Распределение тем лабораторных занятий по времени

Лабораторный практикум

Лабораторные занятия по дисциплине «Схемотехника ЭВМ» проводятся с целью углубления и закрепления теоретических знаний, проверки и подтверждения их экспериментальным путем. Перечень и распределение тем лабораторных занятий приводятся ниже.

Распределение тем лабораторных занятий по времени

№	Наименование темы лабораторного занятия	Тема дисциплины	Используемые приборы и лабораторное оборудование	Количество часов
	Моделирование логических функций		IBM PC-совместимый компьютер с установленной системой моделирования MATLAB
	Моделирование цифровых триггеров		IBM PC-совместимый компьютер с установленной системой моделирования MATLAB; ППП схемотехнического моделирования Electronics Workbench
	Моделирование регистров
	Моделирование счетчиков
	Моделирование комбинационных устройств
	Моделирование работы арифметико-логического устройства при выполнении операций суммирования и умножения		IBM PC-совместимый компьютер с установленной системой моделирования MATLAB
	Моделирование работы микропроцессора при выполнении операций умножения двоичных чисел
	Проектирование и моделирование цифровых устройств		IBM PC-совместимый компьютер с установленными ППП схемотехнического моделирования Electronics Workbench
Итого

Лабораторные работы по дисциплине выполняются на ПК методами компьютерного моделирования на базе названного ПО.

Основной задачей исследования при проведении лабораторных работ является: изучение типовых устройств современных ЭВМ и микропроцессоров – триггеров, регистров, счетчиков, различных комбинационных устройств, арифметико-логического устройства, моделирования работы микропроцессора при выполнении операций суммирования и умножения; предусмотрено также закрепление материала посредством проектирования и моделирования работы различных цифровых устройств с параметрами, заданными индивидуально.

Перед проведением работы студент должен изучить тематику по соответствующей учебной и справочной литературе. В отчете по лабораторной работе студент обязан сделать выводы о соответствии теоретических и экспериментальных результатов, а также объяснить возможные расхождения.

Для подготовки к защите лабораторных работ приводятся контрольные вопросы.

Отчет по каждой лабораторной работе должен содержать:

1) цель работы;

2) краткие теоретические сведения, непосредственно используемые при выполнении работы;

3) схемы моделирования;

4) результаты моделирования в форме временных диаграмм с указанием единиц измерения переменных и значений их величин;

5) обоснованные выводы по проделанной работе.

Отчеты по лабораторным работам выполняются на листах формата А4 либо на тетрадных листах. По окончанию лабораторного практикума каждого семестра все отчеты по лабораторным работам брошюруются студентом в журнал отчетов и сдаются преподавателю. Оформление титульных листов лабораторной работы и журнала отчетов приведено в прил. 1, 2.

При работе в лаборатории (вычислительном зале) студент обязан строго выполнять правила техники безопасности, соблюдать порядок и тишину при проведении лабораторных работ, заботится о сохранности лабораторного оборудования и мебели.

В.1. Ознакомление с системой моделирования MATLAB

MATLAB– это высокопроизводительный язык для технических расчетов, позволяющий проводить вычисления, моделирование, визуализацию и программирование в удобной среде, где; задачи и решения выражаются в форме, близкой к математической. MATLAB – это интерактивная система, в которой основным элементом данных является массив.

Система MATLAB

MATLAB содержит шесть основных частей:

Среда MATLAB. Это набор инструментов и приспособлений, с которыми работает пользователь. Она включает в себя средства для управления переменными в рабочем пространстве MATLAB, вводом и выводом данных, а также создания, контроля и отладки М-файлов и приложений MATLAB.

Язык MATLAB. Это язык матриц и массивов высокого уровня с управлением потоками, функциями, структурами данных, вводом-выводом и особенностями объектно-ориентированного программирования.

Графическая система MATLAB.Графическая система включает в себя набор команд высокого уровня для визуализации двух- и трехмерных данных, обработки изображений, анимации и иллюстрированной графики. Она также включает в себя команды низкого уровня, позволяющие полностью редактировать внешний вид графики.

Библиотека математических функций.Это обширный набор вычислительных алгоритмов от элементарных функций, таких как сумма, синус, косинус, комплексная арифметика, до более сложных, таких как обращение матриц, нахождение собственных значений, функции Бесселя, быстрое преобразование Фурье.

