Основы конструирования электронных средств. Учебно-методическое пособие

3 Задание к работе

Создайте алгоритм таймера счетчика, считающего от 0 до 99 с периодом счета 0,5 с.

4 Содержание отчета

4.1Цель работы.

4.2Алгоритм модуля на языке Verilog для реализации таймера счетчика, считающего от 0 до 99 с периодом счета 0,5 с.

4.3Вывод.

5 Контрольные вопросы

5.1Дайте определение процедурного блока always.

5.2Какой коэффициент деления должен быть, чтобы выполнить поставленную в лабораторной работе задачу?

5.3Из каких соображений выбирается разрядность переменной делителя?

5.4Как происходит разделение переменной счетчика на переменные единиц и десятков?

5.5Как происходит отображение числа на семи сегментном индикаторе?

5.6Как реализовать обратный счет от 99 до 0?

5.7Как реализовать счетчик от 0 до значения меньше 99?

21

Лабораторная работа №6

Бегущий огонь

1 Цель работы

Целью работы является изучение битовых операций сдвига.

2 Краткие теоретические сведения

2.1 Битовые операции сдвига Операции сдвига осуществляют смещение операнда влево (<<) или вправо

(>>) на число битов, задаваемое вторым операндом. Оба операнда должны быть целыми величинами. При сдвиге влево правые освобождающиеся биты устанавливаются в ноль. При сдвиге вправо свободные левые биты устанавливаются в ноль.

Синтаксис записи сдвига в лево и право выглядит следующим образом:

переменная << количество_бит; переменная >> количество_бит;

Например, произведем сдвиг числа 5 влево на 3 бита и запишем результат в переменную y:

Y=5 << 3;

При этом в у запишется число 40. Так как 5 в двоичной форме 101 и данное число мы сдвигаем влево на 3 бита, то получаем число 101000. Двоичное число 101000 в десятичной форме 40.

Аналогично работает сдвиг вправо.

3 Задание к работе

Создайте алгоритм на основе операторов сдвига вправо или влево, переключающий светодиоды стенда с 0 по 7 и обратно, и так до бесконечности. Период переключения светодиодов произвольный.

22

4 Содержание отчета

4.1Цель работы.

4.2Алгоритм модуля на языке Verilog для реализации «бегущего огня».

4.3Вывод.

5 Контрольные вопросы

5.1Дайте определение процедурного блока always.

5.2Какой коэффициент деления получился в вашем проекте?

5.3Как работает оператор побитового сдвига вправо?

5.4Как работает оператор побитового сдвига влево?

5.5Как производится автоматическая смена направления перемещения «огонька»?

23

Лабораторная работа №7

Широтно-импульсное регулирование

1 Цель работы

Целью работы является реализация алгоритмов ШИР для регулирования мощности, выделяемой на нагрузке.

2 Краткие теоретические сведения

2.1 Широтно-импульсное регулирование Широтно-импульсное регулирование является одним из распространённых

методов импульсного регулирования выходного напряжения, а, следовательно, и мощности, выделяемой на нагрузке. При широтно-импульсном регулировании для изменения тока и напряжения нагрузки изменяют длительность замкнутого состояния ключа при постоянном периоде повторения. При этом регулируется относительное время проводимости ключа за период, что приводит к плавному изменению среднего значения напряжения на нагрузке. Выходное напряжение идеального преобразователя представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся скважностью.

Скважность – это отношение одного периода, к времени действия (длительности) импульса в нем. В англоязычной литературе часто встречается понятие коэффициент заполнения, который обратно пропорционален скважности. Формула скважности:

1

= =

где Т – длительность периода, с; τ – время длительности импульса, с; D – коэффициент заполнения.

На рисунке 2.1 изображены импульсы, которые возникают с определенной периодичностью. Длительность импульса равна ¼ периода Т, это означает, что коэффициент заполнения равен 25%, а скважность – 4. Специфическое название имеется у набора импульсов c коэффициентом заполнения – 50%, такой сигнал называется меандр.

