DgCXT-met-2024_20241211_rev_15

ВВЕДЕНИЕ, ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Перед тем, как приступать к выполнению лабораторных работ и к ознакомлению со стендом, необходимо овладеть базовыми навыками работы с оборудованием, используемым в лаборатории. Главным образом, здесь речь идет об осциллографе. Описание принципов работы с осциллографом, генератором, лабораторным блоком питания и мультиметром приведено в методических указаниях по лабораторному практикуму «Аналоговая Схемотехника».

Там же читатель может освежить в памяти рекомендации по сборке и отладке электрических схем на базе лабораторного стенда. Стенд «Цифровая Схемотехника» идеологически похож на стенд «Аналоговая Схемотехника»: студенту доступны электронные компоненты, монтажные провода, средства индикации, точки подключения измерительного оборудования; следуя методическим указаниям необходимо собирать электрические схемы и исследовать их поведение.

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 микросхемы, содержащиеся в стенде, уже подключены к источнику питания и снабжены блокировочными конденсаторами.

Внешний вид стенда показан на рис. 1.

Внешний вид стенда для выполнения лабораторных работ

Основой стенда является ПЛИС класса FPGA (Field-Programmable Gate Array). Эта интегральная микросхема 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 микросхемы. Возможно переконфигурирование уже сконфигурированной ПЛИС, для чего в перезапуске стенда отключением питания нет необходимости.

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 новых лабораторных работ (выполняется преподавателем) и питание стенда. Работа стенда возможна как при питании от персонального компьютера, так и от внешнего источника на 5 В (от зарядного устройства для мобильного телефона или от лабораторного блока питания). 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 семейства Cyclone 10 LP, 10CL006YE144C8G, дополнительные цепи питания ее ядра и некоторых специфических подсистем.

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.

Вспомогательные 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.

Блок «Система управления»

Как уже говорилось, общие принципы работы с платой аналогичны описанному в методических указаниях по выполнению лабораторных работ дисциплины «Аналоговая Схемотехника». Так, блоки «Осфиллограф» и «Генератор» в точности повторяют уже знакомые студентам технические решения; блок «Мультиметр» в плате отсутствует, т.к. мультиметр при выполнении лабораторных работ обычно не используется.

Блок «Логические элементы»

Очевидно, что данные ЛЭ доступны для использования вне зависимости от состояния ПЛИС (от того, сконфигурирована она или нет, и чем сконфигурирована).

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 изображением, подсказывающим пользователю, какое состояние элемента соответствует какому выходному логическому уровню.

Блок «кнопки и переключатели»

Особенности схемы 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.

Схема включения отдельной кнопки (а) и переключателя (б)

При нажатии кнопки ее разъем соединяется с цепью питания (уровнем лог. «1») и включается индикаторный светодиод, ток через который ограничивается резистором на 330 Ом, встроенным в стенд (см. Рис. 7, а) и задающим ток величиной в несколько 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.

Блок «Светодиоды» содержит девять планарных индикаторных светодиодов, каждый из которых подключен катодом к земле, а анодом – к штыревому разъёму через токоограничительный резистор номиналом 330 Ом. Для включения светодиода требуется подать на него через штыревой разъем источник логического уровня «1».

Блок «светодиоды»

Согласно задумке, индикатор с подписью «С» нужен для демонстрации работы низкочастотных мультивибраторов, тактовых генераторов и т.п., а остальные – для вывода чисел в двоичном коде.

Блок «Пьезоизлучатель звука» содержит компонент HPM14A, выводы которого напрямую соединены с двумя разъемами PLS-2. Емкость излучателя (15 нФ) и рабочее напряжение (1…20 В «пик-пик») позволяет подключать один его вывод к земле, второй – к выходу цифровой микросхемы, или, для большей громкости, оба вывода к выходам какой-то цифровой микросхемы, работающим в противофазе. При использовании излучателя рекомендуется буферизовать выходы ПЛИС физическими логическим элементами.