Программный интерфейс. Это библиотека, которая позволяет писать программы на Си и Фортране, которые взаимодействуют с MATLAB.

Simulink – это интерактивная система для моделирования динамических систем. Simulink работает с линейными, нелинейными, непрерывными, дискретными, многомерными системами.

ЗапускMATLAB

Чтобы запустить MATLAB на PC, дважды щелкните на иконку MATLAB. На экране появляется командное окно MATLAB, в которое могут вводится числа, переменные, операторы, названия функций.

Ввод данных. При введении данных нужно руководствоваться несколькими условиями:

• для введения в рабочее пространство MATLAB некоторой переменной А и присвоения ей числового значения 5 следует написать в командном окне выражение:

А=5;

Если после введенного выражения не поставить знак «; », то MATLAB повторит введенное выражение

А = 5.

Если после введенного выражения поставить знак «; », то MATLAB запомнит введенную переменную в рабочем пространстве без повторения;

• при введении матрицы или вектора элементы строки отделяются друг от друга пробелами или запятыми; точка с запятой используется для обозначения окончания каждой строки, а весь список элементов окружается квадратными скобками:

А=[1 2 4 5; 12 15 20 25; 5 7 9 11; 22 2 20 50];

С введенными в рабочее пространство переменными, векторами или матрицами можно производить различные арифметические операции или использовать их в качестве аргументов встроенных функций.

Элемент в строке i и столбце j матрицы А обозначается А(i , j).Например, А(4, 2) – это число в четвертой строке и втором столбце.

Веденное в командном окне выражение (рис. В.1)

А=1: 10

определяет А как вектор-строку со значениями

А = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10.

Рис. В.1. Ввод данных

Выражения

Как и большинство языков программирования, MATLAB предоставляет возможность использования математических выражений, основными составляющими которых являются переменные, числа, операторы, функции.

В MATLAB нет необходимости в определении типа переменной или ее размерности. Когда MATLAB встречает новое имя переменной, он автоматически создает переменную и выделяет соответствующий объем памяти. Например, запись

ааа=20

создает матрицу 1× 1с именем ааа и сохраняет значение 20 в ее единственном элементе.

Имена переменных состоят из букв, цифр, или символов подчеркивания. MATLAB чувствителен к регистрам и отличает заглавные и строчные буквы. Чтобы увидеть матрицу, связанную с переменной, просто введите название переменной и нажмите клавишу Enter.

Операторы

Выражения используют обычные арифметические операции и правила старшинства.

+	сложение
–	вычитание
*	умножение
/	деление
^	степень
‘	транспонирование
()	определение порядка вычислений.

Функции

MATLAB предоставляет большое количество элементарных функций, таких, как abs, sqrt, exp, sin.Вычисление квадратного корня или логарифма отрицательного числа не является ошибкой: в этом случае результатом является соответствующее комплексное число. Чтобы вывести список всех элементарных математических функций (рис. В.2), наберите в командном окне

help elfun

Рис. В.2. Список всех элементарных математических функций

Для вывода более сложных математических (рис. В.3) и матричных функций (рис. В.4), наберите

help specfun

help elmat

соответственно.

Рис. В.3. Список сложных математических функций

Рис. В4. Список сложных математических функций

Для получения справки по какой-то конкретной функции и правилах ее применения, наберите

help имя_функции.

Несколько специальных функций предоставляют значения часто используемых констант (рис. В.5).

pi	3.14159265...
i	мнимая единица
j	то же
Inf	бесконечность
NaN	не число

Рис. В.5. Специальные функции

Графика

MATLAB имеет широкие возможности для создания графических изображений данных и результатов расчетов или моделирования.

Создание графика

Функция plot имеет различные формы, связанные с входными параметрами, например plot(y) создает кусочно-линейный график зависимости элементов у от их индексов. Если в качестве аргументов заданы два вектора, plot(t, у) создаст график зависимости у от х.

Вызов функции plot с многочисленными параметрами создаст несколько графиков, причем MATLAB автоматически присвоит каждому графику свой цвет (исключая случаи, когда это делает пользователь), что позволяет различать заданные наборы данных.

