DgCXT-met-2024_20241211_rev_15

выходному ЛЭ, куда эффективнее использовать инверсный выход D-триггера , если он есть у данного функционального узла.

СLK

t

S

t

Q1

t

Q2

t

Тактовая диаграмма схемы синхронной обработки асинхронных сигналов для различных типов выходного ЛЭ

Если применить описанный и показанный на рис. 6 схемотехнический блок для подсчета количества нажатий на кнопку, устанавливающую вход S в единицу, при помощи синхронного счетчика, рассмотренного выше, требуется использовать ЛЭ согласно варианту №2 на рис. 7. Выход схемы обработки сигнала кнопки (E2) потребуется подключить ко входу разрешения счета счетчика Е, а общую тактовую цепь CLK – к тактовому входу счетчика C. Использование, например, варианта №1 приведет к тому, что счетчик будет подсчитывать события отпускания кнопки, а вариант №3 – и нажатия, и отпускания.

Простейшим устройством вывода информации в цифровых схемах являются индикаторные светодиоды. В случае если требуется вывести число в одноединичном коде (как, скажем, текущее положение лифта в его кабине), линейка светодиодов подключается к классическому дешифратору. Однако во многих случаях индикатор одноединичного кода неудобен (в примере с кабиной лифта – если число этажей измеряется десятками). В таких случаях применяют семисегментные индикаторы. Они чрезвычайно просты как по конструкции, так и по управлению.

В семисегментном индикаторе содержится 7 дискретных индикаторных элементов (светодиодных или, в принципе, жидкокристаллических), скомпонованных в форме арабской цифры «8». Включая и выключая часть этих сегментов, на одном индикаторе можно вывести цифру в диапазоне от 0 до 9 и некоторые символы латинского алфавита (см. рис. 8).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. СИНХРОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА: ЗАДАНИЕ

Установите на лабораторный стенд накладку лабораторной работы №5 (см. рис. 1), включите питание и запустите на стенде лабораторную работу №5, обозначенную в меню как «Синхр. схемы и ввод-вывод». Для этого при помощи кнопок «►» и «◄» выберите нужный пункт в меню, а затем при помощи кнопки « » запустите процесс загрузки файла с конфигурацией в память ПЛИС. Убедитесь в том, что стенд включил индикатор «Работа», а дисплей стенда выводит сообщение «Работа выполняется».

Накладка «Работа №5. Синхронные цифровые схемы и устройства ввода-вывода»

Обратите особое внимание на несколько необычный блок, расположенный в левом нижнем углу накладки, и подписанный как «общий тактовый вход» (см. рис. 2, а).

УГО блока «Общий тактовый вход» (а), тактовый вход функционального узла, подключенный внутри ПЛИС (б)

Внешний сигнал, единожды подключенный к данному входу ПЛИС, уже внутри нее «автоматически» поступает на все тактовые входы функциональных узлов, которые на накладке обозначены как показано на рис. 2, б. Это же обозначение будет использовано ниже на схемах электрических принципиальных. Для функциональных узлов, имеющих подобные тактовые входы, подключать тактовый сигнал отдельным монтажным проводом не только нет необходимости, но и физически невозможно. В настоящей лабораторной работе только один последовательностный узел (счетчик в правом нижнем углу накладки) не имеет подобного «внутреннего» тактового входа, остальные – имеют. Это сделано как для упрощения сборки схем, так и для того, чтобы различные узлы, реализованные на быстродействующей ПЛИС, получали один общий, «чистый» и неискаженный емкостями и индуктивностями наружного монтажа тактовый сигнал, что необходимо для обеспечения надежности работы исследуемых схем.

Соберите схему, совмещающую в себе функции защиты от дребезга и детектирования нажатий на кнопку. Она включает в себя два D-триггера, тактируемых от общего источника – мультивибратора на инвертирующем триггере Шмитта DD1, рассчитанного на частоту f порядка

30 Гц. Для работы данной схемы выход мультивибратора подключается к ПЛИС в одной точке, ко входу «общий тактовый вход», описанному выше. Точное значение частоты f не принципиально, оно лишь должно находиться в пределах 20 – 50 Гц.

