Лаб_Работы_1Часть. Ц_Эл_1Ч. Отчет по очередной работе должен начинаться с нового листа

• Название: Отчет по очередной работе должен начинаться с нового листа
• Анкор: Лаб_Работы_1Часть
• Дата: 02.02.2023
• Размер: 1.23 Mb.
• Имя файла: Ц_Эл_1Ч.doc
• Тип: Документы; #917552

ВВЕДЕНИЕ

В конструкциях современного электроподвижного состава железных дорог широко используются автоматизированные и автоматические системы управления (АСУ). Основной элементной базой таких систем являются различные полупроводниковые приборы. В настоящее время как в отечественном, так и в зарубежном электровозостроении основной тенденцией в построении и развитии АСУ является интенсивное использование элементов цифровой электроники и микропроцессорной техники.

В связи с этим современный инженер локомотивного хозяйства железных дорог должен обладать комплексом знаний, позволяющих ему организовать на производстве эффективное обслуживание и ремонт подобных систем.

Для достижения такой цели первоочередным требованием к специалисту в данной области железнодорожного транспорта является наличие у него теоретических и практических знаний о назначении, принципах действия, свойствах и параметрах функциональных элементов цифровой электроники. Такие знания имеют как самостоятельное значение, так и являются необходимой базой для изучения принципов устройства и работы микропроцессорных систем управления электроподвижного состава железнодорожного транспорта.

Целью настоящего издания является оказание методической помощи студентам при выполнении цикла лабораторных работ по дисциплине "Электронная техника и преобразователи ЭПС" в рамках раздела дисциплины "Цифровая электроника".

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ И ПРЕДСТАВЛЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Отчеты по лабораторным работам приводятся в отдельной тетради, на первом листе которой оформляется титульный лист установленной формы.

2. Отчет по очередной работе должен начинаться с нового листа тетради.

3. Организация работ данного лабораторного практикума предполагает как основную работу в лаборатории, так и домашнюю работу по подготовке к работе в лаборатории.

4. К выполнению очередной работы в лаборатории допускаются студенты, получившие допуск по результатам собеседования. Для каждой лабораторной работы приведен примерный перечень вопросов, которые могут быть заданы в ходе такого собеседования.

5. По окончанию выполнения работы, студент должен показать черновик работы преподавателю, на котором последний ставит подпись.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Для выполнения лабораторных работ используется универсальный стенд ОАВТ, внешний вид которого показан на рис. 1.

Р
ис. 1. Лабораторный стенд и расположение его элементов

Для выполнения очередной лабораторной работы необходимо установить соответствующую сменную плату с исследуемым устройством в разъем, размещенный в верхней части лицевой панели стенда. Такая операция производится при выключенном стенде! На лицевую поверхность стенда накладывается сменная технологическая карта, на которой изображена схема исследуемого устройства и используемые органы управления и индикации. В той или иной лабораторной работе (в зависимости от ее содержания) могут быть последовательно использованы несколько сменных плат и технологических карт.

В левой стороне лицевой панели расположены тумблеры с двумя фиксированными положениями, предназначенные для задания логических значений переменным. В верхнем положении тумблера значение переменной равно "1", в нижнем – "0". В нижней части лицевой панели в ряд расположены кнопки, предназначенные для формирования сигналов управления. Для большинства исследуемых устройств нажатому состоянию кнопки соответствует уровень "0". Однако для некоторых устройств нажатию кнопки соответствует уровень "1". В любом случае, значение сигнала в линии при том или ином состоянии кнопки может быть определено по условному графическому изображению кнопки на технологической карте.

Для индикации состояния сигналов в характерных точках исследуемой схемы предназначены светодиодные индикаторы.

3. ЛабораторнЫЕ работЫ

3.1. Лабораторная работа № 1. "Логические элементы"

Цель работы

1. Ознакомление с цифровым способом представления информации.

2. Ознакомление с основными логическими функциями.

3. Изучение логики работы логических элементов различных типов.

