Лабы ЦСХТ / ЛР4 Регистры и счетчики
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ЭПУ
отчет
по лабораторной работе №4
по дисциплине «Цифровая схемотехника»
Тема: РЕГИСТРЫ И СЧЕТЧИКИ
Студент гр. |
|
|
Преподаватель |
|
Герасимов В.А. |
Санкт-Петербург
202X
Цель работы
Собрать и исследовать несколько 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. Источником тактового сигнала служит мультивибратор на инвертирующем триггере Шмитта.
Выполнение работы
Схема и осциллограмма работы асинхронного 4-разрядного счетчика приведены ниже на рис. 1, 2.
Рис. 1. Схема работы асинхронного 4-разрядного двоичного суммирующего счетчика
в
б
а
Q31
Q21
Q11
Q01
Рис. 2. Осциллограмма работы асинхронного 4-разрядного двоичного суммирующего счетчика
На осциллограмме подпишем имена цепей и выделим два соседних состояния счетчика – с каким-то числом N на выходе (а), и с N+1 (б).
Полученная осциллограмма соответствует ожидаемому. По рис. 2 видно, что отношения частот на выходах составляют f/2, f/4, f/8, f/16. Отмеченные участки фрагменты осциллограммы показывают процесс переключения счетчика с 00002 (а) на число 11112 (в).
Осциллограмма, показывающая эффект накопления задержки в асинхронном счетчике, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограмма, показывающая быстродействие асинхронного счетчика
Как видно, каждый триггер удлиняет время, затрачиваемое на переполнение счетчика, на 6-7 нс. На изменение состояния выходов счетчика с числа 15 на число 0 уходит 25,2 нс.
Схема параллельного 4-разрядного регистра показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема для исследования 4-разрядного параллельного регистра
Согласно номеру варианта (13) в регистр было записано число 1310 = 11012. Далее это число было изменено на 15, то есть 1510 = 11112. Фото светодиодов стенда в моменты времени, когда регистр хранит указанные числа, показаны на рис. 5, а и б.
б
а
Рис. 5. Хранение регистром чисел 13 (а) и 15 (б)
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.
Схема и осциллограмма работы сдвигового регистра с ручной начальной установкой показаны на рис. 6, 7.
Рис. 6. Схема работы 4-разрядного сдвигового регистра с ручной начальной установкой
0
0
0
1
0
0
0
1
Q31
Q21
Q11
Q01
Рис. 7. Осциллограмма работы 4-разрядного сдвигового регистра с ручной начальной установкой
На осциллограмме подпишем имена цепей и выделим один полный цикл работы схемы, где выходное число меняется от 00012 до 10002.
Исследованная схема автоматического начального сброса (инициализации) и осциллограмма ее работы показаны на рис. 8 и 9.
Рис. 8. Схема автоматического начального сброса
ΔT
nRESET
U1
U2
Рис. 9. Осциллограмма работы схема автоматического начального сброса
На осциллограмме подпишем имена цепей и выделим интервал времени, в течение которого функциональные узлы получают управляющий сигнал инициализации.
Продолжительность импульса сброса величиной 1,42 мс соответствует ожидаемой, которая составляет примерно 0.7RC = 1,5 мс.
Исследованная схема 8-разрядного сдвигового регистра показана на рис. 10. Она построена на основе обычного параллельного регистра путем соединения входов и предыдущих выходов (Q0-D1, Q1-D2 и т. д.).
Рис. 10. Схема для исследования 8-разрядного сдвигового регистра
Фото светодиодов стенда, хранящее двоичное число 110111002 (десятичное 22010, введенное кнопкой SA1), показано на рис. 11.
Рис. 11. Хранение числа в сдвиговом регистре
Изобразим сдвиговую диаграмму, которая предшествует формированию данного числа (рис. 12). Для создания временной диаграммы изобразим сигнал CLK (минимум 8 импульсов) и сигнал, который должен поступать с кнопки SA1 в момент формирования каждого из 8-ми фронтов CLK.
Рис. 12. Временная диаграмма входных сигналов схемы, которая предшествовала формированию в шине Q[7..0] данного числа
Под этими сигналами указано число, которое хранится в регистре на каждом из тактов, в двоичном или десятичном виде.
На рис. 13 по аналогии изображен полный цикл работы схемы «эффекта волны» (минимум 16 тактовых импульсов CLK и диаграмма числа Q[7..0] в десятичном виде).
Рис. 13. Временная диаграмма генератора «эффекта волны»
Выводы
В лабораторной работе были исследованы несколько схем на триггерах. Асинхронный счетчик, который считает количество импульсов на входе и дает результат в двоичном виде, показал недостаток – время, затрачиваемое на переполнение счетчика, достигло 25,2 нс.
Далее была собрана схема кольцевого счетчика, в работе которой наблюдалась особенность: требовалась ручная инициализация.
Также реализована схема, производящая автоматический начальный сброс, работающая на основе зарядки и разрядке конденсатора.
Были исследованы 8-разрядный сдвиговый регистр и генератора «эффекта волны», для которых построены временные диаграммы.