24

Рис. 2.1. Периодические сигналы с одинаковым периодом, но разной длительностью импульса

Широтно-импульсные преобразователи находят все более широкое применение для регулирования и стабилизации различного рода нагрузок (на электротранспорте, в приводе металлообрабатывающих станков, для питания бортовых систем и т. д.), что объясняется рядом их преимуществ. Перечислим основные из них:

1)высокий КПД, так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности в случае непрерывного регулирования;

2)слабая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости ключа, а не величина внутреннего сопротивления регулирующего элемента, что имеет место при непрерывном регулировании;

3)высокое быстродействие, что особо важно для автоматизированного электропривода;

4)возможность получения значительных пусковых моментов электрических двигателей;

5)высокая точность управления при сохранении устойчивости;

6)гибкость регулирования выходного напряжения в широком диапазоне. Однако широтно-импульсным преобразователям присущи и некоторые не-

достатки:

1)импульсный режим работы регулирующего элемента обусловливает значительные пульсации выходного напряжения, что приводит к необходимости устанавливать громоздкие фильтры;

2)наличие громоздких фильтров вызывает инерционность процесса регулирования в замкнутых системах;

3)импульсные преобразователи неустойчиво работают на импульсную нагрузку;

4)высокие скорости включения и выключения тока в силовой цепи ШИП приводят к возникновению радиопомех.

Несмотря на указанные недостатки, применение импульсных преобразователей весьма перспективно в тех случаях, когда на первое место выдвигаются

25

требования высокой экономичности, надежности, малых габаритов, малой чувствительности к колебаниям температуры, высокой гибкости и точности регулирования.

2.2 Разработка алгоритма на языке Verilog

Реализация широтно-импульсного регулирования в цифровой форме осуществляется с помощью двоичного счетчика, линейно увеличивающего двоичный код на выходе и сравнивающего компаратора. Компаратор сравнивает код, приходящий с двоичного счетчика, с кодом, задающим длительность импульса. Если код с двоичного счетчика меньше кода, задающего длительность, то компаратор формирует на своем выходе логическую единицу. Если код с двоичного счетчика больше кода, задающего длительность, то компаратор формирует на своем выходе логический ноль.

Реализуем пример, который позволяет регулировать яркость свечения светодиода с помощью ШИР.

module LAB (CLK, EN, LED);

input wire CLK; output reg EN=1; output reg LED;

reg [7:0]i=0;

reg [7:0]pwm=50; always@(posedge CLK) begin

i=i+1;

if(i<pwm)LED=1; else LED=0;

end endmodule

При этом величина периода генерируемых импульсов не меняется, а величину длительности импульса можно регулировать, изменяя величину переменной pwm. Чем больше переменная pwm, тем больше длительность импульса. Стоит отметить, что в данном проекте двоичный счетчик 8 битный, то есть он производит линейный счет от 0 до 255 и снова сбрасывается в ноль. При этом регулирование длительности импульса оказывается ступенчатое и состоит из 255 дискрет. Соответственно максимальное значение переменной pwm не может быть больше 255.

26

3 Задание к работе

Создайте алгоритм, реализующий плавное зажигание и плавное погашение светодиода на лабораторном стенде на основе ШИР. Время увеличения и уменьшения яркости свечения светодиода следует выбрать произвольным.

4 Содержание отчета

4.1Цель работы.

4.2Алгоритм модуля на языке Verilog для реализации ШИР плавного изменения яркости светодиода.

4.3Описание работы алгоритма.

4.4Осциллограммы, поясняющие принцип ШИР.

4.5Выводы.

5 Контрольные вопросы

5.1Дайте определение процедурного блока always.

5.2Принципы ШИР.

5.3Назовите основные достоинства и недостатки импульсного регулиро-

вания.

5.4Какой период изменения яркости светодиода получился в вашем про-

екте?

5.5На сколько дискрет разбито регулирование длительности?

5.6Из каких соображений выбирается разрядность двоичного счетчика?

