МУ ЛР Функциональные компоненты цифровых систем (1)

Функциональные компоненты цифровых систем

Методические указания к выполнению лабораторных работ

1

пень применения стендов в других работах согласуется с преподавателем.

В отчёте можно приводить схемы как с отечественными обозначениями элементов, так и приведённые в выбранной системе моделирования условные обозначения.

При проведении лабораторных работ следует руководствоваться следующими положениями:

1.Лабораторные занятия проводятся фронтально во всей группе. Объём задания определяет ведущий преподаватель.

2. К каждой лабораторной работе необходима самостоятельная подготовка, включающая:

а) изучение теоретического материала [2, 3];

б) выполнение необходимых проектных работ: логический синтез схем, разработка принципиальной или функциональной схем устройств;

в) теоретический анализ разработанных схем, построение временных диаграмм, тестовых последовательностей, таблиц истинности.

3. В ходе выполнения лабораторной работы студенты должны собрать на универсальном стенде-конструкторе или компьютере спроектированную схему, настроить её и исследовать. Для этого контролируют временные диаграммы в характерных точках схемы, добиваясь их совпадения с ранее построенными теоретически диаграммами, или проверяют работоспособность с помощью таблиц истинности, перебирая все возможные комбинации входных двоичных переменных.

4. По каждой лабораторной работе составляется отчёт, включающий в

себя:

а) наименование работы; б) ФИО студента, выполнившего работу; в) цель работы;

4

г) результаты выполнения работы, представляемые после заголовка «Результаты выполнения работы», в которых по каждому выполняемому пункту задания предлагается краткое содержание задания, расчётная часть (логический синтез схем), функциональные и (или) принципиальные схемы изучаемого устройства, временные диаграммы входных и выходных сигналов или таблицы истинности, выводы по данному пункту задания. Выполняемому пункту задания сохраняется его номер в разделе «Порядок выполнения работы», в котором сформулированы задания на лабораторную работу.

Если некоторые пункты задания студенты не успели выполнить во время занятия, то эти пункты должны быть выполнены самостоятельно дома или на компьютере, или теоретически путём анализа схемы с использованием полученных на лекциях знаний и представлены в отчёте. При этом описывается поведение схемы в статике, без учёта задержек элементов схемы.

Во время защиты лабораторной работы студенты должны быть готовы ответить на предложенные к лабораторной работе контрольные вопросы и на дополнительные вопросы по изучаемому материалу.

Описание лабораторного оборудования

Лабораторные работы выполняются на компьютере и на универсальном стенде – конструкторе, ориентированном на изучение основ алгебры логики, элементов и узлов цифровых вычислительных машин. Основным понятием алгебры логики является понятие о булевой или логической функции. Логическая функция - это такая функция двоичных переменных (аргументов), которая подобно своим переменным может принимать лишь два значения: нуль (“0”) или единица (“1”). Для реализации логических функций на физических компонентах строят комбинационные схемы, используя в них логические элементы, реализующие некоторые простейшие логические функции. Логическому нулю в используемых в стендах логических элементах (серия 155 или

5

555 транзисторно-транзисторных логических (ТТЛ) элементов) соответствует напряжение U0 ≤ 0,4 В (низкий уровень) , а логической единице соответствует напряжение U1 ≥ 2,4 В (высокий уровень). Если у логического элемента серии ТТЛ оказываются свободные входы, то они воспринимаются элементом как входы, на которые поданы уровни логической единицы. При работе на стенде почти всегда можно учитывать этот факт. Но при проектировании аппаратуры и при моделировании на компьютере все свободные входы в зависимости от требуемой логической функции должны быть соединены с уровнем логического нуля или единицы. На электрических принципиальных схемах логические элементы и узлы изображаются в виде прямоугольников, имеющих только основное поле, если выполняемая функция достаточно проста (рис. 1,а), или имеющих кроме основного дополнительные поля (рис.1,б). Входы и выходы располагаются с противоположных длинных сторон условного обозначения. Внутри основного поля, напротив верхнего входа, располагается символ выполняемой основной функции, под которым располагают маркировку используемой микросхемы. Входы и выходы помечаются метками (при необходимости).

Рис.1. Условные обозначения логических элементов: а - элемент без дополнительных полей; б) - элементы с дополнительными полями.

Конструктивно узлы стенда выполнены в виде микросхем, которые впаяны в специальные платы, соединяемые со стендом с помощью разъёмов.

6

Разъёмы обеспечивают связь выведенных на лицевую панель гнёзд с входами и выходами микросхем, что позволяет собирать подлежащие анализу схемы с помощью коммутационных шнуров. В карманы лицевой панели стенда помещаются карточки с принципиальными схемами используемых в стенде микросхем.

