Описание лабораторного оборудования

Лабораторные работы выполняются на компьютере и на универсальном стенде – конструкторе, ориентированном на изучение основ алгебры логики, элементов и узлов цифровых вычислительных машин. Основным понятием алгебры логики является понятие о булевой или логической функции. Логическая функция - это такая функция двоичных переменных (аргументов), которая подобно своим переменным может принимать лишь два значения: нуль (“0”) или единица (“1”). Для реализации логических функций на физических компонентах строят комбинационные схемы, используя в них логические элементы, реализующие некоторые простейшие логические функции. Логическому нулю в используемых в стендах логических элементах (серия 155 или 555 транзисторно-транзисторных логических (ТТЛ) элементов) соответствует напряжение U⁰ ≤ 0, 4 В (низкий уровень), а логической единице соответствует напряжение U¹ ≥ 2, 4 В (высокий уровень). Если у логического элемента серии ТТЛ оказываются свободные входы, то они воспринимаются элементом как входы, на которые поданы уровни логической единицы. При работе на стенде почти всегда можно учитывать этот факт. Но при проектировании аппаратуры и при моделировании на компьютере все свободные входы в зависимости от требуемой логической функции должны быть соединены с уровнем логического нуля или единицы. На электрических принципиальных схемах логические элементы и узлы изображаются в виде прямоугольников, имеющих только основное поле, если выполняемая функция достаточно проста (рис. 1, а), или имеющих кроме основного дополнительные поля (рис.1, б). Входы и выходы располагаются с противоположных длинных сторон условного обозначения. Внутри основного поля, напротив верхнего входа, располагается символ выполняемой основной функции, под которым располагают маркировку используемой микросхемы. Входы и выходы помечаются метками (при необходимости).

Рис.1. Условные обозначения логических элементов: а - элемент без дополнительных полей; б) - элементы с дополнительными полями.

Конструктивно узлы стенда выполнены в виде микросхем, которые впаяны в специальные платы, соединяемые со стендом с помощью разъёмов.

Разъёмы обеспечивают связь выведенных на лицевую панель гнёзд с входами и выходами микросхем, что позволяет собирать подлежащие анализу схемы с помощью коммутационных шнуров. В карманы лицевой панели стенда помещаются карточки с принципиальными схемами используемых в стенде микросхем.

В процессе испытания цифровых схем в статике (то есть состояния входных переменных задаются с невысокой частотой, вручную, например) на лабораторном стенде входные переменные задаются с тумблеров, расположенных в нижней части стенда, а выходные сигналы подаются на элементы световой индикации, расположенные в верхней части стенда.

Верхнее положение тумблеров принято за единицу. Тумблеры включены таким образом, что с верхних гнёзд снимаются значения переменных, а с нижних - отрицания переменных. При подаче уровня логической единицы на вход элемента индикации соответствующий светодиод начинает светиться.

С помощью кнопок Кн1, Кн2, Кн3 задаются синхронизирующие сигналы на испытываемые узлы. В отличие от тумблеров кнопки снабжены антидребезговыми схемами. Нажатие на кнопку равносильно подаче уровня логической единицы.

Для удобства исследования динамических свойств элементов и узлов вычислительных машин стенд оснащён генератором временных последовательностей, временные диаграммы которого представлены на рис. 2. На стендах предложенные на рисунке сигналы формируются на гнёздах с соответствующим обозначением: F, F2, F4, F8, F16.

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов генератора стенда

Временные диаграммы представляют изображения поведения сигналов (электрического напряжения в нашем случае) во времени. На временных диаграммах уровень логической единицы располагается выше, чем уровень логического нуля. Из временных диаграмм видно, что в исходном состоянии все сигналы равны нулю. В течение шестнадцати периодов сигнала F, то есть за период T перебираются всевозможные сочетания двоичных переменных. На шестнадцатом периоде все сигналы оказываются в единичном состоянии, как это видно из рисунка. Сигнал F обладает максимальной частотой, а сигнал F16 обладает минимальной частотой. Если в качестве входных сигналов разработанной или изучаемой схемы использовать предложенные сигналы, то, наблюдая за период T выходной сигнал, можно проверить функционирование схемы на всех возможных сочетаниях значений входных переменных, то есть проверить правильность работы схемы на всех строках таблицы истинности. Можно заметить, что это позволяет не перебирать всевозможные состояния сигналов с помощью тумблеров, а, задав входные сигналы с помощью генератора стенда, построить поведение собранной схемы сразу на всех наборах переменных, анализируя входные и выходные сигналы и их взаимное расположение с помощью осциллографа. Остаётся лишь добавить к временным диаграммам входных сигналов снятый с помощью осциллографа выходной сигнал.

Подключение питания на стенд осуществляется специальным тумблером.

Рассмотрим некоторые особенности использования программы «Electronics Workbench» при выполнении лабораторной работы.