Блок «Пьезоизлучатель звука»

Блок «Элементы ЦАП и АЦП» содержит потенциометр типа PTV111-3420A-B103 (линейный, полное сопротивление 10 кОм) мощностью 0.05 Вт. Крайние выводы потенциометра подключены к цепям питания, а скользящий контакт – к сдвоенному штырьковому разъему, с которого снимаются напряжения в диапазоне от 0 до 3.3 В. Направление вращения движка потенциометра для увеличения и уменьшения этого напряжения показано рисунком на плате (см. рис. 10). Скользящий контакт шунтирован на землю конденсатором на 1 нФ, формирующим RCфильтр. Резисторы на 220 Ом служат для защиты потенциометра при ошибках в сборке схемы.

Над потенциометром собрана схема, представляющая собой 4-разрядную резистивную матрицу R-2R (англ. «resistor ladder») на резисторах номиналом 1 и 2 кОм с выходным RCфильтром 1 кОм, 1 нФ. Данная схема используется для построения и исследования простейшего ЦАП (цифроаналогового преобразователя). Входы и выходы матрицы подключены к штырьковым разъемам.

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 аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).

Блок «7-сегментные индикаторы» показан на 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 основной ПЛИС, к выводам №№ 112 (левый индикатор) … 115 (правый индикатор). Индикаторы активируются (запитываются) только при запуске конфигурации ПЛИС для конкретной 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 при помощи йстройства Altera USB Blaster и переходника J-Link Needsle Adapter, ответная часть к которому расположена в нижнем слое платы стенда. Дополнительная ПЛИС реализует 4 идентичных комбинаторных 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.

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 дополнительная 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 лабораторных работ. 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 какого-то 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.

Каждый из 81 выводов ПЛИС имеет схему защиты на основе специальной диодной сборки и последовательного низкоомного резистора.

Всего пользователю доступно 6 пронумерованных точек для промежуточных соединений (разъемы желтого цвета), 4 точки «земля» (зеленого цвета) и 4 – «питание» (красного цвета). Для снижения риска повреждения стенда вследствие ошибки сборки схемы студентом, точки «питание» подключены к цепи 3.3 В не напрямую, а через резистор сопротивлением 100 Ом.

Для выполнения любой предустановленной лабораторной работы, описанной в настоящих методических указаниях, преподаватель выдает студентам накладку, изготовленную из листового материала методом лазерной резки и гравировки.

Накладка устанавливается на блок «Выводы программируемой логической интегральной схемы», после чего студент может увидеть, какие выводы ПЛИС задействованы, какие функции они выполняют, какие функциональные узлы реализуются выбранной конфигурацией.

Пример накладки для лабораторной работы, в которой исследуются схемы нескольких триггеров, показан на фото, приведенном на рис. 14.

Пример накладки, установленной на лабораторный стенд

Теоретически, обучающийся имеет возможность разработать и свою конфигурацию ПЛИС, используя ПО Intel Quartus Prime, задав свои функции для тех или иных выводов ПЛИС, и отладить созданную конфигурацию при помощи лабораторного стенда. Данный вопрос, однако, не входит задачи, решаемые настоящими методическими указаниями.

При включении стенда с питанием от блока питания (не от ПК) после заставки дисплей отображает экран с подсказками (рис. 15, а), после нажатия любой кнопки интерфейса – первую из имеющихся в стенде лабораторных работ (рис. 15, б).

Интерфейс стенда, подсказки после включения питания (а), главное меню (б), состояние дисплея при выполнении работы (в)

Студент выбирает одну из лабораторных работ при помощи кнопок «►» и «◄», запускает выбранную работу при помощи кнопки « ». После этого МК загружает соответствующую конфигурацию в ПЛИС, и, если не возникло ошибок, работа запускается. Дисплей переходит в режим, показанный на рис. 15, в, включается светодиодный индикатор «Работа».