Краткие теоретические сведения

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представлять сигнал в цифровой форме: высокому уровню напряжения приписывают символ (состояние) "1", а низкому уровню напряжения – символ "0".

Математическим аппаратом анализа и синтеза цифровых систем служит алгебра логики (булева алгебра). В отличие от обычной алгебры в алгебре логики логическая переменная Х может принимать только два значения: логического нуля – 0 и логической единицы – 1. Логические операции над логическими переменной (переменными) X или (Х₁, Х₂,Х₃,…) описываются логической функцией Y(X) или Y(Х₁, Х₂,Х₃, …), устанавливающей соответствие между Х или (Х₁, Х₂,Х₃, …) и значениями Y.

Основными логическими функциями являются:

• 
  логическое умножение (операция И), или конъюнкция (записывается как Y=(Х₁•Х₂•Х₃•…) или Y=(Х₁^Х₂^Х₃^· …));
  
• 
  логическое сложение (операция ИЛИ), или дизъюнкция (записывается как Y=(Х₁+Х₂+Х₃+ …));
  
• 
  операция инверсии (отрицание) записывается как Y= .
  

Электронные схемы, выполняющие простейшие логические функции, называют логическими элементами. В настоящее время логические элементы выполняются, как правило, в виде интегральных микросхем. На основе логических элементов выполняются схемы цифровой техники.

В соответствии с тремя основными логическими функциями имеются три основных логических элемента: элемент И, элемент ИЛИ, элемент НЕ (инвертор). Такой набор логических элементов называют базисным, поскольку, используя только эти логические элементы, можно построить сколь угодно сложную логическую функцию или устройство для ее реализации. В общем случае логический элемент может содержать два и более входов и один выход. Исключение составляет элемент НЕ. Он имеет один вход и один выход. Логическая функция наиболее наглядно и полно представляется так называемой таблицей соответствия, или таблицей истинности. На рис. 2 для случаев, когда логические элементы имеют два входа, приведены условные графические обозначения логических элементов базисного набора и их таблицы истинности. Количество входов данного логического элемента отмечается цифрой, расположенной перед названием функции, которую логический элемент выполняет.

Р
ис. 2. Условные графические обозначения и таблицы истинности логических

элементов: 2И -а), 2ИЛИ - б), НЕ - в)

Выходная функция логического элемента И принимает единичное значение Y=1 тогда, когда на всех (и на первом, и на втором, и т.д.) его входах присутствуют входные переменные уровня логической "1". На выходе логического элемента ИЛИ формируется выходная функция Y=1 тогда, когда хотя бы на одном из его входов (или на первом, или на втором, или т.д.) присутствует входная переменная с уровнем логической "1". Особенностью элемента НЕ является то, что выходная функция принимает противоположное значение по сравнению с входной переменной. По этой причине такой элемент называют инвертором.

Существуют и другие логические элементы, которые реализуют более сложные логические функции. На рис. 3, 4 приведены условные графические обозначения некоторых таких двухвходовых логических элементов, их функциональные аналоги и таблицы истинности.

Необходимо отметить, что каждый из элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ обладает функциональной полнотой, также как и набор базисных элементов. Это означает, что любая сложная логическая функция может быть реализована либо только с использованием элементов И-НЕ, либо при использовании только элементов ИЛИ-НЕ.

Р
ис. 3. Условное графическое обозначение элемента 2ИЛИ-НЕ (а), его функциональный аналог (б) и таблица истинности (в)

Р
ис. 4. Условное графическое обозначение элемента 2И-НЕ - а), его функциональный аналог - б) и таблица истинности - в)

На рис. 5 показан логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (неравнозначность), который реализует операцию сложения по модулю 2. Выходная функция такого элемента принимает значение Y=1 тогда, когда входные переменные имеют различные значения. На этом же рисунке приведено условное графическое обозначение логического элемента, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - НЕ (равнозначность).