При выполнении лабораторных работ в основном используются две библиотеки цифровых микросхем: «Logic Gates» и «Digital», состав которых предлагается на рисунке 3.

Logic Gates Digital

Рис. 3. Используемые библиотеки цифровых элементов и микросхем.

Если не требуется привязка к конкретным сериям элементов можно применять логические элементы и триггеры из верхних строк предложенных библиотек. При использовании узлов: дешифраторов, мультиплексоров, регистров, счётчиков, достаточно использовать модели, предложенные во второй строке библиотеки «Digital».

В библиотеке «Indicators» можно найти индикаторы логических состояний цифровых сигналов и семисегментные индикаторы цифр и некоторых символов.

Некоторые условные обозначения из упомянутых библиотек предложены на рисунке 4.

Рис. 4. Условные обозначения цифровых узлов и элементов при моделировании: а – JK-триггер, б – счётчик, в – спаренный дешифратор, г – сдвигающий регистр, д – логические элементы, е – индикатор логического состояния сигнала.

Выполняемая логическая функция выбранной модели элемента легко определяется с использованием функциональной клавиши «F1», если условное обозначение элемента отмечено левой клавишей «мышки» красным цветом. Выбрать вариант физической реализации (идеальный, ТТЛ, КМОП) и присвоить позиционное обозначение (Label) можно с использованием окна, которое откроется при двойном нажатии левой клавиши мышки, курсор которой расположен на выбранном элементе. Можно заметить, что некоторые модели элементов соответствуют конкретным микросхемам и требуют подведения питания (например, спаренный дешифратор 74155, обозначение которого приведено на рисунке 4, в). Расположенные около условного обозначения цифры определяют номера выводов микросхемы. Контакт микросхемы с меткой «GND» (контакт с номером 8) следует подключить к точке с нулевым потенциалом, а к контакту 16 с меткой «VCC» необходимо подать напряжение питания величиной 5 Вольт.

Если лабораторная работа выполняется на компьютере, то формирование двоичных переменных возможно с использованием моделей тумблеров или с использованием генератора слов, временные диаграммы сигналов на выходах которого подобны предложенным на рисунке 2. Предполагая, что используется программа типа «Electronics Workbench», для формирования двоичных переменных с помощью тумблеров при числе переменных не более четырёх можно использовать схему, предложенную на рисунке 5.

На предложенной схеме на выходах x1, x2, x3, x4 с помощью тумблеров S1, S2, S3, S4 формируются цифровые сигналы с уровнями U⁰=0В при формировании логического нуля и U¹=5В при формировании логической единицы. Выходы VCC=U¹ и GND=U⁰ используются для питания используемых микросхем и для формирования констант нуля и единицы. Состояния сигналов на выходах x1, x2, x3, x4 контролируются индикаторами H1, H2, H3, H4. Изменение состояний тумблеров осуществляется клавишами 1, 2, 3, 4. Перебирая с помощью клавиш все возможные сочетания входных переменных можно проверить таблицу истинности на всех строках.

Если по заданию требуется формирование отрицания переменной, то следует использовать модели инверторов в отличие от случая выполнения работы на стенде, где с тумблера, формирующего переменную, одновременно можно считывать прямое и инверсное значения переменной.

Рис. 5. Схема формирования двоичных переменных в статике при работе на компьютере

Чтобы не тратить время на набор предложенной схемы при выполнении каждого пункта задания можно воспользоваться файлом «gen-slov.ewb». В этом случае для набора требуемой по заданию схемы следует извлечь предложенный файл, дорисовать требуемую схему с подключением логических индикаторов к выходам этой схемы, запомнить полученную схему с новым именем и испытать. Моделирование набранной схемы начинается в момент «включения питания» с помощью переключателя, расположенного в левом верхнем углу рабочего стола. Перебирая все возможные сочетания входных переменных, составить таблицу истинности и сравнить её с теоретически составленной или исходной таблицей, записать схему в отчёт и сделать выводы по результатам выполнения этого пункта. При необходимости записать схему или часть экрана при работе с программой «Electronics Workbench» в пункте меню «Edit» находим пункт «Copy as Bitmap» и на рабочем столе отмечаем прямоугольником копируемую область. Затем вставляем результат в отчёт.

Применение генератора сигналов, подобных предложенным на рисунке 2, позволяет не тратить время на перебор всех состояний и измерять при необходимости динамические свойства изучаемой схемы с помощью осциллографа или его модели. Если используется программа «Electronics Workbench», то для формирования множества сигналов можно использовать генератор слов «Word Generator», а одновременно наблюдать формируемые (входные) сигналы и выходные сигналы исследуемой схемы удобно с помощью логического анализатора «Logic Analyzer». Удобно при использовании генератора слов начинать набор изучаемой схемы с извлечения файла «word-generator.ewb», подключения к выходам генератора входов схемы, а выходы схемы подключаются к свободным входам логического анализатора. После этого необходимо записать результат с новым именем в память и запустить схему. Результатом выполнения задания в этом случае будут копии набранной схемы и экрана логического анализатора и комментарий к сигналам на экране анализатора. Под комментарием следует понимать описание работы схемы с указанием места на временных диаграммах, для которого справедливо описание. Желательно отметить это место на временных диаграммах средствами используемого программного продукта или какого-либо графического редактора, или указать значения входных сигналов, при которых наблюдается описанное поведение схемы.