27

Лабораторная работа №8

Генерация сигнала компонентного видеоинтерфейса VGA

1 Цель работы

Целью работы является реализация алгоритмов генерации компонентного видеосигнала с целью создания терминальных устройств вывода информации.

2 Краткие теоретические сведения

2.1 Компонентный видеосигнал Все устройства для отображения цветного изображения в качестве конеч-

ных сигналов используют три сигнала, соответствующие красному, зелёному и синему цветам аддитивной цветовой модели RGB. Эти сигналы подаются непосредственно на электроды масочных кинескопов или на матрицу жидкокристаллических дисплеев. Процесс преобразования цветного изображения в видеосигнал в начальной стадии также предусматривает цветоделение, в результате которого получаются три сигнала, соответствующие основным цветам. Передача компонентного сигнала, состоящего из информации об основных цветах, не требует преобразования цветовой информации в сигналы яркости и цветности, а затем обратного декодирования, ухудшающих цветопередачу. Непосредственная передача цветовых составляющих изображения позволяет свести к минимуму потери и ограничения интерфейса, получить максимальное качество. Такие интерфейсы не используют модуляцию сигналов и никак не ограничивают глубину цвета, которую может передать система. При этом полоса частот, занимаемая компонентными сигналами, очень широка и может значительно превышать полосу яркостного сигнала монохромного изображения, передавая большое количество цветовой информации. Большинство компьютеров используют для вывода компонентного аналогового видеосигнала интерфейс VGA, передающий отдельные компоненты цвета и синхросигнал по отдельным каналам. В видеоинтерфейсе VGA кроме трёх сигналов основных цветов передаются два сигнала синхронизации – строчная и кадровая.

Для электрического соединения источника композитного видеосигнала стандарта VGA используют 15 контактный разъем типа DB15HD. Расположение контактов разъема приведено на рисунке 2.1.

Рис. 2.1. Расположение контактов разъема DB15HD

28

Как уже говорилось ранее, в видеоинтерфейсе VGA передача сигналов красной, зеленой и синей составляющей видеосигнала производится отдельно по разным каналам. Кроме того, строчный и кадровый синхроимпульсы передаются также отдельными каналами. Назначение контактов разъема типа DB15HD приведено в таблице 2.1.

Табл. 2.1. Назначение контактов видеоинтерфейса VGA

Как видно из таблицы 2.1, помимо видеосигналов и сигналов синхронизации в видеоинтерфейсе VGA передаются и дополнительные, служебные сигналы. Так, выводы 12 и 15 используются для передачи сигнала стандарта I2S. Данная последовательная шина позволяет считать с ПЗУ монитора расширенные идентификационные данные (EDID). Эти данные считываются видеокартой и хранят в себе параметры монитора, поддерживаемые разрешения монитора и другую информацию. Данный интерфейс не обязателен к использованию и в лабораторном практикуме не используется.

2.1.1 Синхросигналы

Как уже говорилось ранее, в композитном видеоинтерфейсе VGA помимо видеосигналов передаются сигналы синхронизации. Сигналов синхронизации два – строчный и кадровый. Синхросигналы имеют форму импульсных сигналов. Поэтому строчный синхросигнал именуют строчным синхроимпульсом (ССИ), а кадровый синхросигнал именуют кадровым синхроимпульсом (КСИ).

Передача видеосигнала происходит построчно. Сначала последовательно слева направо передаются цвета всех элементов растра первой строки, затем

29

второй и так далее. Но не все элементы растра отображаются на экране. Это связано с применением ранее дисплеев на базе электронных лучевых трубок, кинескопов. Особенность этих дисплеев заключалась в том, что после завершения отображения очередной строки электронный луч не мог моментально перейти к началу следующей строки. Поэтому в VGA заложены паузы в передаче сигнала, в течение которых электронный луч мог бы успеть переместиться. На рисунке 2.2 показан полный кадр генерируемого видеосигнала разрешением

800х600.

Рис. 2.2. Полный кадр стандарта 800х600