Р
ис. 5. Условное графическое обозначение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - а), его таблица истинности - б) и условное графическое обозначение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - НЕ - в)

Порядок выполнения работы

При домашней подготовке

1. Используя учебную литературу и конспект лекций, изучить основы алгебры логики. Выписать основные логические функции двух переменных и основные законы алгебры логики.

2. Продумать и зарисовать в тетради для лабораторных работ схемотехническую реализацию логических функций 2И, НЕ, 2ИЛИ исключающее ИЛИ, 2ИЛИ-НЕ с использованием только элементов типа 2И-НЕ.

При работе в лаборатории

1. Последовательно устанавливая сменные технологические карты I-1, I-3, I-5, для каждого логического элемента составить таблицу истинности. Определить функцию, реализующую исследуемым элементом, установить тип элемента.

2. Последовательно устанавливая сменные технологические карты I-2, I-4, I-6, составить таблицы истинности для каждой исследуемой схемы. Используя полученные таблицы, определить логическую функцию, реализующую каждой схемой.

3. Установить сменную карту I-7 и составить таблицу истинности для исследуемой схемы. Используя принятые в алгебре логики способы записи логических функций, записать выражение логической функции, которую реализует данная схема.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схемы технологических карт (I-1 - I-6) с приведенными на них обозначениями логических элементов (допускается не показывать коммутационные и индикаторные приборы).

3. Таблицы истинности для каждой карты.

4. Четко сформулированные выводы о логической функции каждого исследованного элемента или схемы.

5. Схема технологической карты I-7 и таблица истинности исследованного устройства.

6. Записанная логическая функция схемы, исследованной с помощью карты I-7.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое алгебра логики?

2. Сформулируйте основные законы алгебры логики.

3. Сформулируйте определение конъюнкции и дизъюнкции.

4. Что такое базисный набор логических функций и элементов?

5. Определите эпюру выходной функции схемы, предложенной преподавателем по эпюрам входных переменных.

6. Составьте логическую функцию схемы, предложенной преподавателем.

3.2. Лабораторная работа № 2. "Исследование триггеров"

Цель работы
Исследование логики функционирования триггеров различных типов.

Краткие теоретические сведения

В устройствах импульсной и цифровой электроники широко используются функциональные узлы, способные сохранять (запоминать) двоичную информацию (состояния «0» и «1») после окончания действия входных сигналов. Такие функциональные узлы называются триггерами.

По функциональному признаку различают триггеры типов RS, D, Т, JK и др. По способу управления состоянием триггера триггеры делятся на асинхронные и синхронные тактируемые). У асинхронных триггеров имеются только информационные входы и они переключаются при изменении сигналов на этих входах. У синхронных триггеров смены информационных сигналов недостаточно для их переключения. У таких триггеров имеется специальный управляющий вход, называемый синхронизирующим или тактируемым. Синхронизирующие (тактирующие) сигналы обычно формируются специальным генератором тактовых импульсов.

В схемах цифровой электроники триггер может быть использован самостоятельно. В то же время, триггеры являются основой для построения других, более сложных функциональных устройств цифровой электроники: регистров, счетчиков и т.д.

RS триггер

Простейшим типом триггера является асинхронный RS-триггер. Такой триггер имеет два входа: S (Set – установка) и R (Reset-сброс) и два взаимно инверсных выхода. Один из них называют прямым выходом и обычно обозначают как . Другой выход называют инверсным и обозначают . Состояние триггера ("0" или "1") определяется информацией, присутствующей в данный момент времени на его прямом выходе: при =1 триггер находится в единичном состоянии, а при =0 – в нулевом. RS триггер может быть реализован как на двух логических элементах 2ИЛИ-НЕ, так и на элементах 2И-НЕ.

На рис. 6 приведена схема RS триггера, реализованного на элементах ИЛИ_НЕ.