Схема генератора слов и временные диаграммы формируемых генератором сигналов в пятой версии «Electronics Workbench» предложена на рисунке 6. Сигнал x0 обладает максимальной частотой и располагается на экране логического анализатора первым сверху. Сигнал x4 располагается последним и имеет минимальную частоту. Заметим, что сигналы на экране логического анализатора подобны сигналам рисунка 2.

а)

б)

Рис. 6. Схема генератора слов (а) и временные диаграммы

формируемых генератором сигналов (б)

А именно, сигналы x0, x1, x2, x3, x4 подобны сигналам F, F2, F4, F8, F16, используемым при работе со стендом. Предложенная на рисунке схема формирования уровней нуля (GND) и единицы (VCC) используется для формирования констант нуля и единицы и для питания используемых микросхем.

Возможно применение для генерации сигналов, аналогичных сигналам, предложенным на рисунке 2, файла «word-generator2.ewb». Схема формирования импульсов в этом случае предложена на рисунке 7. Особенностью такого варианта является применение для формирования каждого импульсного сигнала модели генератора импульсов с соответствующей частотой. Для наблюдения сигналов можно использовать как логический анализатор, так и модель осциллографа. Возможно изменение частот импульсных сигналов до величины в доли Герца, что позволит наблюдать процесс логическими пробниками, визуально, без применения осциллографа или логического анализатора практически в статике.

 

Рис. 7. Возможное схемное решение генератора импульсных сигналов

При моделировании цифровых схем в зависимости от указаний преподавателя могут использоваться модели идеализированных элементов, в которых не требуется проведение цепей питания, и модели реальных микросхем, в которых требуется подведение питания и подача на неиспользуемые входы констант для исключения влияния этих входов на результаты моделирования. В первом случае получается фактически функциональная схема, которая позволяет проверить логику работы, а втором случае проверяется не только логика работы, но изучаемая схема оказывается моделью реального устройства. Фактически имеем дело в этом случае с принципиальной схемой, на которой указаны соединения микросхем и номера контактов. Используя реальные микросхемы, можно спаять схему и получить макет разработанного устройства. Рассмотрим пример использования файла «gen-slov.ewb».

Запустив программу «Electronics Workbench» откройте из папки «EWB» файл «gen-slov.ewb». В случае использования моделей идеализированных элементов открывается библиотека «Logic Gates». В верхней строчке можно выбрать требуемый логический элемент. Предположим, что требуется реализовать логическую функцию: . Для этой цели требуется элемент типа 3И-НЕ. Выбираем в верхней строке открытой библиотеки элемент «NAND» и перетаскиваем изображение на рабочий стол. Двойным щелчком правой клавиши мышки по изображению элемента входим в режим задания некоторых параметров элемента. Задаём количество входов, равное трём. Если требуется, можно выбрать модель элемента (КМОП, идеальный, ТТЛ), присвоить имя и номер элементу. После этого подаём входные сигналы на эти три входа и подключаем выход к логическому пробнику или к свободному входу логического анализатора и получаем возможность проверить правильность работы разработанного устройства. При использовании тумблеров получаем схему, предложенную на рисунке 8. Предложенная схема содержится в файле «3И-НЕ1.ewb», что позволяет проверить её работу, не тратя время на коммутацию.

Рис. 8. Схема анализа работы элемента типа 3И-НЕ

В предлагаемом на рисунке случае при подаче на входы x1 и x2 логической единицы, а на вход x3 нуля, на выходе наблюдается единица. Символ отрицания представлен восклицательным знаком, а конъюнкция использует классические символы. Логические пробники H1 и H2 указывают на уровень единицы, а H3 указывает на наличие на входе x3 логического нуля. На выходе y наблюдается единица.

Контрольные вопросы

1. Каким образом воспринимается свободный вход элементом ТТЛ?

2. Как формируются входные переменные при анализе работы в статике и как определяются состояния выходных переменных в этом случае?

3. Чем отличаются кнопки от тумблеров на лабораторных стендах?

4. Что такое временные диаграммы?

5. Какую функцию (суммирование или вычитание в двоичном виде) выполняют сигналы F16, F8, F4, F2 на рисунке 2 в ответ на импульсы сигнала F?

6. Какие параметры определяют динамические свойства логических элементов и как они измеряются?

7. Каким образом можно записать в буфер фрагмент экрана при моделировании схемы с помощью «Electronics Workbench»?

8. Как определить параметры модели элемента и выполняемую им функцию?

 

Лабораторная работа № 1

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: