3.3.Задание на проведение исследований
1.Установите на лабораторный стенд накладку лабораторной работы №3 (см. Рис. 48), включите питание и запустите на стенде лабораторную работу №3, кратко обозначенную в меню как «Триггеры». 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. 48. Накладка «Работа №3. Исследование схем триггеров»
2. Соберите схему простейшего RS-триггера на ЛЭ типа 2ИЛИ-НЕ или ЛЭ типа 2И-НЕ (см. Рис. 49). Обратите внимание, что схемы собираются на элементах блока «Логические элементы», в качестве устройств ввода используются переключатели, уже имеющие встроенные светодиоды с токоограничительными резисторами. В качестве индикаторов выходных сигналов триггеров используются любые светодиоды соответствующего блока, уже имеющие резисторы и катоды, подключенные к «земле».
Студенты, выполняющие работу на нечетных рабочих местах, собирают схему Рис. 49, а; на четных – см. Рис. 49, б.
+3.3В |
|
|
|
|
+3.3В |
|
|
|
|
|
330R |
|
|
|
|
330R |
|
|
|
|
|
|
DD1.1 |
|
|
|
|
DD1.1 |
|
|
|
R |
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
Q |
||
SA1 |
|
|
1 |
SA1 |
|
|
& |
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
330R |
|
|
|
|
1к |
|
|
|
|
DL1 |
|
|
|
DD1.2 |
DL1 |
|
|
|
DD1.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+3.3В |
|
|
1 |
|
+3.3В |
|
|
& |
|
|
330R |
|
|
|
330R |
|
|
||
|
S |
|
|
|
R |
|
|
||
|
|
|
Q |
|
|
|
Q |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
330R |
|
|
|
|
1к |
SA2 |
|
|
|
|
SA2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
DL2 |
|
|
|
|
DL2 |
а б
Рис. 49. Схемы RS-триггеров с активными высокими (а) и низкими (б) уровнями входов
2.Исследуйте триггер, заполнив таблицу его переходов по образцу:
— 42 —
Таблица 5. Таблица переходов RS-триггера на логических элементах 2ИЛИ-НЕ
№ п.п |
Текущее |
|
|
Воздействие на входы |
Новое состояние |
|
состояние Qn |
Sn |
Rn |
|
Комментарий |
n+1 |
|
|
|
|||||
1 |
0 |
0 |
0 |
|
Уровни обоих входов |
|
2 |
1 |
0 |
0 |
|
неактивные |
|
3 |
0 |
0 |
1 |
|
Активный уровень на входе |
|
4 |
1 |
0 |
1 |
|
сброса |
|
5 |
0 |
1 |
0 |
|
Активный уровень на входе |
|
6 |
1 |
1 |
0 |
|
установки |
|
7 |
0 |
1 |
1 |
|
Активные уровни на обоих |
|
8 |
1 |
1 |
1 |
|
входах |
|
Под воздействием на входы в таблице подразумевается комбинация логических уровней в цепях схемы, после возникновения которой состояние триггера может изменяться (от старого состояния n к новому n+1). Обратите внимание, что уровни Sn и Rn в таблице соответствуют уровням на входах схемы триггера, которые отображаются на светодиодах переключателей (единица подается переводом переключателя вверх, а ноль – вниз).
Для заполнения таблицы используйте подход, описанный ниже на примере схемы Рис. 49, а (для Рис. 49, б ситуация аналогична, отличаются лишь активные уровни на входах схемы триггера):
Допустим, при включении схемы Q = 0. Кнопки не нажаты, R = S = 0, Q сохраняется, следовательно, n+1 в строке 1 равно 0.
Подадим на триггер импульс сброса Rn = 1, перезаписав ноль в триггер, тогда n+1 в строке 3 по-прежнему будет равно 0.
Подадим на триггер импульс установки Sn = 1, тогда триггер переключится в состояние «1» на выходе, следовательно, n+1 в строке 5 станет равным 1.
Кнопки не нажаты, триггер сохраняет значение Q, следовательно, в строке 2 n+1 равно 1.
Подадим на триггер еще один импульс установки Sn = 1, перезаписав единицу в триггер, n+1 в строке 6 по-прежнему будет равно 1.
Подадим на триггер импульс сброса Rn = 1, тогда триггер переключится в состояние «0» на выходе, следовательно, n+1 в строке 4 станет равным 0.