Постройте график значений функции sin от нуля до 2р (рис. В.6), выполнив следующие операции:

t = 0: pi/100: 2*pi;

у = sin(t);

plot (t, у)

Рис. В.6. График значений функции sin от нуля до 2р

Постройте множественный график, дополнив предыдущие выражения формулами

у2 = sin(t –.25);

у3= sin(t –.5);

plot(t, у, t, y2, t, у3)

Рис. В.7. Множественный график

Подграфики

Функция subplot позволяет выводить множество графиков в одном окне (рис. В.8) или распечатывать их на одном листе бумаги.

subplot(m, n, p)

разбивает графическое окно на матрицу m на n подграфиков и выбирает р-ый подграфик текущим. Например, чтобы представить графики вышеуказанных функций у, у2, у3друг под другом, следует записать в командном окне (рекомендуется проделать эту процедуру):

subplot(3, l, l), plot(t, y), grid;

subplot(3, l, 2), plot(t, y2), grid;

subplot(3, l, 3), plot(t, y3), grid;

Рис. В.8. Подграфики функций у, у2, у3

Функция grid расставляет на графиках пунктирные линии, соответствующие делениям на координатных осях.

Рабочее пространство

Рабочее пространство – это область памяти, в которой хранится совокупность созданных за время сеанса работы MATLAB переменных, и которая доступна из командной строки рабочего окна MATLAB. Две команды, who и whos, показывают текущее содержание рабочего пространства. Команда who выдает краткий список переменных в рабочем пространстве, а команда whos размер и используемую память.

Команда save сохраняет содержание рабочего пространства в МАТ-файле, который может быть прочитан командой load в последующих сеансах работы MATLAB. Например,

save Февраль12

сохраняет содержимое всего рабочего пространства в файле Февраль 12.mat. Если нужно сохранить только определенные переменные, их имена указываются после имени файла.

Лабораторная работа № 1

Задание на лабораторную работу

1. Собрать схему моделирования в соответствии с рис. П1.2. Изменяя комбинацию аргументов на входе, смоделировать работу ЛЭ, реализующих логические функции И, ИЛИ, НЕ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ, исключение ИЛИ, при всех возможных значениях аргументов и заполнить таблицу П1.3.

Рис. П1.2. Схема моделирования логических функций

Таблица П1.3

Комбинации аргументов х₂х₁	Функция И (у = х₂х₁)	Функция ИЛИ (y = x₂ + x₁)	Функция И–НЕ ( )	Функция НЕ	Функция ИЛИ–НЕ ( )	Функция исключение ИЛИ ( )
0 0
0 1
1 0
1 1

2. В соответствии со своим вариантом задания в табл. П1.4 (порядковым номером по списку) синтезировать логическую функцию четырех аргументов x₃x₂x₁x₀ в заданном базисе ЛЭ, собрать и промоделировать ее работу. Результаты моделирования занести в табл. П1.5.

Таблица П1.4

Номер по списку	Единичные значения функции на наборах	Базис
	0, 1, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 14	И–НЕ
	0, 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14	И–НЕ
	1, 2, 3, 4, 5, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 11, 12, 14, 15	И–НЕ
	0, 1, 2, 3, 7, 8, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15	И–НЕ
	2, 3, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 10, И, 12	И–НЕ
	0, 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 14	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 3, 8, 10, 11, 12, 14, 15	И–НЕ
	0, 1, 2, 3, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 3, 7, 9, 10, 11, 12, 14, 15	И–НЕ
	1, 2, 3, 5, 9, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	1, 2, 3, 4, 7, 9, 10, 11, 12, 14, 15	И–НЕ
	0, 1, 2, 3, 8, 9, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 3, 5, 8, 9, 10, 11, 15	И–НЕ
	0, 1, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 14	ИЛИ–НЕ
	1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 14	И–НЕ
	0, 1, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 15	И–НЕ
	0, 1, 2, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 15	ИЛИ–НЕ
	2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15	И–НЕ
	0, 1, 2, 3, 8, 9, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 3, 6, 7, 10, 11, 12, 14, 15	И–НЕ
	0, 1, 2, 3, 8, 9, 10, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15	И–НЕ
	1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 14	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15	ИЛИ–НЕ
	0, 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15	И–НЕ

Таблица П1.5

Комбинации аргументов x₃x₂x₁x₀	Значения функции у
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1

Контрольные вопросы

1. Перечислите логические функции основных цифровых элементов электронных вычислительных средств.