Р
ис. 6. Схема RS триггера на элементах ИЛИ-НЕ (а), временные диаграммы его работы (б), таблица состояний триггера (в)

Вход S предназначен для установки триггера в состояние "1". Осуществляется это подачей на данный вход сигнала уровня логической единицы (моменты времени t₁ и t₂ на рис.1-б)). При снятии единичного уровня со входа S триггера состояние триггера не изменится. Для перевода триггера в состояние "0" необходимо подать сигнал единичного уровня на управляющий вход R триггера (момент времени t₂ на рис. 1). При этом на выходе появляется нулевой уровень, а на выходе – единичный. Такое состояние триггера будет сохраняться и после снятия сигнала "1" с входа R до тех пор, пока на вход S не поступит единичный уровень. Логика работы RS триггера на элементах 2ИЛИ-НЕ отражена в таблице его состояний на рис. 1-в). В ней обозначено: R^t и S^t – значения сигналов на входах в данный момент времени, и – значения сигналов на выходах триггера в последующий момент времени. Особенностью RS триггера на элементах ИЛИ-НЕ является то, что сочетание сигналов R=1 и S=1 является запрещенным, поскольку после снятия такой комбинации входных сигналов состояние триггера оказывается неопределенным: с равными вероятностями можно ожидать, что триггер останется либо в единичном, либо в нулевом состоянии. Это противоречит логике его работы. Таким образом, RS триггер на элементах ИЛИ-НЕ переключается при воздействии сигнала логической "1" на один из его входов. Поэтому считают, что для входов такого триггера активным уровнем является уровень логической "1".

Схема RS триггера на элементах И-НЕ приведена на рис. 7.
Р
ис. 7. Схема RS триггера на элементах И-НЕ (а), временные диаграммы его работы (б), таблица состояний триггера (в)

Переключение триггера в нулевое состояние производится подачей сигнала уровня логического нуля на вход R (моменты времени t₁ и t₃ на рис. 2 в)). На прямом выходе триггера появляется логический ноль, а на инверсном – логическая единица. Триггер остается в таком состоянии до момента времени, пока на вход S не поступит сигнал уровня логического нуля (момент t₂ на рис. 7 в)). Такое воздействие на вход S приводит к тому, что триггер переключится в единичное состояние. Комбинация входных сигналов: S=0 и R=0 является недопустимой, т.к. после снятия такого сочетания входных сигналов состояние триггера окажется неопределенным. Поэтому при использовании такого триггера должна быть исключена возможность данной ситуации. Таким образом, активным уровнем для входов RS триггера на элементах И-НЕ является нулевой уровень.

Рассмотренные триггеры выполнены с использованием дискретных логических элементов. Такие триггеры могут быть реализованы и в интегральном исполнении. В этом случае, триггеры имеют условные графические обозначения, показанные на рис. 8.

Р
ис. 8. Условные графические обозначения асинхронных RS триггеров в интегральном исполнении: с единичным активным уровнем - а), с нулевыми активными уровнями - б) и в)

D-триггер

D - триггер в отличие от RS - триггера для установки в состояния логического "0" и логической "1" имеет только один информационный вход D. На практике наибольшее применение нашли тактируемые D - триггеры. У такого триггера имеется вход для подачи тактируемых (синхронизирующих) импульсов – С. Запись информации в D - триггер происходит в два этапа. Вначале на информационном входе D устанавливают уровень "1" или "0" (в зависимости от того, в какое состояние требуется установить триггер). После этого на тактирующий вход С подается импульс, приводящий к переключению триггера в то состояние, которое характеризуется информацией на D входе на момент прихода импульса. Поскольку последующая перезапись информации в триггер возможна только с приходом очередного тактирующего импульса, т.е. спустя некоторый интервал времени, D - триггер осуществляет задержку передачи информации со входа D на выход . Этим и обусловлено название триггера Delay - задержка.

D - триггер может быть реализован на логических элементах так, как, например, показано на рис. 9 а). Логику работы приведенного здесь триггера поясняют временные диаграммы, показанные на рис. 9 б) и таблица переходов триггера (рис. 9 в)). Запись информации в показанный на рис. 9 D - триггер происходит по перепаду сигнала на тактовом входе с низкого уровня на высокий уровень. Возможно построение D - триггера, осуществляющего запись при переходе сигнала на тактовом входе от "1" к "0".




Рис. 9. D - триггер на элементах 2И-НЕ: схема - а), временные диаграммы - б), таблица переходов - в)

В настоящее время широко распространены D - триггеры в интегральном исполнении. Некоторые варианты условных графических обозначений таких триггеров показаны на рис.10.

Р
ис. 10. Обозначение D - триггера: тактируемого переходом из "0" в "1" - а), тактируемого переходом из "1" в "0" - б)

Счетный триггер (Т - триггер)

Счетный триггер имеет всего один информационный вход. Переключение триггера в противоположное состояние происходит всякий раз, когда входной сигнал изменяет свое значение в определенном направлении. Если переключение триггера происходит при переходе входного сигнала из 0 в 1, то говорят, что триггер переключается по фронту входного сигнала. В другом случае, когда переключение происходит при перепаде входного управляющего сигнала из 1 в 0, говорят, что триггер переключается по срезу входного сигнала.

Счетный триггер можно получить из D - триггера, если инверсный выход последнего соединить с его информационным входом D (рис. 11). Триггер в такой схеме переключается в противоположное состояние с приходом каждого очередного тактирующего импульса. Поэтому при поступлении входных тактирующих импульсов с частотой f_вх, частота импульсов на выходе триггера f_вых будет в два раза меньше: f_вых=0,5 f_вх. Это свойство счетного триггера используется при построении на основе таких триггеров схем счетчиков электрических импульсов и делителей частоты.




Порядок выполнения работы

При домашней подготовке

Используя литературу и конспект лекций, повторить:

- логику работы логических элементов;

- устройство и логику работы триггеров RS, D, и T типов.
При работе в лаборатории

1. Установить на стенд сменную плату II.

2. ЗАДАНИЕ1. Исследование RS - триггера на элементах 2ИЛИ-НЕ.

2.1. Установить технологическую карту II-1. Подготовить таблицу передачи сигналов триггера по форме табл. 1.

Таблица 1

Передача сигналов RS - триггером на элементах 2ИЛИ-НЕ

Х1	Х2	Y1	Y2	Режим работы триггера
0	0
0	1
1	0
1	1
0	0
0	1

2.2. Устанавливая с помощью кнопок SB2 и SB3 значения сигналов на входах триггера в соответствии с табл. 1, проконтролировать значения сигналов на выходах триггера. Заполнить таблицу.

Примечание. Контроль за значениями входных сигналов производится по состоянию светодиодов HL1 и HL2. Светодиоды HL3 и HL4 отражают состояние выходов триггера.

2.3. Проанализировав переключения триггера под действием различных входных сигналов, определить функциональное назначение каждого из входов исследуемой схемы и функциональное назначение каждого из выходов схемы. Для каждого состояния входных сигналов определить режим работы триггера.

3. ЗАДАНИЕ2. Исследование RS - триггера на элементах 2И-НЕ.

3.1. Установить технологическую карту II-2. Подготовить таблицу передачи сигналов триггера по форме табл. 2.

3.2. Устанавливая с помощью кнопок SB2 и SB3 значения сигналов на входах триггера в соответствии с табл. 2.

Таблица 2

Передача сигналов RS - триггером на элементах 2И-НЕ

Х1	Х2	Y1	Y2	Режим работы триггера
1	1
0	1
1	0
0	0
1	1
0	1

3.3. Проконтролировать значения сигналов на выходах триггера. Заполнить таблицу.

Примечание. Контроль за значениями входных сигналов производится по состоянию светодиодов HL1 и HL2. Следует учесть, что HL1 и HL2 подключены к входам триггера через инверторы. Поэтому действительные значения входных переменных Х1и Х2 оказываются противоположными состояниям HL1 и HL2. Светодиоды HL3 и HL4 отражают состояние выходов триггера.

3.4. Проанализировав переключения триггера под действием различных входных сигналов, определить функциональное назначение каждого из входов исследуемой схемы и функциональное назначение каждого из выходов схемы. Для каждого состояния входных сигналов определить режим работы триггера.

4. ЗАДАНИЕ 3. Исследование D - триггера.

4.1. Установить технологическую карту II-4. Подготовить таблицу переключений триггера по форме табл. 3.

Таблица 3

Таблица переходов D - триггера

	1	2	3	4	5	6	7	8
Dt-1	0	0	1	1	1	0	1	0
Ct
t+1
t+1

Примечание к таблице. t – момент перехода сигнала на входе С из 0 в 1; t-1 – момент времени, предшествующий такому переходу; t+1 – последующий за переходом момент времени.

4.2. Провести серию опытов по записи в D - триггер чисел, приведенных в таблице 3. Каждый опыт заключается в установке очередного числа на D входе триггера и формировании импульса на тактирующем входе С. Значение числа задается переключателем S1. Импульс формируется при нажатии и последующем отпускании кнопки SB1. Свободному состоянию кнопки SB1 соответствует уровень 1 на входе С. Нажатие кнопки вызывает появление на этом входе триггера уровень 1.

Примечание. На технологической карте показан формирователь импульса F, включенный между кнопкой SB1 и входом С триггера. Его назначение устранять явления "дребезга контактов" кнопки SB1. На логику работы триггера влияния он не оказывает.

4.3. По результатам опытов построить временные диаграммы работы исследуемого триггера, включающие следующие зависимости: D(t), C(t), (t), (t). Диаграммы следует расположить друг под другом и для каждой использовать один масштаб по оси времени.

5. ЗАДАНИЕ 4. Исследование Т - триггера.

5.1. Установить технологическую карту II-7. Преобразовать D - триггер в Т - триггер путем установки перемычки между точками X1 и Х2, расположенными на сменной плате. Такое соединение разрешается проводить при выключенном стенде!

Подготовить таблицу переходов триггера по форме таблицы 5.

5.2. Используя кнопку SB1, подать на тактирующий вход С триггера серию из 8 импульсов. После каждого импульса фиксировать в таблице состояние триггера.

Таблица 5

Таблица переходов Т - триггера

	1	2	3	4	5	6	7	8
Ct
t+1

5.3. По результатам измерений построить временные диаграммы работы триггера: С(t), (t).
Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Для каждого задания приводятся:

- название;

- исследуемая схема;

- таблица переходов триггера;

- временные диаграммы работы триггера (для D и Т триггеров);

- выводы.

Вопросы для самоконтроля

1. Объяснить назначение R, S, D, С входов триггеров.

2. Что такое активный уровень?

3. Почему RS-триггера на элементах 2И-НЕ называют триггером с инверсными входами?

4. Что такое "запрещенная" комбинация входных сигналов?

5. Что такое синхронный триггер?

6. Что такое асинхронный триггер?

7. Чем отличается триггер с динамическим тактирующим входом от триггера со статическим (потенциальным) тактирующим входом?
3.3. Лабораторная работа № 3. "Исследование регистров"
Цель работы
Практическое изучение организации и логики работы регистров различных типов.

Краткие теоретические сведения

Регистр представляет собой группу запоминающих элементов, объединенных общими сигналами управления и предназначенную для приема, хранения, и передачи двоичного числа. Помимо перечисленных функций регистров, некоторые из них могут выполнять и преобразование двоичного числа. В качестве запоминающих элементов регистра используются тактируемые триггеры. Отдельные триггеры, входящие в состав регистра, называют разрядами регистра. В зависимости от способа записи и считывания двоичного числа различают параллельные и последовательные (сдвигающие) регистры.

В параллельном регистре запись отдельных разрядов двоичного числа во все разряды регистра происходит одновременно. На рис. 12 приведен вариант построения параллельного регистра на D - триггерах.

