5.3.Задание на проведение исследований

1.Установите на лабораторный стенд накладку лабораторной работы №5 (см. Рис. 84), включите питание и запустите на стенде лабораторную работу №5, обозначенную в меню как «Синхр. схемы и ввод-вывод». 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. 84. Накладка «Работа №5. Синхронные цифровые схемы

иустройства ввода-вывода»

2.Соберите схему, совмещающую в себе функции защиты от дребезга и детектирования нажатий на кнопку.

Она включает в себя два D-триггера, тактируемых от общего источника – мультивибратора на инвертирующем триггере Шмитта DD1, рассчитанного на частоту f приблизительно 30 Гц. Точное значение этой частоты не принципиально, период тактовой частоты лишь должен составлять порядка нескольких десятков миллисекунд.

Кнопка SA1 в не нажатом состоянии, подключенная к цепи S1, с учетом схемы ее включения (резистор подтяжки к земле и светодиод уже встроены в плату стенда), через несколько тактов после включения мультивибратора обеспечивает хранение в триггерах DD2 и DD3 битов, равных 0. Так как Q1 = 0, на выходе ЛЭ DD4, в цепи S2, уровень тоже равен лог. «0».

При нажатии на кнопку происходит дребезг. Это означает, что один (субъективно для пользователя) факт нажатия на кнопку зачастую сопровождается несколькими размыканиями и замыканиями ее контактов, и на информационный вход первого D-триггера поступает серия импульсов. Длительность процесса дребезга исправной кнопки не превышает нескольких миллисекунд, поэтому одно нажатие на кнопку приведет, с учетом тактовой частоты, к одному факту смены уровня на выходе триггера DD2 (на Q1 = 1) по ближайшему фронту тактового сигнала CLK. В течение следующего такта триггер DD3 будет хранить старое значение, т.е. ноль,

следовательно, nQ2 = 1 и S2 = Q1 nQ2 = 1. По следующему фронту тактового сигнала единица запишется в DD3, и уровень в цепи S2 вернется к нулю. Так на выходе схемы формируется

импульс лог. «1» с длительностью, в точности совпадающей с величиной 1⁄ . При этом после

нажатия на кнопку в схеме будет лишь один момент времени, когда фронт тактового сигнала имеет место при лог. «1» на выходе S2.

— 70 —

Рис. 85. Схема синхронной защиты от дребезга с выделением переднего фронта

3.Подключите канал №1 осциллографа к выходу мультивибратора (цепь CLK), канал №2 – к кнопке (цепь S1), канал №3 – к цепи Q1, №4 – к цепи nQ2. Синхронизируя осциллограф по каналу №1, установите такой масштаб по оси Х, чтобы осциллограмма содержала 7-8 периодов тактовой частоты. Переведите осциллограф в ждущий режим синхронизации по каналу №3, несколько раз нажмите на кнопку так, чтобы осциллограмма содержала: момент нажатия на кнопку, смену уровня в цепи Q1, смену уровня в цепи nQ2.

4.Cфотографируйте осциллограмму. При составлении отчета дополните ее сигналом на выходе S2 схемы Рис. 85, зная таблицу истинности ЛЭ DD4.

5.Не разбирая схемы, дополните ее двумя синхронными двоичными счетчиками, выходные шины которых подключите к двум активным блокам вывода символов с 7- сегментными индикаторами (на активных блоках до сборки схемы выводятся нули). Блоки вывода символов представляют собой законченные функциональные узлы, для вывода чисел следует подключить соответствующие 4-разрядные выходные шины счетчиков к цепям D0-D3 блоков вывода HG1 и HG2.

Рис. 86. Схема сравнения методов подсчета событий

Входы E счетчиков (от англ. Enable) с высоким активным уровнем разрешают синхронные операции (счет или сброс). Вход SR (от англ. Synchronous Reset) с высоким активным уровнем сбрасывает счетчик при поступлении на него ближайшего фронта тактового сигнала, операция

синхронного сброса имеет приоритет перед операцией счета. Вход ̅̅̅̅ (от англ. Asynchronous

Reset) с активным низким уровнем сбрасывает счетчик на ноль вне зависимости от состояний всех остальных его входов, включая тактовый. Если при поступлении тактового сигнала на вход

C счет разрешен (E = 1), а оба входа сброса не активны (SR = 0, ̅̅̅̅ = 1), число в счетчике

увеличивается на 1.