2. Для чего используют и как получить из таблицы истинности совершенную дизъюнктивную нормальную форму логической функции?

3. Как перейти от СДНФ к логической схеме?

4. Какие элементы из библиотек системы Simulink необходимо использовать при моделировании комбинационной логической схемы?

Лабораторная работа № 2

Задание на лабораторную работу

1. Смоделировать работу асинхронного RS-триггера, для чего собрать схему моделирования в соответствии с рис. П2.6. Блок RS-триггера (RS Flip Flop) находится в библиотеке Simulink\Blocksets& Toolboxes\Simulink Extras\Flip Flops\. Там же находится блок Синхроимпульсов (Clock), который нужно использовать для задания периодических входных сигналов в схемах моделирования. Получить графики входных и выходного сигналов RS-триггера на блоках осциллографов (Scope) и убедиться в правильности функционирования триггера. Зарисовать схему моделирования и полученные графики входных и выходного сигналов триггера в отчет по лабораторной работе. При, построении графиков использовать масштабы и обозначения осей.

Рис. П2.5. Универсальный JK-триггер

2. Смоделировать работу Т-триггера, для чего собрать схему моделирования в соответствии с рис. П2.7. В качестве Т-триггера использовать универсальный JK-триггер (JK Flip Flop), на J, К входы которого подается сигнал логической единицы. JK-триггер находится в библиотеке Simulink\Blocksets& Toolboxes\Simulink Extras\Flip Flops\. Там же находится блок Синхроимпульсов (Clock), который нужно использовать для задания периодических входных сигналов в схемах моделирования. Получить графики входного и выходного сигналов T-триггера на блоках осциллографов (Scope) и убедиться в правильности функционирования триггера. Зарисовать схему моделирования и полученные графики входного и выходного сигналов триггера в отчет по лабораторной работе.

Рис. П2.6. Схема моделирования асинхронного RS-триггера

3. Смоделировать работу D-триггера, для чего собрать схему моделирования в соответствии с рис. П2.8. В качестве D-триггера использовать универсальный JK-триггер (JK Flip Flop), на входы J, K которого подается информационный сигнал с противоположными знаками. Получить графики входных и выходного сигналов D-триггера и убедиться в правильности функционирования триггера. Зарисовать схему моделирования и полученные графики входных и выходного сигналов триггера в отчет по лабораторной работе.

Рис. П2.7. Схема моделирования Т-триггера

Примечание: Внимание! В MATLAB версии 6 и выше между выходом блоков, являющихся источниками сигналов (Clock, Constant), и входами блоков триггеров (Flip-Flop) следует помещать буферный ЛЭ, не изменяющий знака сигнала, например одновходовый элемент И (ИЛИ).

Рис. П2.8. Схема моделирования D-триггера

4. В соответствии с заданным вариантом (табл. 2.1) начертить электрическую функциональную схему асинхронного RS-триггера на ЛЭ И-НЕ или ИЛИ-НЕ и временные диаграммы его работы.

Таблица 2.1

RS-триггер на ЛЭ	T-триггер на базе
RS-триггеры	D-триггеры	Т-триггеры
И–НЕ	1–4	5–8	9–12
ИЛИ–НЕ	13–16	17–20	21–24

5. На базе RS-триггера построить двухтактный RS-триггер, синхронный RS-триггер, однотактный D- и JK-триггеры и привести соответствующие им временные диаграммы и таблицы истинности.

6. Построить Т-триггер на базе двухступенчатых RS-, D- или JK-триггера в зависимости от номера варианта из табл. 2.1. Привести временные диаграммы и таблицы истинности, поясняющие его работу.

7. Смоделировать различные типы триггеров, разработанные в пп. 4-6 в среде Electronics Workbench. Подать на их входы с помощью ключей различные разрешенные кодовые комбинации. Синхровходы триггеров подключить к генератору слов Word Generation в режиме Sycle.

8. Получить временные диаграммы входных и выходных сигналов для всех смоделированных триггеров на экране логического анализатора Logic Analizer.

9. Сравнить диаграммы для разработанных теоретически и смоделированных в среде Electronics Workbench схем и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение триггеру.

2. Перечислите типы триггеров и их назначение.

