4.3.Задание на проведение исследований

1.Установите на лабораторный стенд накладку лабораторной работы №4 (см. Рис. 68), включите питание и запустите на стенде лабораторную работу №4, обозначенную в меню как «Регистры и счетчики». Для этого при помощи кнопок «►» и «◄» выберите нужный пункт в меню, а затем при помощи кнопки « » запустите процесс загрузки файла с конфигурацией в память ПЛИС. Убедитесь в том, что стенд включил индикатор «Работа», а дисплей стенда выводит сообщение «Работа выполняется».

Рис. 68. Накладка «Работа №4. Регистры и счетчики»

2. Соберите схему мультивибратора на инвертирующем триггере Шмитта 74HC14 (установлен в блоке «Логические элементы»). Данная схема будет использоваться для исследования практически всех остальных схем в лабораторной работе в качестве тактового генератора, и разбирать ее не нужно до окончания выполнения работы.

В качестве индикатора работы мультивибратора используйте светодиод «С».

R1 220кОм

СLK

DL1

Рис. 69. Схема тактового генератора

При помощи светодиода убедитесь в том, что мультивибратор работает, его выходная частота f составляет порядка 5 Гц (точное значение частоты для выполнения работы не важно), а отдельные вспышки светодиода «С» хорошо различимы глазом.

3. Соберите схему простейшего асинхронного 4-разрядного двоичного суммирующего счетчика, показанную на Рис. 70. В качестве индикатора уровня Q0 здесь и далее рекомендуется использовать светодиод с подписью «0», для Q1 – светодиод с подписью «1» и т.д.

— 57 —

Рис. 70. Схема для исследования асинхронного 4-разрядного двоичного суммирующего счетчика

6. Разберите схему асинхронного счетчика (сохранив схему тактового генератора) и соберите схему простейшего параллельного 4-разрядного регистра на четырех D-триггерах согласно Рис. 72. В качестве источника сигнала цепи D0 рекомендуется использовать переключатель с подписью «0», для D1 – «1» и т.д.

Обратите внимание, что схема параллельного регистра тактируется напрямую от кнопки SA1, а не от тактового генератора.

Учтите, что входы и всех триггеров всегда подключены к лог. «1» (+3.3 В) через высокоомные резисторы подтяжки, встроенные в ПЛИС. Для простоты на схеме они не показаны (и монтировать их также нет необходимости).

Рис. 72. Схема для исследования 4-разрядного параллельного регистра

— 58 —

Полученный регистр защелкивает двоичный код (число) D[3..0], поступающий с группы переключателей SB1-4, по фронту сигнала, поступающего на тактовые входы триггеров. В качестве источника этого сигнала выступает кнопка SA1. Механическая кнопка подвержена эффекту дребезга, так что на практике триггер может, в случае износа кнопки, запоминать число на входе и по нажатию кнопки, и по ее отпусканию.

7. Изменяя входное число при помощи переключателей SB1-4, и нажимая на кнопку SA1, заполните таблицу функционирования регистра по образцу:

Таблица 7. К исследованию параллельного регистра

Здесь Q[3..0]n – число на выходе триггера до нажатия на кнопку SA1, Q[3..0]n+1 – после нажатия кнопки.

8. Не разбирая полностью собранной схемы параллельного регистра, переделайте ее так, чтобы получилась схема кольцевого счетчика с ручной начальной установкой (см. Рис. 73). В частности, нет необходимости отключать от выходов триггеров светодиоды, полностью удалять монтажные провода с тактовых входов триггеров. Обратите внимание, схема тактируется уже не от кнопки, а от тактового генератора, собранного в начале работы на инвертирующем триггере Шмитта.

Триггеры в полученной схеме соединены «цепочкой». Вход следующего триггера подключен к выходу предыдущего, а выход последнего триггера подключен ко входу первого, так что на каждом тактовом импульсе биты, хранимые в регистрах, переносятся по цепочке и по кругу.

Такая схема позволяет, в том числе, реализовать эффект «бегущего огня», однако, для этого нужно, чтобы число, биты которого переносятся по триггерам схемы, имело в своем составе всего одну единицу (остальные биты – нули).

После подачи питания содержимое триггеров неизвестно; на практике, благодаря особенностям ПЛИС, все триггеры обычно хранят единицы, и эффекта бегущего огня не наблюдается.

SB1

Рис. 73. Схема для исследования кольцевого счетчика с ручной начальной установкой

Чтобы инициализировать схему после подачи питания и запуска лабораторной работы, ко входам асинхронного сброса и установки триггеров подключен переключатель SB1 (формирует сигнал цепи nRESET). Незадействованные входы триггеров подключены к лог. «1» через не показанные на схеме встроенные в ПЛИС резисторы подтяжки. Перевод переключателя в лог.

— 59 —

«0» записывает в кольцевой счетчик число 10002 вне зависимости от состояния тактового сигнала, а перевод его в лог. «1» разрешает сдвиг числа в счетчике на каждом тактовом импульсе.