Двоичное число, предназначенное для записи в регистр, подается на информационные входы триггеров: D₁ - D₄. Тактирующие входы всех триггеров объединены, образуя один вход – С, управляющий записью входного двоичного числа. Для записи числа в регистр необходимо на вход С триггера подать управляющий сигнал записи. Такой сигнал для рассматриваемой схемы регистра представляется в виде перехода информации на входе С из 0 в 1. После прихода сигнала записи входное двоичное число записывается в регистр и хранится там до тех пор, пока в регистр не будет записано новое число. Информация, записанная в регистр, присутствует на выходах регистра Q₁ - Q₄ и в любой момент времени может быть прочитана. Рассмотренная схема регистра имеет простейшую логику работы. Возможно построение параллельных регистров, имеющих более широкие возможности, например, возможность обнуления регистра, для чего триггер оснащается специальным управляющим входом R.




Рис. 12. Параллельный регистр на D - триггерах
В
последовательных регистрах запись двоичного числа в регистр происходит последовательно по отдельным разрядам числа. На рис. 13 приведен вариант схемы последовательного регистра, выполненного на основе D - триггеров.
Рис.13. Последовательный регистр на D - триггерах

Как и в параллельном регистре, тактирующие входы триггеров объединены, образуя единый вход, управляющий записью информации в регистр. Последовательный регистр имеет единственный вход для приема записываемой информации – вход D. Процесс записи входного четырехразрядного двоичного числа в регистр показан на рис. 14.

Р
ис.14. Запись числа в последовательный регистр
Запись числа в регистр производится поразрядно. Вначале на входе D регистра устанавливается значение старшего разряда числа. После этого на вход записи С поступает импульс записи, что приводит к записи в первый триггер информации со входа D. Затем на входе D устанавливают значение следующего разряда числа, которое с приходом очередного импульса записи запишется в первый триггер регистра. В то же самое время информация, хранимая в первом триггере на момент прихода второго импульса записи, будет перенесена во второй триггер. Далее на входе D устанавливается значение следующего разряда числа и т.д. В конечном итоге входное четырехразрядное число будет записано в регистр после четвертого импульса записи, пришедшего на вход С триггера. Таким образом, во время записи отдельных разрядов числа каждый из них последовательно перемещается (сдвигается) от младшего разряда регистра (триггера) к более старшему.

Если последовательный регистр имеет выходы от всех триггеров, то значения отдельных разрядов записанного двоичного числа присутствуют на этих выходах (Q₁ - Q₄) и поэтому число оказывается доступным для одновременного считывания всех его разрядов. С этой точки зрения, последовательный регистр можно рассматривать как устройство, преобразующее входное число из последовательного способа представления в параллельный формат.

Используя свойство перемещения информации, записанной в последовательный регистр от одного триггера к другому (с приходом очередного импульса записи), возможно чтение записанного числа в последовательном виде. В этом случае используется единственный выход регистра – выход старшего разряда Q₄. Для чтения очередного разряда числа на вход С триггера каждый раз подают тактирующий импульс.

Существуют микросхемы универсальных регистров, способных работать как в режиме параллельного регистра, так и в режиме последовательного регистра. Для выбора режима работы такой регистр имеет специальный управляющий вход. Используя универсальный регистр, можно проводить преобразование двоичного числа из параллельного формата представления в последовательный формат. Примером такого регистра является микросхема К155ИР1.

Порядок выполнения работы

При домашней подготовке

1. Используя учебную литературу и конспект лекций повторить:

- логику работы D - триггера;

- организацию и логику работы последовательных и параллельных регистров.

2. Дать ответы на приведенные ниже вопросы самостоятельного контроля знаний.

При работе в лаборатории

1. ЗАДАНИЕ 1. Организация параллельного регистра на D - триггерах.

1.1. Установить на стенд сменную плату П II и технологическую карту II-5.

1.2. Соединить перемычкой точки X1, X2, расположенные на плате. После чего включить стенд. Для правильной работы схемы исследуемого регистра переключатель SA5 должен быть в нижнем положении!