3. В чем заключается и как реализуется универсальность JK-триггера?

4. Какие элементы из библиотек системы Simulink необходимо использовать при моделировании работы триггеров?

5. Какие сигналы появятся на прямом и инверсном выходах, если подать сигналы лог. 1 одновременно на оба входа асинхронного RS-триггера?

6. В чем заключается отличие триггеров синхронных от асинхронных?

7. Как выглядят стандартизированные условные изображения триггеров разных типов?

8. Чем определяется быстродействие триггера?

9. Начертить схему электрическую функциональную RS-триггера на ЛЭ ИЛИ-НЕ или И-НЕ и пояснить его работу.

10. Почему JK-триггер называют универсальным?

11. Поясните работу D-триггера. Начертите условное графическое обозначение D-триггера и временные диаграммы его работы со статическим и динамическим входами синхронизации.

12. Какой характерной особенностью обладает периодическая последовательность импульсов на выходе Т-триггера?

13. Каким преимуществом обладают двухступенчатый триггер?

Лабораторная работа № 3

Моделирование регистров

Цель работы: моделирование работы цифровых регистров.

Задание на лабораторную работу

1. Смоделировать работу параллельного четырехразрядного регистра на RS-триггерах, схема которого представлена на рис. П3.2. Ключи D0 – D3 обеспечивают подачу на соответствующие разряды регистра записываемого четырехразрядного слова, т. е. сигналов лог. 1 или лог. 1. При подаче сигнала лог. 1 единицы с ключа запись записываемого слова начинает воздействовать на входы S RS-триггеров через элементы И(AND).

Запись слова в регистр производится по сигналу запуска процесса моделирования (Simulation Start), что может быть проконтролировано на дисплеях Q0 – Q3.

Запишите в регистр произвольное четырехразрядное двоичное слово и убедитесь в правильности его записи.

Считывание хранимого в регистре слова может осуществляться в прямом или обратном коде, в зависимости от положения ключей Считывание в прямом коде/Считывание в обратном коде. Считывание производится по сигналу запуска процесса моделирования (Simulation Start).

Произведите считывание записанного в регистре слова в прямом и обратном коде и убедитесь в правильности его считывания.

Обнуление всех разрядов регистра производится путем подачи сигнала логической единицы с ключа Установка 0 и запуска процесса моделирования.

Произведите обнуление всех разрядов регистра.

Рис. П3.2. Схема моделирования четырехзначного параллельного регистра

2. Смоделировать работу четырехразрядного сдвигающего регистра на D-триггерах, схема которого представлена на рис. П3.3. В схеме моделирования применяются D-триггеры на основе JК-триггеров, которые моделировались в предыдущей лабораторной работе.

Рис. П3.3 Схема моделирования четырехразрядного сдвигающего регистра

Требуется собрать схему D-триггера в соответствии с рис. П3.4 в отдельном окне моделирования, выделить все элементы схемы и, используя опцию меню Редактирование\Создать подсистему (Edit\Create Subsystem), создать блок D-триггера, который будет использован в схеме моделирования сдвигающего регистра (рис. П3.3). В схеме моделирования применяются блоки Память (Memory), которые находятся в библиотеке Simulink/Non-linear и необходимы для запоминания предыдущего состояния триггеров в процессе моделирования. В схеме моделирования используются два блока Ступенчатое воздействие (Step, Step l), которые в комбинации с сумматором формируют одиночный импульс на входе сдвигающего регистра. В блоке Step нужно установить Step time: 1, Initial value: 0, Final value: 1. В блоке Step l нужно установить Step time: 2, Initial value: 0, Final value: -1. Последовательный сдвиг импульса на один разряд от триггера D к триггеру D3будет осуществляться с приходом каждого нового синхроимпульса от генератора синхроимпульсов Clock.

Рис. П3.4. D-триггер на основе JK-триггера

Результатом моделирования должна быть временная диаграмма на осциллографе (рис. П3.5), иллюстрирующая последовательный сдвиг импульса от триггера D к триггеру D3 с приходом на вход регистра каждого нового синхроимпульса.

Рис. П3.5 Временные диаграммы работы сдвигающего регистра

3. Разработать и начертить схему электрическую функциональную и временную диаграмму четырехразрядного параллельного регистра на базе D-триггеров синхронизируемых фронтом для четных вариантов или на базе RS-триггеров, синхронизируемых фронтом для нечетных вариантов.

