МУ ЛР Функциональные компоненты цифровых систем (1)
.pdf
При измерении с помощью осциллографа динамических свойств (если требуется по заданию) отдельных элементов или узлов (рис. 5,б) обращается внимание на длительности фронтов включения t10фр и выключения t01фр элемента, на время задержки распространения сигнала при включении t10зд и при выключении t01зд.
Возможности осциллографа при наблюдении сигналов расширяются, если использовать двухканальный осциллограф. При этом, синхронизируя осциллограф от одного из наблюдаемых сигналов, можно измерить задержку второго сигнала относительно первого, не используя внешнюю синхронизацию.
Современные осциллографы выводят числовую информацию на экран и обеспечивают автоматическую синхронизацию при наличии входных периодических сигналов.
Подключение питания на стенд осуществляется специальным тумбле-
ром.
Рассмотрим некоторые особенности использования программы «Electronics Workbench» при выполнении лабораторной работы.
Условные обозначения логических элементов, принятые в программе
«Electronics Workbench» в библиотеке «Logic Gates», показаны на рисунке 4.
|
|
а) |
б) |
с) |
д) |
Рис. 4. Условные обозначения логических элементов при моделирова- |
|||||
нии: а – |
инвертор (НЕ), б – |
дизъюнктор (ИЛИ), с – конъюнктор (И), д – |
|||
элемент типа |
2И-НЕ |
|
|
|
|
11
Модели более сложных в функциональном смысле цифровых узлов и микросхем предложены в библиотеке «Digital». Примеры условных обозначений узлов из этой библиотеки предложены на рисунке 5.
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 5. Условные обозначения цифровых узлов при моделировании: а – JK-триггер, б – счётчик, в – спаренный дешифратор, г – сдвигающий регистр
Выполняемая логическая функция выбранной модели элемента легко определяется с использованием функциональной клавиши «F1», если условное обозначение элемента отмечено левой клавишей «мышки» красным цветом. Можно заметить, что некоторые модели элементов соответствуют конкретным микросхемам и требуют подведения питания (например, спаренный дешифратор 74155, обозначение которого приведено на рисунке 5, в). Расположенные около условного обозначения цифры определяют номера выводов микросхемы. Контакт микросхемы с меткой «GND» (контакт с номером 8) следует подключить к точке с нулевым потенциалом, а к контакту 16 с меткой «VCC» необходимо подать напряжение питания величиной 5 Вольт.
Если лабораторная работа выполняется на компьютере, то формирование двоичных переменных возможно с использованием моделей тумблеров или с использованием генератора слов, временные диаграммы сигналов на выходах которого подобны предложенным на рисунке 2. Предполагая, что используется программа типа «Electronics Workbench», для формирования
12
двоичных переменных с помощью тумблеров при числе переменных не более четырёх можно использовать схему, предложенную на рисунке 6.
На предложенной схеме на выходах x1, x2, x3, x4 с помощью тумблеров S1, S2, S3, S4 формируются цифровые сигналы с уровнями U0=0В при формировании логического нуля и U1=5В при формировании логической единицы. Выходы VCC=U1 и GND=U0 используются для питания используемых микросхем и для формирования констант нуля и единицы. Состояния сигналов на выходах x1, x2, x3, x4 контролируются индикаторами H1, H2, H3, H4. Изменение состояний тумблеров осуществляется клавишами 1, 2, 3, 4. Перебирая с помощью клавиш все возможные сочетания входных переменных можно проверить таблицу истинности на всех строках.
Если по заданию требуется формирование отрицания переменной, то следует использовать модели инверторов в отличие от случая выполнения работы на стенде, где с тумблера, формирующего переменную, одновременно можно считывать прямое и инверсное значения переменной.
13
|
Рис. 6. Схема формирования двоичных переменных в статике при рабо- |
те |
на компьютере |
Чтобы не тратить время на набор предложенной схемы при выполнении каждого пункта задания можно воспользоваться файлом «gen-slov.ewb». В этом случае для набора требуемой по заданию схемы следует извлечь предложенный файл, дорисовать требуемую схему с подключением логических индикаторов к выходам этой схемы, запомнить полученную схему с новым именем и испытать. Моделирование набранной схемы начинается в момент «включения питания» с помощью переключателя, расположенного в левом верхнем углу рабочего стола. Перебирая все возможные сочетания входных переменных, составить таблицу истинности и сравнить её с теоретически составленной или исходной таблицей, записать схему в отчёт и сделать выводы по результатам выполнения этого пункта. При необходимости записать схему или часть экрана при работе с программой «Electronics Workbench» в пункте
14
меню «Edit» находим пункт «Copy as Bitmap» и на рабочем столе отмечаем прямоугольником копируемую область. Затем вставляем результат в отчёт.