Если кнопка SA1 в течение продолжительного времени не нажата, в обоих триггерах хранятся нули. Триггер DD2 очищает сигнал S1 от дребезга механической контактной группы кнопки (длительность которого много меньше, чем период тактовой частоты), триггер DD3 задерживает передачу уровня Q1 на один такт. Таким образом, каждая установка Q1 в единицу сопровождается выдачей лог. «1» в цепь S2 в течение одного такта, когда DD2 «уже» хранит единицу, а DD3 «все еще» ноль.

Схема синхронной защиты от дребезга с выделением переднего фронта

Подключите канал №1 осциллографа к выходу мультивибратора (цепь CLK), канал №2 – к кнопке (цепь S1), канал №3 – к цепи Q1, канал №4 – к цепи nQ2. Синхронизируя осциллограф по каналу №1, установите такой масштаб по оси Х, чтобы осциллограмма содержала 7-8 периодов тактовой частоты. Переведите осциллограф в ждущий режим синхронизации по каналу №3, несколько раз нажмите на кнопку так, чтобы осциллограмма содержала: момент нажатия на кнопку, смену уровня в цепи Q1 и смену уровня в цепи nQ2. Cфотографируйте полученную осциллограмму.

Не разбирая схему, дополните ее двумя синхронными двоичными счетчиками, выходные шины которых подключите к двум активным блокам вывода символов с 7- сегментными индикаторами (на активных блоках до сборки схемы выводятся нули). Блоки вывода символов представляют собой законченные функциональные узлы, для вывода чисел следует подключить соответствующие 4-разрядные выходные шины счетчиков Q[3..0] к цепям D0-D3 блоков вывода HG1 и HG2.

Схема сравнения методов подсчета числа событий

На схеме рис. 4 операция синхронного сброса для обоих счетчиков отключена (входы SR

= 0), асинхронный сброс выполняется нажатием на кнопку, переводящим входы ̅̅̅̅ счетчиков в

лог. «0», никуда не подключенный вход Е счетчика DD7 за счет встроенного в ПЛИС резистора подтяжки данного входа к питанию разрешает ему счет каждого импульса на входе C.

Обратите внимание, что DD6 тактируется постоянно, но счет ему разрешен только когда S2 = 1. В качестве DD7 используется счетчик в правом нижнем углу блока «выводы ПЛИС», так как только он имеет отдельный тактовый вход, который следует соединить напрямую с кнопкой. Имейте ввиду, что блок вывода символов отображает числа, превышающие 9, в шестнадцатеричном виде.

Нажмите кнопку SA2 и убедитесь, что оба индикатора показывают числа «0». Нажимая на кнопку SA1, наблюдайте увеличение чисел на шинных выходах обоих счетчиков. Продолжайте нажимать на кнопку, пока числа в счетчиках не начнут отличаться. Зафиксируйте в протоколе наблюдений, чему равны оба числа после возникновения расхождения, с указанием на то, в каком счетчике хранится какое число.

Отключите соединения счетчика DD7 (нижнего по схеме рис. 4) и соберите схему, ограничивающую максимальное число на выходе DD6 числом 9 (то есть, фактически, превращающую двоичный счетчик в двоично-десятичный с коэффициентом пересчета 10), что достигается синхронным сбросом счетчика, когда Q[3..0] = 10012 = 9 за счет ЛЭ, который обеспечивает SR = 1 при Q0 Q3 = 1.

Схема двоично-десятичного счетчика на основе двоичного

Нажмите на кнопку SA2 и убедитесь, что число, подсчитанное схемой, обнулилось. Нажимая на кнопку SA1, убедитесь, что схема подсчитывает число нажатий в диапазоне 0-9 (после числа 9 следует 0).

Обратите внимание на то, что, в принципе, закорачивать второй и третий входы DD7 не обязательно, так как все входы данного ЛЭ имеют резисторы подтяжки к питанию, встроенные в ПЛИС. Третий (нижний по схеме) вход ЛЭ 3И, будучи не подключенным на схеме, считывается как единица, и перестает влиять на его поведение, управляемое двумя остальными входами, а сам ЛЭ начинает работать как 2И, так как X1 X2 1 = X1 X2. Этот нюанс поможет упростить выполнение некоторых индивидуальных заданий из следующего пункта работы.

В соответствии с номером варианта, измените ограничение максимального числа на выходе счетчика (и коэффициент пересчета, соответственно) на указанное в табл. 1 значение.