Обратите внимание, что на неподключенных куда-либо входах функциональных узлов, показанных на Рис. 86, в стенде уже содержатся резисторы подтяжки (к питанию на входах DD6,7

— 71 —

и к земле на входах HG1,2). По этой причине счет DD7 разрешен всегда, а для проведения текущего исследования неиспользуемые входы SR DD6,7 следует заземлить.

Полученная схема должна подсчитывать количество нажатий на кнопку SA1 двумя способами. Первый способ реализован на микросхеме DD7 и предельно прост. Каждое нажатие кнопки SA1 (см. Рис. 85) приводит к тому, что в цепи S1 возникает фронт сигнала, увеличивающий число, хранимое в счетчике, на единицу. Подсчитанное число отображается на индикаторе HG2. Второй способ подсчета числа нажатий кнопки – синхронный. Тактовый сигнал для счетчика DD6 поступает с уже собранного мультивибратора (от цепи CLK). Согласно принципу действия схемы, показанной на Рис. 85, работа этого счетчика (E = 1) разрешена всего на один такт после каждого нажатия на кнопку SA1, когда в цепи S2 возникает импульс лог. «1».

Кнопка SA2 отвечает за асинхронный сброс обоих счетчиков. Ввиду низкого активного

уровня входов ̅̅̅̅ потребовался инвертор DD5 (используйте в качестве него микросхему из блока

«логические элементы»). Обратите внимание, что блок вывода символов отображает числа, превышающие 9, в шестнадцатеричном виде.

6.Нажмите кнопку SA2 и убедитесь, что оба индикатора показывают число «0». Нажимая на кнопку SA1, наблюдайте увеличение чисел на выходах обоих счетчиков. Продолжайте нажимать на кнопку, пока число в счетчике DD7 не окажется больше, чем в DD6. Дайте объяснение полученному результату.

7.Отключите счетчик DD7 и соберите схему, ограничивающую максимальное число на выходе DD6 числом 9 (то есть, фактически, превращающую двоичный счетчик в двоичнодесятичный с коэффициентом пересчета 10).

Принцип действия схемы заключается в том, что при последовательном счете на увеличение комбинация битов в счетчике, при которой Q0 = Q3 = 1, впервые встречается при достижении числа 9 (…, 710 = 01112, 810 = 10002, 910 = 10012). Когда на выходе счетчика возникает это число, на выходе ЛЭ DD7 и входе SR счетчика формируется уровень лог. «1». При поступлении ближайшего фронта тактового сигнала и при E = 1, счетчик, согласно приоритету операции сброса над операцией счета, переходит в состояние 00002.

Таким образом, схема подсчитывает количество нажатий на кнопку SA1 в диапазоне 0…9,

апри десятом нажатии на кнопку схема испытывает переполнение и устанавливается на ноль. Кнопка SA2, как и в предыдущей схеме, служит для асинхронной установки счетчика на ноль.

Рис. 87. Схема двоично-десятичного счетчика на основе двоичного

8. Нажмите на кнопку SA2 и убедитесь, что число, подсчитанное схемой, обнулилось. Нажимая на кнопку SA1, убедитесь, что схема подсчитывает число нажатий в диапазоне 0-9.

Обратите внимание на то, что, в принципе, закорачивать второй и третий входы DD7 (см. Рис. 87) не обязательно, так как все входы данного ЛЭ, реализованного на ПЛИС, имеют резисторы подтяжки к питанию. Третий (нижний по схеме) вход ЛЭ 3И, будучи не подключенным на схеме, оказывается подтянут к питанию, и перестает влиять на его поведение, управляемое двумя остальными входами, а сам ЛЭ начинает выполнять функции элемента 2И (т.к. X1 X2 1 = X1 X2). Это же наблюдение поможет упростить выполнение некоторых индивидуальных заданий из следующего пункта работы.

