Лабораторные работы

по курсу «Цифровые электронные устройства»

Лабораторная работа №2

«Генератор ФМ-сигнала: Часть 1 - Генератор двоичного кода»

В данной лабораторной работе студентами создается (в виртуальной среде Electronics Workbench) ряд цифровых схем, позволяющих на их основе создать генератор произвольного двоичного кода (ГПДК) и промоделировать его работу.

В дальнейших лабораторных работах этот генератор войдет в схему более сложного устройства «генератора фазоманипулированного (ФМ) сигнала».

Структурная схема генератора ФМ сигнала и входящий в нее ГПДК.

Структурная схема генератора произвольного двоичного кода представлена на рис.1.

Рис.1 Структурная схема генератора произвольного двоичного кода

Тактовый генератор создает бесконечную последовательность тактовых прямоугольных импульсов.

Счетчик при поступлении на его вход каждого следующего тактового импульса – увеличивает значение двоичного числа на выходе счетчика на единицу. В данной работе будет создан счетчик, на выходе которого образовываются числа от 0 до 15.

Дешифратор, получая на своем входе двоичное число, ставит в соответствии этому числу определенное значение – 0 или 1. Поэтому каждому поступающему числу M от 0 до 15 – на выходе дешифратора соответствует элемент двоичного кода D_M. В данном работе каждый студент создаст свой дешифратор для своего уникального двоичного кода (выданного преподавателем в качестве задания).

1. Создание и моделирование работы тактового генератора – мультивибратора.

Описание

Первой частью создаваемого генератора произвольного двоичного кода является тактовый генератор (ТГ). На выходе ТГ необходимо получить бесконечную последовательность однополярных прямоугольных импульсов.

В качестве такого генератора будем использовать мультивибратор на таймере «555». Компонент «Таймер 555» расположен на вкладке Mixed ICs (рис.2). Схематический вид компонента в программе Electronics Workbench приведен на рис.3. Его структурная схема приведена на рис.4, а принципиальная схема - на рис.5.

Рис.2 Расположение компонента «Таймер 555» в программе Electronics Workbench

Рис.3 Схематический вид компонента «Таймер 555»

Рис.4 Структурная схема компонента «Таймер 555»

Рис.5 Принципиальная схема компонента «Таймер 555».

Одна из возможных схем мультивибратора, построенных на таймере «555», показана на рис.6:

Рис.6 Схема мультивибратора на таймере «555»

Задание

Соберите данную схему (рис.6) в программе Electronics Workbench. Элементы R1 и C1 в данной схеме задают частоту генерируемых импульсов.

Период генерируемых импульсов для данной схемы приблизительно рассчитывается по формуле (1).

T = 1,4  R1  C1 (1)

Получите у преподавателя индивидуальное значение частоты, рассчитайте соответствующие номиналы R1 и C1, и подставьте их в схему. Внесите заданную частоту, период, рассчитанные номиналы резистора и конденсатора в протокол лабораторной работы.

Выход OUT микросхемы «Таймер 555» является выходом мультивибратора, и поэтому подключен к каналу А осциллографа для наблюдения за сигналом. Запустите схему на выполнение и получите на экране осциллографа график 10 периодов генерируемой последовательности импульсов. Поставьте маркеры 1 и 2 так, чтобы в поле «T2-T1» осциллографа показывалась длина 10 периодов вашей последовательности. Сохраните осциллограмму (в BMP файл: с помощью кнопки Print Screen и последующей вставки в MS-Paint) и внесите ее в протокол лабораторной работы. На рис.7 показан пример осциллограммы для частоты 1 КГц (и соответственно периода 1 мс).

Рис.7 Пример осциллограммы сигнала на выходе мультивибратора

Не стирайте схему мультивибратора из п.1, т.к. в данной работе собирается составное устройство, и мультивибратор понадобится вам в следующем пункте!

2. Создание и моделирование работы цифрового счетчика

Описание

Счетчик, стоящий после тактового генератора на рис.1, представляет собой устройство, которое при подаче на вход импульса – по его фронту (или спаду, в зависимости от конструкции счетчика) формирует на своих выходах двоичное число: например, от 0 (000 в двоичной системе счисления) до 7 (111 в двоичной системе счисления).

Каждый выход счетчика, соответствующий конкретному двоичному разряду – обозначают цифрой этого разряда. По аналогии с десятичной системой, где разряды называют «единицы», «десятки», «сотни», «тысячи» и т.д. (это степени числа 10), в двоичной системе разряды называются 1, 2, 4, 8, 16 и т.д. (это степени числа 2: 2⁰ = 1; 2¹ = 2; 2² = 4; 2³ = 8 и т.д.). Например, на рис.8 показан счетчик на 16 значений (от 0 до 15, или от 0000 до 1111 в двоичной системе счисления). На рис.9 показаны работы счетчика после получения очередного тактового импульса.