В процессе испытания цифровых схем в статике (то есть состояния входных переменных задаются с невысокой частотой, вручную, например) на лабораторном стенде входные переменные задаются с тумблеров, расположенных в нижней части стенда, а выходные сигналы подаются на элементы световой индикации, расположенные в верхней части стенда.

Верхнее положение тумблеров принято за единицу. Тумблеры включены таким образом, что с верхних гнёзд снимаются значения переменных, а с нижних - отрицания переменных. При подаче уровня логической единицы на вход элемента индикации соответствующий светоизлучающий индикатор начинает светиться.

С помощью кнопок Кн1, Кн2, Кн3 задаются синхронизирующие сигналы на испытываемые узлы. В отличие от тумблеров кнопки снабжены антидребезговыми схемами. Нажатие на кнопку равносильно подаче уровня логической единицы.

Для удобства исследования динамических свойств элементов и узлов вычислительных машин стенд оснащён генератором временных последовательностей, временные диаграммы которого представлены на рис. 2.

7

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов генератора стенда Временные диаграммы представляют изображения поведения сигналов

(электрического напряжения в нашем случае) во времени. На временных диаграммах уровень логической единицы располагается выше, чем уровень логического нуля. Из временных диаграмм видно, что в исходном состоянии все сигналы равны нулю. В течение шестнадцати периодов сигнала F, то есть за период T перебираются всевозможные сочетания двоичных переменных. На шестнадцатом периоде все сигналы оказываются в единичном состоянии, как это видно из рисунка. Сигнал F обладает максимальной частотой, а сигнал F16 обладает минимальной частотой. Если в качестве входных сигналов разработанной или изучаемой схемы использовать предложенные сигналы, то, наблюдая за период T выходной сигнал, можно проверить функционирование схемы на всех возможных сочетаниях значений входных переменных, то есть проверить правильность работы схемы на всех строках таблицы истинности. Можно заметить, что это позволяет не перебирать всевозможные состояния сигналов с помощью тумблеров, а, задав входные сигналы с помощью генератора стенда, построить поведение собранной схемы сразу на всех наборах пе-

8

ременных, анализируя входные и выходные сигналы и их взаимное расположение с помощью осциллографа. Остаётся лишь добавить к временным диаграммам входных сигналов снятый с помощью осциллографа выходной сигнал.

Для наблюдения импульсных сигналов, для измерения длительности фронтов и задержек сигналов, для построения временных диаграмм используется осциллограф, у которого в качестве экрана может использоваться элек- тронно-лучевая трубка или жидкокристаллический индикатор.

Для управления электронным лучом в осциллографе с электроннолучевой трубкой используются два канала: вертикального и горизонтального отклонения луча (рис. 3,а).

Канал горизонтального отклонения луча (канал развертки, канал X) представляет генератор пилообразного напряжения, осуществляющий периодическое смещение луча по горизонтали, формируя ось времени. Меняя положение соответствующего переключателя, можно менять скорость изменения пилообразного сигнала, тем самым менять масштаб по времени. Для по-

9

лучения устойчивого изображения необходимо согласовать момент начала развёртки, то есть начала формирования пилообразного сигнала с моментом прихода на канал вертикального отклонения луча (канал Y) нарастающего или спадающего (активный фронт определяется положением соответствующего переключателя на лицевой панели осциллографа) фронта исследуемого сигнала. Согласование (или синхронизация) осуществляется с помощью подстройки уровня запуска специальной ручкой и применением одного из способов синхронизации: внутренняя и внешняя синхронизация. Режим синхронизации осциллографа определяется положением соответствующего переключателя. Для осуществления синхронизации на вход канала горизонтального отклонения луча (вход X) необходимо подать запускающий импульс. По положительному или отрицательному фронту этого импульса (в зависимости от положения соответствующего переключателя) запускается генератор пилообразного напряжения. В режиме внутренней синхронизации наблюдаемый на экране сигнал, подаваемый на вход Y канала вертикального отклонения луча, внутри осциллографа поступает на запуск канала развёртки. В этом режиме можно измерять амплитудные и временные параметры только того сигнала, который в данный момент поступает на вход Y.

Если необходимо измерить временные соотношения нескольких импульсных сигналов между собой, время задержки сигналов в двух разных точках схемы относительно друг друга, необходимо использовать режим внешней синхронизации. При этом один из сигналов, формируемых в исследуемой схеме, подаётся на вход X. Момент прихода фронта именно этого сигнала определяет момент запуска генератора пилообразного напряжения. Если при этом по очереди на вход Y подавать сигналы с разных точек схемы, то с учётом масштаба по времени они будут на экране осциллографа располагаться именно в том порядке, который действительно существует в исследуемой схеме, Синхронизацию целесообразно осуществлять от сигнала минимальной частоты.

10