Подадим на триггер одновременно Sn = Rn = 1, нажав две кнопки. Такая комбинация является запрещенной, а состояние триггера называется нестабильным. Во время
|
|
+1 |
̅̅̅̅̅̅̅ |
|
|
удержания обеих кнопок получим |
|
= |
+1 |
= 0. Снятие двух активных |
|
|
|
||||
уровней приводит к непредсказуемому результату, т.к. абсолютно одновременно установить Sn = Rn = 0, синхронно отжав кнопки, технически невозможно. Запишем
в строку 7 «н.с.» (нестабильное состояние).
Добьемся того, чтобы триггер при не нажатых кнопках переключился в Q = 1. Повторим последний шаг еще раз и убедимся в том, что для строки 8 также
|
+1 |
̅̅̅̅̅̅̅ |
|
|
справедливо |
= |
+1 |
= 0. |
|
|
|
|||
3.Разберите схему RS-триггера, полностью сняв все монтажные провода со стенда.
4.Соберите схему мультивибратора на инвертирующем триггере Шмитта 74HC14 (установлен в блоке «Логические элементы»). Данная схема будет использоваться для исследования всех остальных триггеров в лабораторной работе, в том числе, в качестве тактового генератора, и разбирать ее не нужно до окончания выполнения работы.
В качестве индикатора работы мультивибратора используйте светодиод «С».
—43 —
R1 470кОм
СLK
C1 |
DD1.1 |
1к |
|
||
|
|
|
4.7мкФ |
|
|
|
|
DL1 |
Рис. 50. Схема мультивибратора на 0.3 Гц
При помощи светодиода убедитесь в том, что мультивибратор работает, а его выходная частота составляет примерно 1/3 Гц (точное значение частоты для выполнения работы не важно). Канал №1 осциллографа подключите к цепи CLK и включите в осциллографе режим самописца, масштаб по оси времени установите порядка 1 с в клетке.
5. Соберите схему для исследования триггера-защелки, реализованного на ПЛИС (блок №1, т.е. столбец 1, строка 1 зоны «Выводы ПЛИС»), см. Рис. 51. Данный триггер построен на примитиве LATCH используемой ПЛИС.
+3.3В
|
|
DD2 |
|
|
|
SA1 |
|
T |
Q |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
D |
Q |
|
1k |
330R |
|
|
1к |
|
СLK |
E |
Q |
|
|
|
|
|
DL2 |
Рис. 51. Схема для исследования триггера-защелки.
Подключите канал №2 осциллографа ко входу триггера D, канал №3 – к выходу триггера Q. Часто нажимая кнопку SA1, убедитесь, что, когда на вход E триггера подается лог. «0», он хранит предыдущее записанное в него значение, а когда на входе Е действует лог. «1», триггер находится в режиме прозрачности, мгновенно устанавливая на выходе Q уровень, присутствующий на входе D.
Получите осциллограмму, иллюстрирующую работу триггера-защелки, остановите обновление экрана осциллографа и сфотографируйте его для отчета.
6. Разберите схему Рис. 51 (не разбирая схемы мультивибратора, формирующего тактовый сигнал CLK) и соберите схему для исследования универсального RS-D триггера, реализованного на ПЛИС в блоке №2 (столбец 1, строка 2 зоны «Выводы ПЛИС»). Данный регистр является полным аналогом универсального RS-D триггера типа 74HC74 и построен на примитиве DFF ПЛИС.
В качестве SA1 и SA3 используйте переключатели, в качестве SA2 – кнопку (все устройства ввода уже снабжены схемами индикации, индикатор DL2 уже имеет встроенный токоограничительный резистор).
— 44 —
+3.3В |
S |
|
|
|
330R |
|
SA1 |
DD2
+3.3В |
D |
S |
T |
Q |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
D |
Q |
|
|
|
|
|
|
SA2 |
330R |
C |
|
1к |
1k |
СLK |
Q |
|
|
|
|
|||
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
DL2 |
+3.3В |
R |
|
|
|
330R |
|
SA3 |
Рис. 52. Схема для исследования универсального RS-D триггера
Подключите канал №1 осциллографа к цепи CLK, каналы №2 и 3 к цепям S и R, канал №4 к цепи Q. Временно остановите генератор тактовых импульсов, заземлив вход DD1.1 (см. Рис. 50) монтажным проводом. Оба переключателя, SA1 и SA3, переведите в режим выдачи уровня лог. «1».
7.Исследуйте функциональность RS-триггера собранной схемы. Для этого поочередно переключайте SA1 и SA3 с получением лог. «0» в цепях S и R (но не одновременно), и при помощи осциллографа убедитесь в том, что низкий уровень в цепи S устанавливает триггер, низкий уровень в цепи R сбрасывает его вне зависимости от того обстоятельства, что тактовый генератор остановлен. Получите и сфотографируйте осциллограмму, которая демонстрирует описанное выше поведение триггера.