4. Разработать и начертить схему электрическую функциональную и временную диаграмму четырех разрядного регистра сдвига на базе на RS-триггеров, синхронизируемых фронтом, для четных вариантов или на базе D-триггеров, синхронизируемых фронтом, для нечетных вариантов.

5. Смоделировать параллельный регистр в среде Electronics Workbench. Поочередно подать на входы D0...D3 код, соответствующий четырем младшим разрядам двоичного числа, равного номеру варианта, и код на единицу меньший с помощью соответствующих ключей. Подать синхроимпульса С с помощью генератора слов Word Generation, включив его в ручном режиме Step, и убедиться в правильной работе параллельного регистра по состоянию логических пробников на его выходах.

6. Смоделировать регистр сдвига в среде Electronics Workbench. Для имитации работы схемы подключить ее синхровход к генератору слов Word Generation, включив его в циклическом режиме Sycle. Подать на входы D0...D3 регистра код, соответствующий четырем младшим разрядам двоичного числа, равного номеру варианта плюс три. Получить временные диаграммы входных и выходных сигналов сдвигающего регистра на экране логического анализатора Logic Analizer.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение регистров?

2. Перечислите операции, которые можно выполнить над словами, хранящимися в регистре.

3. Назовите различия между регистрами параллельными и сдвиговыми.

4. Каким арифметическим операциям соответствует операция сдвига числа, хранящегося в сдвиговом регистре?

5. Какие элементы из библиотек системы Simulink необходимо использовать при моделировании работы регистров?

6. Как выглядит стандартизированное условное изображение регистра?

7. По каким признакам классифицируют регистры?

8. Чем определяется разрядность регистров?

9. Как работает параллельный регистр?

10. Каким образом осуществить операции умножения и деления в двоичной системе счисления в реверсивном регистре?

11. Как произвести с помощью регистра преобразование последовательного кода числа в параллельный код и обратно?

12. Как обозначаются регистры на схемах электрических функциональных и принципиальных?

Лабораторная работа № 4

Моделирование счетчиков

Цель работы: моделирование работы цифровых счетчиков.

Задание на лабораторную работу

1. Смоделировать работу четырехразрядного счетчика на T-триггерах, схема которого представлена на рис. П4.3. В схеме моделирования применяются T-триггеры на основе JK-триггеров, которые моделировались в предыдущей лабораторной работе.

Рис. П4.3.Схема моделирования четырехразрядного счетчика

Требуется собрать схему T-триггера в соответствии с рис. П4.4 в отдельном окне моделирования, выделить все элементы схемы и, используя опцию меню Редактирование\Создать подсистему (Edit\Create Subsystem), создать блок T-триггера, который будет использован в схеме моделирования счетчика (рис. П4.3). Проведите моделирование и убедитесь в правильности работы счетчика.

2. Смоделировать работу четырехразрядного реверсивного счетчика на JK-триггерах, схема которого представлена на рис. П4.6. Результатом моделирования должны быть временные диаграммы, иллюстрирующие работу счетчика в режиме суммирования и режиме вычитания. Убедитесь в правильности работы счетчика.

Рис. П4.4. Схема Т-триггера на основе JK-триггера

3. Смоделировать схему электрическую функциональную трехразрядного двоичного суммирующего счетчика (для четных вариантов) на базе D-триггеров или вычитающего счетчика (для нечетных вариантов) на базе JK-триггеров и начертить временные диаграммы, поясняющие его работу в среде Electronics Workbench. Пример моделирования двухразрядного суммирующего счетчика на базе D-триггеров приведен на рис. П4.5.

Рис. П4.5. Схема трехразрядного двоичного суммирующего счетчика

Включить схему и, подавая на вход схемы тактовые импульсы при помощи ключа, наблюдать за изменением показаний Decoded Seven-Segment Display (семисегментных индикатора с двоично-десятичным дешифратором на входе), подключенных к прямым и инверсным выходам счетчика. Убедиться в правильности работы счетчика. По состояниям логических пробников Q1–Q2, подключенных к прямым выходам триггеров, получить временные диаграммы входных и выходных сигналов, поясняющих работу счетчика.

