1. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ЛАБОРАТОРНЫМ СТЕНДОМ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЕЙШИХ КОМБИНАТОРНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

1.1.Краткое описание лабораторной работы

1.В лабораторной работе изучается лабораторный стенд, содержащий цифровые микросхемы серии 7400 подсемейства HC и программируемую логическую интегральную схему

(ПЛИС) 10CL006YE144C8G семейства Intel Cyclone 10 LP.

2.В качестве источников сигналов используются встроенные в лабораторный стенд переключатели, кнопки.

3.В качестве индикаторов логических уровней используются дискретные светодиоды со встроенными в стенд токоограничительными резисторами.

4.При помощи кнопок и светодиодов исследуются таблицы истинности ряда логических элементов (ЛЭ) и несложных схем на их основе.

1.2.Общие сведения о лабораторном стенде и

контрольно-измерительном оборудовании

Краткое описание используемого лабораторного оборудования приведено в методических указаниях по дисциплине «Аналоговая схемотехника».

1.2.1. Общие сведения о лабораторном стенде

Стенд для сборки электрических схем был разработан на каф. ЭПУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и не является серийным изделием какого-либо производителя. Дополнительной документации на стенд, за исключением настоящих методических указаний, не существует.

Стенд представляет собой стандартную двухстороннюю печатную плату из стеклотекстолита с установленными на ней электронными компонентами. Все интегральные схемы, содержащиеся в стенде, уже подключены к источнику питания и снабжены блокировочными конденсаторами.

Внешний вид стенда показан на Рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид стенда для выполнения лабораторных работ

— 4 —

Основой стенда является ПЛИС класса FPGA (Field-Programmable Gate Array). Эта интегральная схема после подачи питания не выполняет каких-либо функций, однако, она может быть сконфигурирована внешним устройством, например, микроконтроллером. После конфигурирования ПЛИС на аппаратном уровне реализует те или иные цифровые блоки или схемы. При разработке конфигурации ПЛИС каждому входу или выходу схемы сопоставляется какой-либо физический вывод интегральной схемы. Возможно переконфигурирование уже ПЛИС, для чего не требуется перезапуск стенда.

Стенд разделен на ряд блоков, названия которых подписаны в рамках сверху. Для сборки и исследования той или иной схемы требуется соединить выводы компонентов, ПЛИС, осциллографа и генератора монтажными проводами.

Блок «Система управления» содержит разъем USB B, через который осуществляется загрузка в стенд лабораторных работ и его питание. Работа стенда возможна как при питании от персонального компьютера, так и от внешнего блока питания на 5В. Для питания цепей стенда на плате установлен понижающий импульсный преобразователь с дополнительным выходным фильтром, формирующий напряжение питания логики величиной 3.3 В. Блок также содержит:

Микросхему флеш-памяти MX25L12833FMI-10G емкостью 128 Мбит (16 Мбайт) с последовательным интерфейсом.

Собственно, микросхему ПЛИС типа 10CL006YE144C8G.

Графический монохромный OLED-дисплей разрешением 128х64 пикселя, установленный в корпус, изготовленный методом 3D-печати.

Четыре кнопки, установленные в тот же корпус, вместе с дисплеем реализующие пользовательский интерфейс стенда.

Светодиодный индикатор «работа», показывающий, что ПЛИС сконфигурирована и готова к выполнению лабораторной работы.

Микроконтроллер (МК) STM32F103, отвечающий за конфигурирование ПЛИС, работу с флеш-памятью, работу с ПК в режиме внешнего накопителя при подключении через USB, реализацию пользовательского интерфейса.

Вспомогательный компоненты.

Внешний вид блока показан на Рис. 2. Перемычка над дисплеем служит для подачи на вывод №06 ПЛИС тактовой частоты 12 МГц, поступающей от тактового генератора МК.

Рис. 2. Блок «Система управления»

— 5 —

Рис. 5. Блок «Логические элементы»

Блок «кнопки и переключатели» содержит 8 тактовых кнопок (без фиксации) и 8 переключателей. Каждый из 16-ти элементов ввода снабжен планарным индикаторным светодиодом и подписью с условным номером, а также изображение, подсказывающее пользователю, какое состояние элемента соответствует какому выходному логическому уровню.