8.Удалите монтажный провод, останавливающий тактовый генератор. Убедитесь в том, что он включился. Канал №2 осциллографа подключите к цепи D, канал №3 отключите, канал №4 оставьте на выходе схемы Q. Оба переключателя, SA1 и SA3, переведите в лог. «1».
9.Нажимая на кнопку SA2, убедитесь в том, что состояние цепи D запоминается триггером по фронту тактового сигнала CLK. Получите и сфотографируйте осциллограмму, демонстрирующую данный факт.
10.Разберите схему для исследования универсального RS-D триггера и соберите схему для исследования D-триггера с разрешением, реализованного на ПЛИС в блоке №3 (столбец 1, строка 3 зоны «Выводы ПЛИС»). В качестве SA1 используйте кнопку, в качестве SA2 – переключатель. Данный триггер соответствует примитиву DFFE ПЛИС.
+3.3В |
D |
DD2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
T |
Q |
|
|
|
||
SA1 |
330R СLK |
|
Q |
|
1k |
C |
|
||
|
|
|
|
1к |
|
|
E |
Q |
|
|
|
|
|
DL2 |
+3.3В |
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
330R |
|
|
|
SA2 |
|
|
|
|
Рис. 53. Схема для исследования D-триггера с разрешением
— 45 —
Канал №1 осциллографа должен быть по-прежнему подключен к цепи CLK. Канал №2 подключите к информационному входу триггера D, канал №3 ко входу разрешения Е, канал №4
–к выходу схемы Q.
11.Переведя SA2 в лог. «0», нажимайте кнопку D и убедитесь в том, что состояние выхода Q не меняется, какой бы уровень в цепи D не присутствовал в момент поступления на триггер фронта тактового сигнала C. Получите и сфотографируйте осциллограмму, иллюстрирующую данный факт.
12.Переведя SA2 в лог. «1», нажимайте кнопку D и убедитесь в том, что состояние выхода Q становится равным D в момент поступления на триггер фронта тактового сигнала C. Получите и сфотографируйте осциллограмму, иллюстрирующую данный факт.
13.Разберите схему для исследования D-триггера с разрешением и соберите схему для исследования синхронного JK-триггера, реализованного на ПЛИС в блоке №6 (столбец 2, строка 3 зоны «Выводы ПЛИС»). Данный триггер построен на примитиве JKFF ПЛИС.
+3.3В |
|
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DD2 |
|
|
|
SA1 |
|
330R |
|
|
Q |
|
|
1k |
J |
T |
||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
СLK |
C |
Q |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1к |
+3.3В |
|
|
K |
K |
Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DL2 |
|
SA2 |
|
330R |
|
|
|
|
|
1k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 54. Схема для исследования синхронного JK-триггера
В качестве SA1, 2 используйте кнопки. Канал №1 осциллографа должен быть по-прежнему подключен к цепи CLK, канал №4 – к выходу Q. Каналы №№2 и 3 подключите к цепям J и K, соответственно.
14. Нажимая на кнопки SA1, 2, убедитесь, что по фронту тактового сигнала CLK синхронный JK-триггер:
при J = K = 0 хранит последнее записанное в него значение (Q неизменно);
при J = 0 и K = 1 сбрасывается;
при J = 1 и K = 0 устанавливается;
при J = K = 1 переводит Q в состояние, противоположное предыдущему. Получите одну или две осциллограммы, иллюстрирующие данные факты, и
сфотографируйте их.
15.ПЛИС для данной лабораторной работы также реализует синхронный RS-триггер (блок №4, столбец 2, строка 1 зоны «Выводы ПЛИС»), синхронный T-триггер (блок №5, столбец 2, строка 2 зоны «Выводы ПЛИС»), а также несколько логических элементов, зарезервированных для построения более сложных схем на триггерах в будущем.
При наличии времени и по желанию выполняющие лабораторную работу могут убедиться
втом, что синхронный RS-триггер (примитив SRFF ПЛИС), фактически, аналогичен синхронному JK-триггеру, а синхронный Т-триггер ведет себя как JK-триггер, у которого сигналы J и K объединены вместе в одну цепь T: J = K = T (т.е. триггер меняет свое состояние на противоположное при Т = 1 и хранит значение неизменным при Т = 0).
16.При составлении отчета приведите в нем все полученные осциллограммы, дополнив их пометками и дав развернутое описание поведения исследованных триггеров, отраженное на осциллограммах.
— 46 —