9.В соответствии с номером стола измените максимальное число на выходе счетчика (и

коэффициент пересчета, соответственно) на указанное в таблице значение:

— 72 —

Таблица 8. Индивидуальное задание на ограничение коэффициента пересчета

Убедившись в работоспособности схемы, продемонстрируйте ее преподавателю и внесите разработанную схему в протокол наблюдений. Схему, которая обрабатывает сигнал кнопки SA1

иблок индикации, вносить в протокол не нужно.

10.Используя уже собранный блок мультивибратора, защиты от дребезга на двух триггерах DD2,3 и ЛЭ DD4, счетчика DD6 с обвязкой, соберите схему, имитирующую работу секундомера с двумя двоично-десятичными разрядами (см. Рис. 88). Она построена на двух двоичных счетчиках, коэффициент пересчета каждого из которых ограничен числом 10. Счетчики стоят в каскаде, образуя схему, способную считать до 100 импульсов (в диапазоне от 0 до 99). Каскадирование осуществляется путем подключения сигнала автоматического сброса младшего счетчика (выход DD5) ко входу разрешения счета старшего счетчика DD7 через ЛЭ DD10, благодаря чему в момент, когда младший разряд на очередном такте CLK переходит на 0, старший увеличивается на единицу.

Тактовая частота CLK для всей схемы составляет порядка 1.25 кГц (номиналы резистора R1 и конденсатора C1 отличаются от ранее использованных). Эта частота является звуковой, так что она же используется и для выработки звукового сигнала каждые 10 секунд.

Счет каскада из двух счетчиков разрешается описанной выше схемой (DD2-4) один раз за период работы низкочастотного мультивибратора, заменившего кнопку SA1 и построенного на ЛЭ DD10 (рабочая частота порядка 1 Гц). Как и кнопка в первой исследованной схеме, данный генератор работает асинхронно тактовому генератору схемы, поэтому сначала на триггере DD2 его выходной уровень синхронизируется с сигналом CLK, а затем на триггере DD3 и ЛЭ DD4 вырабатывается сигнал разрешения счета длительностью в один период сигнала CLK.

Внимание! Ввиду того, что схема Рис. 88 достаточно сложна, для надежной ее работы рекомендуется не подключать последовательно (в виде «шлейфа») более 2 функциональных узлов к тактовой цепи CLK. В схеме мультивибратора, формирующего сигнал CLK, непосредственно к выходу микросхемы следует подключить три провода, используемых для: 1) подключения двух регистров; 2) подключения двух счетчиков; 3) подключения верхнего входа DD8. Для тактовой цепи старайтесь использовать самые короткие монтажные провода.

— 73 —

Рис. 88. Схема макета секундомера со звуковым сигналом

Для формирования сигнала разрешения работы зуммера служит ЛЭ DD8. На его нижнем входе уровень лог. «1» присутствует только в те интервалы времени, когда счетчик DD4 хранит значение 9 (10012). Тогда и только тогда на выходе DD8 возникает сигнал, повторяющий тактовый сигнал CLK. Он управляет инвертором с DD9 (используйте микросхему 74HC14), между входом и выходом которого установлен пьезоэлектрический зуммер BZ1. Благодаря такой схеме включения амплитуда переменной составляющей напряжения между выводами зуммера составляет 2 UП (6.6 В) и он выдает достаточно громкий звуковой сигнал.

11.Продемонстрируйте работоспособную схему преподавателю.

12.Подключите канал №1 осциллографа к тактовому сигналу CLK, канал 2 – к выходу DD8, каналы 3 и 4 к выходам Q0 и Q3 счетчика DD6. Настройте синхронизацию по каналу 4, ждущий режим. Сфотографируйте полученную осциллограмму, подобрав смещение и масштаб по оси времени так, чтобы в экран помещалось 5-10 периодов тактового сигнала слева и справа от точки синхронизации. В отчете дайте объяснение полученной тактовой диаграмме.

— 74 —