Убедившись в работоспособности схемы, продемонстрируйте ее преподавателю и зарисуйте фрагмент разработанной схемы с подключениями ЛЭ DD7 в протокол наблюдений. Схему, которая обрабатывает сигнал кнопки SA1, как и схему блока индикации, вносить в протокол не нужно.

Используя уже собранные мультивибратор, схему защиты от дребезга на двух триггерах DD2,3 и ЛЭ DD4, счетчик DD6 с обвязкой, соберите схему, имитирующую работу секундомера с двумя двоично-десятичными разрядами (см. рис. 6). Она построена на двух двоичных счетчиках, коэффициент пересчета каждого из которых равен 10. Счетчики стоят в каскаде, образуя устройство, способное считать в диапазоне от 0 до 99. Каскадирование осуществляется путем подключения сигнала синхронного сброса младшего счетчика (выход DD7) ко входу разрешения счета старшего счетчика DD11 через ЛЭ DD10, благодаря чему в момент, когда младший двоично-десятичный разряд схемы на очередном такте CLK переходит на 0, содержимое старшего увеличивается на единицу.

Обратите внимание, что тактовая частота CLK для всей схемы составляет порядка 1.25 кГц (номиналы резистора R1 и конденсатора C1 отличаются от ранее использованных). Эта частота является акустической, так что она же используется и для выработки звукового сигнала каждые 10 секунд.

Счет каскада из двух счетчиков разрешается описанной выше схемой (DD2-4) один раз за период работы низкочастотного мультивибратора, заменившего кнопку SA1, и построенного на ЛЭ DD12 (рабочая частота порядка 1 Гц).

Схема макета секундомера со звуковым сигналом

Продемонстрируйте работоспособную схему преподавателю. Подключите канал №1 осциллографа к тактовому сигналу CLK, канал 2 – к выходу DD8, каналы 3 и 4 – к выходам Q0 и Q3 счетчика DD6. Настройте синхронизацию по каналу 4, передний фронт, ждущий режим. Сфотографируйте полученную осциллограмму, подобрав смещение и масштаб по оси времени так, чтобы в экран помещалось 5-10 периодов тактового сигнала слева и справа от точки синхронизации.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. СИНХРОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА: ШАБЛОН ОТЧЕТА

Составьте отчет по лабораторной работе, включив в него перечисленное в шаблоне ниже.

Схема защиты от дребезга с выделением переднего фронта приведена ниже.

Схема защиты от дребезга с выделением переднего фронта

Дополните осциллограмму работы схемы сигналом S2. Ниже дайте словесное описание того, что происходит на осциллограмме – когда нажата или отпущена кнопка, что хранится в каком триггере в какой интервал времени, почему на выходе схемы мы должны видеть именно такой сигнал.

Осциллограмма показанной выше схемы приведена на рис. 2. Осциллограмма дополнена изображением сигнала S2. Он устанавливается в единицу после нажатия / отпускания кнопки, когда новое значение бита S1 = 0/1 записывается в регистр DD… Поскольку в течение следующего цикла тактового сигнала регистр DD… хранит уровень 0/1, на выходе получаем…

Осциллограмма защиты от дребезга с выделением переднего фронта

Схема для сравнения методов подсчета числа событий показана на рис. 3.

Схема для сравнения методов подсчета числа событий

В результате исследования схемы выяснено, что показания счетчика такого-то после нажатия на кнопку №… опередили показания другого счетчика. Это соответствует / не соответствует ожидаемому и объясняется следующим образом: …

Схема ограничения коэффициента пересчета по индивидуальному заданию (К = …) приведена на рис. 4. Я выполнил(а) указанные подключения DD7, рассуждая следующим образом. В двоичном виде максимальное число, которое допустимо на выходе счетчика, составляет …, поэтому биты №№ такие-то подключаются к …

Схема ограничения коэффициента пересчета числом …

Схема макета секундомера со звуковым сигналом и осциллограмма ее работы показаны

ниже.

Схема макета секундомера со звуковым сигналом

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. ЦИФРОВОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР: ОПИСАНИЕ

Цели работы – собрать и исследовать схему 4-разрядного широтно-импульсного модулятора на основе двух синхронных счетчиков и компаратора.