9.Проинициализировав схему переключателем SB1, сфотографируйте осциллограмму сигналов Q0 – Q3, на которой виден, по крайней мере, один полный цикл работы схемы (4 периода тактового сигнала). Для этого одна клетка по оси Х на экране осциллографа должна соответствовать времени 0.25…0.5 с.

10.В практических схемах корректная инициализация последовательностных логических блоков при подаче питания осуществляется автоматически и не требует каких-либо действий пользователя. Простейшая реализация цепи инициализации (или цепи начального сброса) требует всего одного резистора и конденсатора, срабатывает при подаче питания на схему.

Ввиду того, что особенности стенда не позволяют запустить работу сразу же после физической подачи питания на плату, для имитации этого процесса используем источник «сильной» лог. «1», который активируется только после инициализации ПЛИС.

Для того, чтобы гарантированно установить низкий уровень напряжения на выходе источника «сильной» лог. «1» пока работа не запущена, дополним простейшую схему сброса сравнительно низкоомным резистором R3.

Буферный ЛЭ на выходе цепи сброса обязателен в случаях, когда ее сигнал поступает на входы сразу множества интегральных микросхем. Для наглядности создадим такой буферный ЛЭ из двух последовательно включенных инверторов 74HC14 (см. Рис. 74, а). Они формируют логическую схему, на выходе которого с небольшой задержкой появляется то же, что и на входе, однако, нагрузочная способность такой схемы куда выше, чем у RC-цепи сброса (R2-C2).

Рис. 74. Схема автоматического начального сброса (а) и ее временные диаграммы (б)

Принцип действия схемы заключается в том, что после запуска работы и установки лог. «1» в цепи U1 какое-то время С2 заряжается, и пока он не зарядился до порогового напряжения ЛЭ DD6, он воспринимает свое входное напряжение как лог. «0», и в цепи nRESET уровень также равен лог. «0».

В схеме Рис. 73 замените переключатель SB1 на цепь, показанную на Рис. 74, а. Далее подключите канал №1 осциллографа к верхней обкладке конденсатора С2, канал №2 – к цепи U1, а канал №3 – к выходу схемы начального сброса nRESET. Настройте осциллограф на синхронизацию по фронту напряжения канала №3, масштаб по оси времени – порядка 0.5-1 мс в клетке. Остановите выполнение работы кнопкой «» интерфейса стенда. Включите ждущий режим осциллографа. Запустите работу вновь. Получите и сфотографируйте осциллограмму сигналов цепи начального сброса при запуске работы, аналогичную показанному на Рис. 74, б, и убедитесь в том, что вся схема инициализируется корректно (и начинает демонстрировать эффект «бегущий огонь») после подачи питания.

11. По полученной осциллограмме определите длительность импульса сброса на выходе схемы как разность времени перехода цепи nRESET в состояние лог. «1» и времени, когда после запуска работы в цепи U1 возникло напряжение, равное напряжению питания (3.3В). Оцените по порядку величины, соответствует ли длительность импульса сброса постоянной времени цепи

R2-C2.

— 60 —

12. Разберите схему кольцевого счетчика (сохранив схему тактового генератора и схему автоматического начального сброса) и соберите схему сдвигового регистра, построенную на основе готового 8-разрядного параллельного регистра:

Рис. 75. Схема для исследования сдвигового регистра на основе параллельного регистра

Обратите внимание, выход регистра Q0 следует подключить к светодиоду с подписью «0»

ивходу D1, выход Q1 – к светодиоду «1» и входу D2 и т.д. Для соединения выходов регистра с его же входами нужно использовать самые короткие монтажные провода и следить за регулярностью получающегося монтажа.

Полученный сдвиговый регистр – это, фактически, кольцевой счетчик, у которого вход D0 не подключен к выходу Q7, а работает в качестве входа для последовательного ввода данных. Выход Q7 можно использовать для последовательного вывода данных.

13.Нажав на кнопку, пронаблюдайте процесс постепенного заполнения триггеров сдвигового регистра единицами, отпустив – нулями. Нажимая и отпуская кнопку, как телеграфный ключ, пронаблюдайте, что выходные биты сдвигового регистра, фактически, изображают «точки» и «тире» на восьми индикаторах. Наблюдаемый Вами эффект отражает процесс десериализации: биты, последовательно (во времени) поступающие один за другим с кнопки, превращаются сдвиговым регистром в 8-разрядный байт, целиком отображаемый на линейке светодиодов. Сфотографируйте полученную картину в произвольный момент времени

ивставьте фото в отчет.

14.Измените последнюю схему, заменив кнопку на выход инвертора (расположен под параллельным регистром), вход которого подключен к выходу регистра Q7.

15.По необходимости перезапустите работу из меню стенда и пронаблюдайте «эффект волны», автоматическое постепенное заполнение регистра единицами, а затем – нулями. Дайте объяснение полученной картине.

— 61 —