1.3. Используя переключатели SA1, SA2 и кнопку SB1, научиться записывать в регистр различные двоичные числа. Обратить внимание на изменение уровня сигнала на входе С регистра, при котором происходит запись числа в триггер.

1.4. Сделать выводы о необходимой последовательности действий для записи числа в параллельный регистр.

2. ЗАДАНИЕ 2. Организация последовательного регистра на D - триггерах.

2.1. Установить технологическую карту II-6 и перевести переключатель SA5 в верхнее положение.

2.2. Используя переключатель SA1 и кнопку SB1, научиться записывать в регистр двоичные числа. Обратить внимание на перемещение информации от триггера младшего разряда к триггеру старшего разряда.

2.3. Сделать выводы о необходимой последовательности действий для записи числа в последовательный регистр.

3. ЗАДАНИЕ 3. Исследование универсального регистра микросхемы К155ИР1.

3.1. Установить сменную плату П III и технологическую карту III-4.

3.2. Исследовать работу регистра в режиме параллельного регистра. Для этого:

- перевести регистр в режим параллельного регистра путем подачи на вход "V" сигнала низкого уровня;

- устанавливая на входах параллельной загрузки D1-D4 двоичные числа, провести их запись в регистр;

- провести запись в регистр числа, заданного преподавателем. Нарисовать временные диаграммы, поясняющие процесс записи такого числа.

3.3. Исследовать работу регистра в режиме последовательного регистра. Для этого:

- обнулить регистр, записав в него число "0000";

- перевести регистр в режим последовательного регистра подав на вход "V" уровень "1";

- записать в регистр заданное преподавателем число. Составить временные диаграммы, поясняющие процесс записи данного числа: D(t), C(t), 1(t), 2(t), 3(t), 4(t);

- провести считывание в последовательном виде числа, записанного в регистр. Составить временные диаграммы, поясняющие процесс считывания: С(t), 4(t).

3.4. Исследовать преобразование с помощью регистра числа, заданного преподавателем, из параллельного формата в последовательный формат. Для этого:

- перевести регистр в режим параллельного регистра;

- записать в регистр число;

- перевести регистр в режим последовательного регистра;

- прочитать записанное в регистр число в последовательном формате;

- составить временные диаграммы, поясняющие процесс преобразования: V(t), D1(t), D2(t), D3(t), D4(t), С(t), 4(t).

3.5. Сделать выводы о логике работы исследованного регистра.

Содержание отчета
1. Цель работы.

2. Задание 1:

- схема карты II-5;

- сделанные выводы по итогам выполнения задания.

3. Задание 2:

- схема карты II-6;

- выводы по итогам выполнения задания.

4. Задание 3:

- схема карты III-4;

- временные диаграммы п/п 3.2;

- временные диаграммы п/п 3.3;

- временные диаграммы п/п 3.4;

- выводы по итогам выполнения задания.

Вопросы для самоконтроля

1. Объяснить назначение регистров в цифровых устройствах.

2. Показать сходства и отличия во внутренней структуре параллельных и последовательных регистров.

3. Как производится запись двоичного числа в параллельный регистр?

4. Как производится запись информации в последовательный регистр?

5. Как производится чтение числа из последовательного регистра?

6. Как с помощью регистра провести преобразование числа из последовательного формата представления в параллельный формат?

7. Как можно преобразовать число из параллельного формата представления в последовательный формат?

8. Как можно обнулить регистр, который не имеет специального управляющего входа, предназначенного для выполнения такой операции?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для ВУЗов. – М.: Высшая Школа, 1982.

2. Стенд универсальный по основам автоматики и вычислительной техники: Техническое описание и методические рекомендации по использованию в учебном процессе. – Омск: ОГПИ.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................	3
1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ И ПРЕДСТАВЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ...........................	4
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА..................................	4
3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ.........................................................	5
3.1. Лабораторная работа № 1. «Логические элементы»..........	5
3.2. Лабораторная работа № 2. «Исследование триггеров».....	9
3.3. Лабораторная работа № 3. «Исследование регистров».....	17
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................	23