В качестве нагрузки модулятора используются индикаторные светодиоды, для исследования обратного преобразования (ШИМ-сигнала в напряжение) на выход модулятора подключается RC-цепь.

Коэффициент заполнения сигнала на выходе модулятора изменяется в сторону увеличения и уменьшения при помощи двух отдельных кнопок.

Широтно-импульсный модулятор (англ. PWM, от англ. «Pulse-Width Modulator») – схема, преобразующая некоторый входной сигнал в прямоугольные импульсы (цифровой сигнал), следующие с фиксированной частотой. Чем больше значение входного сигнала, тем больше коэффициент заполнения (ширина выходных импульсов при неизменном периоде). Коэффициент заполнения пропорционален входному сигналу, и может быть рассчитан по линейному закону.

В хорошо известном аналоговом широтно-импульсном модуляторе в качестве входного сигнала выступает напряжение. Оно сравнивается с линейно изменяющимся напряжением, поступающим с генератора, аналоговым компаратором, на выходе которого действует, фактически, цифровой сигнал. В цифровой схемотехнике также существуют схемы широтноимпульсной модуляции, однако входным сигналом для них является уже не непрерывно меняющееся напряжение, а дискретно меняющееся целое число некоторой разрядности.

Сама идея, заложенная в схему широтно-импульсного модулятора, при переходе от напряжений в аналоговых схемах к числам в цифровых устройствах, остается неизменной и весьма простой. Входное число сравнивается с опорным числом, которое линейно нарастает от нуля до некоторого максимального значения в пределах интервала времени, равного периоду выходного сигнала схемы. Источником такого линейно возрастающего числа является счетчик. Он может быть как суммирующим, так и вычитающим. В этом случае период выходного сигнала

счетчика, n – разрядность счетчика и модулируемого числа.

Впринципе, счетчик может быть даже реверсируемым, т.е. считать от нуля до (2n-1), а затем обратно до нуля. В этом случае период выходного ШИМ-сигнала удваивается.

Число с опорного счетчика, назовем его A, сравнивается со входным числом B такой же разрядности при помощи цифрового компаратора – функционального узла, сравнивающего два числа. На выходе компаратора присутствует один из трех активных логических уровней, в зависимости от того, как соотносятся числа A и B: A < B, A = B, A > B. Все три выхода можно задействовать для формирования итогового ШИМ-сигнала (на блок-схеме обозначен как PWM) при помощи некоторого логического элемента, обозначенного на блок-схеме как ЛЭ (см. рис. 1).

Взависимости от задействованных выходов компаратора, законы, по которым ШИМмодулятор преобразует входное число в прямоугольные импульсы с переменным коэффициентом заполнения, различаются. Зависимость коэффициента заполнения D выходного сигнала (отношения длительности импульсов к периоду) от числа B во всех случаях подчиняется

линейному закону вида D = p B + q, однако коэффициенты в формуле зависят от конкретной реализации схемы.

Направление счета счетчика определяет фазовое соотношение выходных импульсов и интервала работы опорного счетчика, но не влияет на коэффициент заполнения получаемого сигнала.

Блок-схема цифрового ШИМ-генератора

Рассмотрим случай, когда опорный счетчик имеет разрядность n и является суммирующим. Пусть, для простоты, его коэффициент пересчета не ограничен искусственно, а сам счетчик – двоичный. Тогда число на его выходе меняется от 0 до 2n–1, затем обнуляется (см. рис. 2).

Временные диаграммы сигналов схемы цифрового ШИМ-генератора на суммирующем счетчике

На временной диаграмме показано 4 цикла работы схемы. От цикла к циклу число B меняется. Пусть, для определенности, B4 > B3 > B2 > B1. В пределах цикла число A пробегает все значения от 0 до 2n-1. Четыре нижних временных диаграммы показывают соотношения чисел A и B в виде цифрового сигнала.

Фактически, в качестве сигналов A > B, A < B можно использовать одноименные выходы цифрового компаратора. Тогда блок «ЛЭ» на рис. 1 попросту отсутствует. Для формирования сигналов A > B, A < B понадобится задействовать два выхода компаратора. Первый выход – это выход компаратора A < B или A > B, а второй – выход компаратора A = B. Эти два выхода необходимо подключить к ЛЭ типа ИЛИ.