Рис.9 Стадии работы счетчика

Таким образом, при подаче тактового импульса на вход С счетчика – число на его выходе увеличивается на единицу. Каждый из выходов «1», «2», «4», «8» соответствует разряду двоичного числа. Поэтому такой счетчик, обладающий 4 выходами (показанный схематически на рис.9), называют четырехразрядным. В общем случае у N-разрядного счетчика присутствует N выводов.

При создании такого счетчика будем использовать Т-триггеры. Как вы знаете, Т-триггер переключает выход на противоположное состояние по приходу импульса на входе. В программе Electronics Workbench нет T-триггеров. Поэтому придется создать такие триггеры из JK-триггеров.

Рис.10 Т-триггер (а) и T-триггер, созданный из JK-триггера (б)

Как вы знаете JK-триггер при уровне логической единицы на обоих входах J и K – переключается на противоположное состояние, т.е. работает как Т-триггер. Это и будет использоваться при создании счетчика.

JK-триггеры расположены на панели компонентов Digital (рис.11).

Рис.11 Расположение компонента JK-триггер на панели компонентов Digital

Не стирайте предыдущую схему мультивибратора из п.1, т.к. в данной работе собирается составное устройство!

Задание

Используя четыре данных триггера, соберите схему, показанную на рис.12. Помеченный на рис.12 контакт U_вх – подключите к выходу мультивибратора (в точку, куда был подключен осциллограф). Как видно на рис.12 – входы J и K каждого JK-триггера соединены и подключены к источнику уровня логической единицы (+5 В). Это позволяет данному счетчику по спаду входных тактовых импульсов переключать JK-триггер U9 в противоположное состояние. По спаду импульса на выходе U9 переключается в противоположное состояние JK-триггер U10 и т.д.

Таким образом, после каждого спада входного импульса осуществляется увеличение двоичного числа на единицу (как на рис.9). Индикация двоичного числа производится на индикаторах Red Probe, обозначенных на рис.12 как U13 – U16.

Рис.12 Счетчик на 16, собранный с использованием JK-триггеров

Запустите вашу схему, состоящую из мультивибратора и счетчика на 16. В случае слишком быстрого переключения индикаторов подберите другие значения R1 и C1 (по формуле (1)), чтобы уменьшить частоту мультивибратора и пронаблюдать последовательность появления значений на выходах триггеров. После наблюдения – смените обратно значения номиналов R1 и C1 на те, которые были вами рассчитаны в п.1

Как видно из рис.12 – каждый триггер отвечает за свой разряд. Ближайший к мультивибратору триггер U9 отвечает за разряд «1» - т.е его выход соответствует выходу «1» счетчика на рис.9. Выход триггера U10 – соответствует разряду «2». Выход триггера U11 – соответствует разряду «4». Выход триггера U12 – соответствует разряду «8».

Данный счетчик перебирает по очереди на выходе числа с 0 до 15 и затем снова переходит в ноль, после чего цикл счета повторяется.

Для получения временной диаграммы воспользуемся компонентом Logic Analyzer (Логический анализатор) (рис.13) на панели Instruments.

Рис.13 Расположение компонента «Logic Analyzer» на панели компонентов.

Соберите схему, показанную на рис.14, подставив входы анализатора вместо красных индикаторов Red Probe, а также подключите первый канал анализатора к выходу мультивибратора (как показано на рис.14).

Рис.14 Схема с логическим анализатором

Двойным щелчком левой кнопки мыши по анализатору откройте его окно. Запустите моделирование и получите временные диаграммы в данном окне. Каждая строка соответствует конкретному входу анализатора. В соответствии с рис.14 – первая строка это импульсы на выходе мультивибратора, строки со вторую по пятую – это разряды счетчика. Как видно на рис.15 – картина должна соответствовать временным диаграммам, изображенным выше на рис.9 – каждый последующий разряд переключается в два раза медленнее предыдущего разряда.

Сохраните изображение временных диаграмм и внесите данное изображение в протокол (как описывалось выше с помощью кнопки Print Screen и графического редактора MS-Paint).

Рис.15 Пример временных диаграмм, полученных с выходов счетчика

Для регулировки масштаба по горизонтальной оси воспользуйтесь регулятором Clocks per division (отсчетов на деление) внизу окна анализатора.

Если диаграмма обрывается, не пройдя даже одного полного цикла – уменьшите частоту дискретизации анализатора: нажмите в окне анализатора в разделе Clock кнопку Set, далее в открывшемся окне Clock Setup уменьшите значение в поле Internal Clock Rate и нажмите Accept (рис.16).

Если же диаграмма наоборот слишком длинна, циклов явно пройдено много, но качественной картины не видно (неровные периоды импульсов, несколько импульсов сливаются в один), то следует увеличить значение частоты дискретизации – аналогично увеличив значение в поле Internal Clock Rate (рис.16).

Рис.16 Изменение значения частоты дискретизации логического анализатора