4. Разработать на базе D-триггеров схему электрическую функциональную счетчика с коэффициентом пересчета, равным девяти (для нечетных вариантов) или десяти (для четных вариантов), и начертить временные диаграммы, поясняющие его работу. Пример моделирования трехразрядного суммирующего счетчика с коэффициентом пересчета, равным пяти на базе D-триггеров приведен на рис. П4.7.

Рис. П 4.6. Схема моделирования четырехразрядного реверсивного счетчика

Рис. П4.7. Схема функционального счетчика с коэффициентом пересчета

Включить схему и, подавая на вход схемы тактовые импульсы при помощи ключа, наблюдать за изменением показаний Decoded Seven-Segment Display, подключенного к прямым выходам счетчика. Убедиться в правильности работы счетчика. По состояниям логических пробников Q1–Q3, подключенных к прямым выходам триггеров, получить временные диаграммы входных и выходных сигналов, поясняющих работу счетчика.

5. Смоделировать схему трехразрядного двоичного синхронного последовательного (для нечетных вариантов) или синхронного параллельного (для четных вариантов) счетчика в среде Electronics Workbench.

Включить схему и, подавая на вход схемы тактовые импульсы с выхода генератора слов Word Generation в режиме Sycle.

6. Получить временные диаграммы входных и выходных сигналов для смоделированного счетчика на экране логического анализатора Logic Analizer и по состояниям логических пробников, подключенных к его прямым выходам.

Сравнить диаграммы для разработанных теоретически и смоделированных в среде Electronics Workbench схем и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Для чего служат счетчики?

2. Чему равно максимальное число, отсчитываемое счетчиком в двоичном коде? В десятичном коде?

3. Назовите назначение счетчиков разных типов.

4. На каких элементах строятся счетчики?

5. Что означает понятие «вес разряда счетчика»?

6. Как достигается коэффициент пересчета, не равный степени числа 2?

7. Какие элементы из библиотек системы Simulink необходимо использовать при моделировании работы счетчиков?

8. Как достигаются режимы работы реверсивного счетчика на вычитание на сложение?

9. Как выглядят стандартизированные условные изображения счетчика?

10. Классификация и область применения счетчиков.

11. Чем определяется число возможных состояний счетчика?

12. По какому принципу строятся схемы счетчиков прямого и обратного счета?

13. В чем преимущества и недостатки счетчиков с последовательным и параллельным переносом?

14. Каковы принципы построения счетчиков с модулем счета, не равным целой степени числа два?

Лабораторная работа № 5

Задание на лабораторную работу

1. Смоделировать работу дешифратора (n = 2, m = 4), схема которого представлена на рис. П5.4.

Убедиться в правильности работы дешифратора, для чего составить по результатам моделирования таблицу (табл. П.5.3).

Таблица П 5.3

Сигналы на входе	Сигналы на выходе
xl	х2	ША3	ША2	ША1	ША0

Смоделировать работу мультиплексора, схема которого представлена на рис. П5.5. В блоках генераторов установите период следования импульсов соответственно: Clock – 1, Clockl – 2, Clock2 – 3, Clock3 – 4. Результатом моделирования должны быть временные диаграммы, иллюстрирующие работу мультиплексора при всех возможных значениях адресных сигналов. Убедитесь в правильности работы мультиплексора.

3. Перевести десятичное число, равное порядковому номеру в журнале плюс десять, либо заданное преподавателем, в следующие системы счисления: двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную, двоично-десятичную с весами 842 1– 242 1– 4221.

4. Разработать и начертить схему электрическую функциональную полного линейного дешифратора двоичного кода в десятичный на три входа с использованием базовых ЛЭ. Смоделировать линейный дешифратор в среде Electronics Workbench. Нарисовать временные диаграммы его работы.

Рис. П5.4. Схема моделирования дешифратора

Пример моделирования графической схемы линейного дешифратора двоичного кода в десятичный код с двумя входами в программе Electronics Workbench приведен на рис. П5.6. Для имитации работы спроектированной схемы подключить ее входы к генератору слов Word Generation, включив его в циклическом режиме Sycle.

Получить временные диаграммы выходных сигналов дешифратора на экране логического анализатора Logic Analizer. Убедиться в правильной работе шифратора по состоянию логических пробников на ее выходах, заполнив таблицу истинности.

5. Собрать

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