начиная с 0 с дальнейшим прибавлением 1 в каждой последующей ячейке;
Down counter – установить последовательность кодовых комбинаций, начиная с FFFF с дальнейшим уменьшением на 1 в каждой последующей ячейке;
Shift rigt – запись повторяющихся последовательностей длиной по 16 слов с пробегом 1 от старшего (16-го) разряда к младшему (первому) разряду;
Shift left – запись повторяющихся последовательностей длиной по 16 слов с пробегом 1 от младшего (первого) разряда к старшему (16-му) разряду.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочные данные на логические элементы микросхем 133, 134, 155, 530, 555 серий
ПРИЛОЖЕНИЕ 3