Рис. 6. Блок «кнопки и переключатели»

Особенности включения кнопок таковы, что, когда кнопка не нажата, на разъем PLS-2, подключенный к ней, подается уровень лог. «0», обеспечивающийся т.н. «pull-down» резистором подтяжки.

Рис. 7. Схема включения отдельной кнопки (а) и переключателя (б)

При нажатии кнопки ее разъем соединяется с цепью питания и включается индикаторный светодиод, ток через который ограничивается резистором на 330 Ом, встроенным в стенд (см. Рис. 7, а) и задающим ток величиной в 2-3 мА.

То же можно сказать и про схему включения переключателя. Когда его движок смещен вниз, штырьковый разъем переключателя соединяется с цепью «земля», когда вверх – с цепью питания 3.3 В. Резистор подтяжки номиналом в 1 кОм служит для того, чтобы установить в выходной цепи переключателя лог. «0» при его механической неисправности.

— 7 —

Рис. 10. Блок «Элементы ЦАП и АЦП» (а) и его электрическая принципиальная схема (б)

Наконец, блок содержит два аналоговых компаратора, построенных на ОУ TP8542 с положительной обратной связью из резисторов на 1 Мом и 4.7 кОм, обеспечивающих схеме компаратора небольшой гистерезис (шириной приблизительно в 0.5% напряжения питания). Компараторы нужны для построения схемы АЦП.

Блок «7-сегментные индикаторы» показан на Рис. 11.

Рис. 11. Блок «7-сегментные индикаторы»

Данный блок содержит четыре 7-сегментных индикатора типа TOS-5161BMG-N или аналогичных, имеющих схему «общий анод». Аноды сегментов подключаются к цепи питания стенда 3.3 В через ключи, построенные на p-канальных МДП-транзисторах IRLML6402. Затворы этих транзисторов подключены к основой ПЛИС, к выводам №№ 112 (левый индикатор) … 115 (правый индикатор). Индикаторы активируются (запитываются) только при запуске конфигурации ПЛИС для конктетной лабораторной работы и в требуемом количестве.

За управление катодами индикаторов отвечает драйвер, построенный на дополнительной простой ПЛИС типа EPM3128ATC100 класса «Complex Programmable Logic Device» (CPLD),

конфигурация которой прошивается в нее на этапе производства стенда. Она реализует 4

— 9 —

идентичных кобминаторных преобразователя кодов. Их входными сигналами являются слова, поступающие с четырех групп разъемов D0… D5. В зависимости от значения 6-разрядного слова, дополнительная ПЛИС формирует на индикаторе изображения, приведенные ниже.

Таблица 1. Кодовая страница драйвера 7-сегментных индикаторов

Токоограничительные резисторы для сегментов индикаторов номиналом 330 Ом встроены в стенд, для вывода числа или символа на индикатор достаточно подать на вход блока данные. Младшие 4 бита, кодирующие символы «0»…«9», в плате стенда обособлены. Все входы дополнительной ПЛИС имеют резисторы подтяжки к земле номиналом 4.7 кОм, так что не подключенный ни к чему вход означает вывод на тот или иной индикатор символа «0».

Вход «dp» служит для прямого управления сегментом десятичного разделителя (точки), встроенным в индикаторы. В отношении данного входа ПЛИС является инвертирующим буфером (лог. «1» на входе включает сегмент точки).

Блок «Выводы программируемой логической интегральной схемы» содержит линии ввода-вывода основной ПЛИС, используемые при выполнении лабораторной работы. Выводов имеется 81 штука. Все они, кроме выводов №№0…8 (см. Рис. 12), формально могут быть настроены в конфигурации ПЛИС как на ввод информации, так и на вывод, либо на ввод/вывод под управлением внешнего сигнала, а также иметь функцию перевода выхода в Z-состояние.

Если не оговаривается отдельно, все входы каждой из конфигураций ПЛИС для каждой из лабораторных работ, имеют стандарт логических уровней LVCMOS 3.3 В и т.н. слабый резистор подтяжки (weak pull-up resistor) номиналом от 7 до 41 кОм (включение и выключение настраивается в конфигурации ПЛИС, разброс номинала согласно документации на ПЛИС).

Выводы №№0…8 ввиду особенностей использованной ПЛИС могут работать только на ввод информации и физически не имеют функции слабого резистора подтяжки.

— 10 —