lab4 / циф4

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра электронных приборов и устройств

отчет по лабораторной работе №4 по дисциплине «Цифровая схемотехника» Тема: «Регистры и счетчики»

Студент гр. 3 ____________________ . Преподаватель __________________________ Герасимов В.А.

Санкт-Петербург 2024 г.

Цели работы: исследование несложных схем последовательностной логики на триггерах: асинхронный счетчик, параллельный регистр, кольцевой счетчик, сдвиговый регистр. Для асинхронного счетчика исследуется эффект накопления задержки тактовых импульсов, для схем кольцевого счетчика и сдвигового регистра – схема начального сброса на основе RC-цепи и буферных ЛЭ.

Обработка результатов

Вариант №20

1. Схема и осциллограмма работы асинхронного 4-разрядного счетчика приведены ниже на рисунках 1 и 2 соответственно:

Рисунок 1 – Схема для исследования асинхронного 4-разрядного двоичного суммирующего счетчика

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

Q3

Q2

Q1

Q0

Рисунок 2 – Осциллограмма работы асинхронного 4-разрядного счетчика

Полученная осциллограмма соответствует ожидаемому. Можно сказать, что соединение четырех 1-разрядных триггеров является одним 4-разрядным счетчиком. Соотношения частот на выходах составляют: . Белой рамкой выделен фрагмент, в котором состояние счетчика изменяется от 0000₂ до 1000₂ это значит, что в этом фрагменте на вход первого Т триггера пришло 8 импульсов тактового генератора частоты f, счетчик посчитал эти импульсы и на выходах появилось число 8 в двоичной системе счисления.

Осциллограмма, показывающая эффект накопления задержки в асинхронном счетчике, приведена на рисунке 3

Рисунок 3 – Осциллограмма для измерения задержки тактового сигнала асинхронного счетчика

Как видно, на изменение состояния выходов счетчика с числа 15 на число 0 уходит примерно 26.8 нс. Тем самым каждый триггер удлиняет время, затрачиваемое на переполнение счетчика, на 26.8 / 4 = 6.7 нс.

2. Схема, параллельного 4-разрядного регистра показана ниже

Рисунок 4 – Схема для исследования 4-разрядного параллельного регистра

Согласно номеру варианта в регистр было записано число 10 (1010₂), затем число, большее на единицу 11 (1011₂). Фото светодиодов стенда в моменты времени, когда регистр хранит указанные числа, показаны на рис. 5 и рис. 6.

Рисунок 5 – Хранение числа 10 (1010₂)

Рисунок 6 – Хранение числа 11 (1011₂)

При изменении сочетания битов в шине D[3..0] до момента подачи тактового импульса на входы С триггеров состояния светодиодов, подключенных к выходам схемы Q[3..0], не менялись, что соответствует ожиданиям и принципу действия схемы.

3. Схема, и осциллограмма работы кольцевого счетчика с ручной начальной установкой показаны на рисунках 7 и 8 соответственно

Рисунок 7 – Схема для исследования кольцевого счетчика с ручной начальной установкой

Q0

Q1

Q2

Q3

Рисунок 8 – Осциллограмма работы кольцевого счетчика

Видно, что переключение состояния триггера задается уровнем входа D, однако непосредственно переход происходит по фронту сигнала С. То есть переключение триггера синхронизировано с тактовым сигналом С.

4. Исследованная схема автоматического начального сброса (инициализации) и осциллограмма ее работы показаны на рисунках 9 и 10 соответственно:

Рисунок 9 – Схема автоматического начального сброса

nRESET

U2

U1

Δt

Рисунок 10 – Осциллограмма работы схемы автоматического начального сброса

По рисунку видно, что при достижении напряжения на конденсаторе U2 порогового значения для триггера Шмитта, на выходе схемы формируется лог. «1» начального сброса. Время, за которое формируется сигнал сброса составляет 2.36 мс.

Продолжительность импульса сброса величиной 2.36 мс соответствует ожидаемой, которая составляет примерно   0.7RC = 2.209 мс.

5. Исследованная схема 8-разрядного сдвигового регистра изображена на рисунке 11. Она построена на основе обычного параллельного регистра путем подключения регистра

Рисунок 11 – Схема для исследования сдвигового регистра, созданного на основе параллельного регистра

Рисунок 12 – Сдвиговый регистр, хранящий число 10011110₂ = 158

1

2

4

9

19

39

79

0

128

192

224

240

120

60

158

0

0

1

0

1

1

1

1

Рисунок 13 – Тактовая диаграмма, показывающая какой сигнал на входе D0, предшествовал состоянию светодиодов на рисунке 12

Рисунок 14 – Временная диаграмма генератора «эффекта волны»

ВЫВОД

В ходе выполнения лабораторной работы были изучены схемы функционирования четырехразрядного регистра и счетчика. Экспериментально определены задержка тактового сигнала и время задержки, создаваемое одним триггером. Также исследованы схемы кольцевого счетчика как с начальной установкой, так и с начальным сбросом, в ходе чего была определена продолжительность импульса сброса. Кроме того, была собрана схема восьмиразрядного сдвигового регистра, что позволило наблюдать эффект «волны». Сделаны фотографии осциллограмм и схем для дальнейшего выполнения обработки результатов.