Применение генератора сигналов, подобных предложенным на рисунке 2, позволяет не тратить время на перебор всех состояний и измерять при необходимости динамические свойства изучаемой схемы с помощью осциллографа или его модели. Если используется программа «Electronics Workbench», то для формирования множества сигналов можно использовать генератор слов «Word Generator», а одновременно наблюдать формируемые (входные) сигналы и выходные сигналы исследуемой схемы удобно с помощью логического анализатора «Logic Analyzer». Удобно при использовании генератора слов начинать набор изучаемой схемы с извлечения файла «wordgenerator.ewb», подключения к выходам генератора входов схемы, а выходы схемы подключаются к свободным входам логического анализатора. После этого необходимо записать результат с новым именем в память и запустить схему. Результатом выполнения задания в этом случае будут копии набранной схемы и экрана логического анализатора и комментарий к сигналам на экране анализатора. Под комментарием следует понимать описание работы схемы с указанием места на временных диаграммах, для которого справедливо описание. Желательно отметить это место на временных диаграммах средствами используемого программного продукта или какого-либо графического редактора, или указать значения входных сигналов, при которых наблюдается описанное поведение схемы.
Схема генератора слов и временные диаграммы формируемых генератором сигналов в пятой версии «Electronics Workbench» предложена на рисунке 7. Сигнал x0 обладает максимальной частотой и располагается на экране логического анализатора первым сверху. Сигнал x4 располагается последним и имеет минимальную частоту. Заметим, что сигналы на экране логического анализатора подобны сигналам рисунка 2.
15
а)
x0 x1 x2 x3 x4
б)
Рис. 7. Схема генератора слов (а) и временные диаграммы
формируемых |
генератором сигналов (б) |
А именно, сигналы x0, x1, x2,x3, x4 подобны сигналам F, F2, F4, F8, F16, используемым при работе со стендом. Предложенная на рисунке схема формирования уровней нуля (GND) и единицы (VCC) используется для формирования констант нуля и единицы и для питания используемых микросхем.
Возможно применение для генерации сигналов, аналогичных сигналам, предложенным на рисунке 2, файла «word-generator2.ewb». Схема формиро-
16
вания импульсов в этом случае предложена на рисунке 8. Особенностью такого варианта является применение для формирования каждого импульсного сигнала модели генератора импульсов с соответствующей частотой. Для наблюдения сигналов можно использовать как логический анализатор, так и модель осциллографа. Возможно изменение частот импульсных сигналов до величины в доли Герца, что позволит наблюдать процесс логическими пробниками, визуально, без применения осциллографа или логического анализатора практически в статике.
Рис. 8. Возможное схемное решение генератора импульсных сигналов
При моделировании цифровых схем в зависимости от указаний преподавателя могут использоваться модели идеализированных элементов, в которых не требуется проведение цепей питания, и модели реальных микросхем, в которых требуется подведение питания и подача на неиспользуемые входы констант для исключения влияния этих входов на результаты моделирования.
17
В первом случае получается фактически функциональная схема, которая позволяет проверить логику работы, а втором случае проверяется не только логика работы, но изучаемая схема оказывается моделью реального устройства. Фактически имеем дело в этом случае с принципиальной схемой, на которой указаны соединения микросхем и номера контактов. Используя реальные микросхемы, можно спаять схему и получить макет разработанного устройства. Рассмотрим примеры использования предложенных файлов.
В случае использования моделей идеализированных элементов открывается меню «Logic Gates». В верхней строчке можно выбрать требуемый логический элемент. Предположим, что требуется реализовать логическую функцию: y x1& x2 & x3 . Для этой цели требуется элемент типа 3И-НЕ. Выбираем в верхней строке открытого меню элемент «NAND», двойным щелчком правой клавиши мышки по изображению элемента входим в режим задания некоторых параметров элемента, задаём количество входов, равное трём. После этого подаём входные сигналы на эти три входа и подключаем выход к логическому пробнику или к свободному входу логического анализатора и получаем возможность проверить правильность работы разработанного устройства. При использовании тумблеров получаем схему, предложенную на рисунке 9. Предложенная схема содержится в файле «3И-НЕ1.ewb», что позволяет проверить её работу, не тратя время на коммутацию.
18
Рис. 9. Схема анализа работы элемента типа 3И-НЕ
В предлагаемом на рисунке случае при подаче на входы x1 и x2 логической единицы, а на вход x3 нуля, на выходе наблюдается единица. Символ отрицания представлен восклицательным знаком, а конъюнкция использует классические символы. Логические пробники H1 и H2 указывают на уровень единицы, а H3 указывает на наличие на входе x3 логического нуля. На выходе y наблюдается единица.
Во втором случае выбираем пункт меню «Digit» и на рабочий стол выводим модель микросхем серии 74хх. В открывшемся меню выбираем микросхему 7410, в которой содержится три логических элемента типа 3И-НЕ, входы и выходы которых помечены цифрами 1, 2, 3. Входы элементов помечены буквами A, B, C (для первого элемента входы обозначаются 1A, 1B, 1C), а
19
выходы помечаются буквой Y (для первого элемента выход обозначен символом 1Y). В этом случае схема модели предложена на рисунке 10 (3И-НЕ.ewb).
Рис. 10. Схема анализа работы элемента типа 3И-НЕ с
использованием модели элемента 7410
Если при моделировании используется генератор слов, то возможная схема анализа работы элемента типа 3И-НЕ предложена на рисунке 11 (3ИНЕ2.ewb). Поскольку элемент использует всего три сигнала из пяти, формируемых генератором слов, лишние выходы генератора отключены от логического анализатора. На панели генератора установим невысокую частоту 5кГц (рис. 12,а), установим частоту дискретизации логического анализатора равной 10кГц (кнопка «Set…» на панели анализатора). Копия экрана логического анализатора при этом предложена на рисунке 12,б.
20