Цифровая схемотехника (практикум). Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дис циплинам "Схемотехника электронных средств, "Схемотехника эвм, "Основы микроэлектроники для
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
Адрес КОП Операнд Комментарий 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D 10 10 11 10 10 10 11 10 10 10 00 10 10 01 0000 0001 0001 0000 1001 1100 1011 0011 0110 1111 0101 1011 0101 0100 Y1 Y2 A=1; X=1 Y=1; X=0 Y3 Y4 A=BH Y7 Y8 Y9 A=5=Y Y5 Y6 A=4 5.Прошивка ППЗУ. 74 Заполняя, неиспользуемые два младших бита, в слове ПЗУ единицами за- пишем результаты в таблицу 5.11 в шестнадцатеричных кодах: Таблица 5.11 – Адреса и данные команд, записанные в ПЗУ Ад- рес 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 А B C D E F Опе- ранд 83 87 C7 83 A7 B3 EF 8F 9B BF 17 AF 97 53 5.2.2 Контрольные вопросы 1 В чем отличие микропрограммного автомата от управляющего автомата с жесткой структурой? 2 Как работать со стендом? 3 Поясните принцип работы микропрограммного автомата; 4 Как организуются условные переходы в микропрограммном автомате? 5 Как организовать цикл? 6 Как организовать линейную программу управления? 7 Поясните устройство и работу микросхем К573РФ2, К555ИЕ10. 5.2.3 Задание для практикума Необходимо, исходя из словесного описания алгоритма управления объ- ектом, составить схему алгоритма. По полученной схеме необходимо в кодах написать программу работы микропрограммного автомата, имеющего структу- ру, показанную на рисунке 5.4. Микропрограммный автомат необходимо со- брать на стенде, предварительно запрограммировав ППЗУ с помощью про- грамматора. Результат продемонстрировать преподавателю. 5.2.4 Порядок выполнения практикума 1 При подготовке к работе необходимо: а) изучить описание практикума и соответствующие разделы рабочей программы; б) синтезировать требуемый автомат по заданию преподавателя; в) ответить на контрольные вопросы; 2 При выполнении работы: а) запрограммировать соответствующим образом ППЗУ; б) собрать схему автомата на стенде и представить преподавателю; самостоятельно проследить по собранной схеме правильность функционирова- ния автомата в соответствии с алгоритмом; в) подготовить отчет. 75 5.2.5 Содержание отчета - схемы, приведенные в описании работы; - теоретический материал в объеме, достаточном для успешной защиты выполненной практикума; - результаты исследования функционирования схем, которые собирались на стенде; - выводы по практикуму. 5.2.6 Условно-графические и буквенно-цифровые обозначения ПЗУ и триггеров Рисунок 5.7 – Условно- графические и буквенно-цифровые обозначения ПЗУ и триггеров 76 6 Практикум "Цепи ввода данных и шины передачи дан- ных" Практикум проводится с целью изучения основных схемотехнических вариантов решения цепей ввода данных и шин межмодульного, межблочного и межсистемного обмена данными. 6.1 Практикум "Цепи ввода данных" Целью практикума "Цепи ввода данных" является изучение схемотехни- ческих приемов ввода данных с механических (клавиши, кнопки, переключате- ли) и "аналоговых" (операционные усилители, компараторы и др.) источников сигналов. Ввод данных в различные цифровые устройства может осуществляться различными способами. Часто полагают, что наиболее простым является ввод с помощью каких-либо механически замыкаемых электрических контактов. Это могут быть контакты клавиатуры компьютера, контакты каких-либо переклю- чателей, располагающихся на приборной панели, контакты реле и т.п. Простота организации такого ввода обычно связывается с тем, что логический элемент реагирует на сигналы электромеханического контакта, как только мы включим последний во входную цепь элемента, обеспечив необходимое электрическое согласование. Однако, эта простота кажущаяся. После замыкания и размыкания контактов механических переключателей возникает механическое явление "дребезг", которое характеризуется многократными, неконтролируемыми как по кратности, так и по длительности прерываниями электрической цепи. Это в свою очередь может привести к эффекту ввода ложных данных или вызвать не- рабочие или аварийные состояния всего устройства. Поэтому для исключения влияния "дребезга" необходимо применять специальные меры. Схемы защиты, которыми пользуются в том или ином случае, могут быть разными в зависимо- сти от типа контактов и в зависимости от типа входного логического элемента. Для осуществления ввода в цифровую схему аналогового сигнала иногда достаточно этот аналоговый сигнал, минуя какие-либо стандартные аналого- цифровые преобразователи, подавать непосредственно на входы логических схем. Для этого необходимо бывает лишь обеспечить согласование сигналов по уровням напряжения и по мощности, т.е. обеспечить дополнительное усиление. В тех случаях, когда аналоговый сигнал изменяется медленно, то при прохож- дении уровнем сигнала логического порога неизбежные внешние электриче- ские помехи могут вызвать явление электрического "дребезга" логического элемента. В таких случаях необходимо использовать специальные пороговые элементы, имеющие передаточные (вход-выход) характеристики с петлей гис- терезиса. 77 6.1.1 Содержание практикума Необходимо исследовать работу трех схем подключения электрической кнопки. В первой схеме используется размыкающе-замыкающая кнопка. Схема эксперимента приведена на рисунке 6.1. Полезный сигнал с кнопки может по- ступать на вход двоичного счетчика либо непосредственно, либо через RS- триггер (в зависимости от положения перемычки). Счетчик служит для подсче- та числа нажатий кнопки. Если сигнал, поступающий на вход счетчика, содер- жит паразитные импульсы "дребезга", то счетчик насчитает импульсов больше, чем было произведено нажатий. Таким образом, можно проверить эффектив- ность схемы защиты от "дребезга". Схема рисунка 6.1 защищает от "дребезга", благодаря особенности схемы включения используемой кнопки, которая за- ключается в следующем. Рисунок 6.1 – Схема ввода данных с защитой от "дребезга" При размыкании нормально замкнутого контакта начинается "дребезг". Однако, когда подвижный контакт кнопки удаляется на достаточное расстояние от размыкаемого контакта "дребезг" прекращается. Замыкаемый контакт кноп- ки в это время еще не достигнут. Некоторое время "дребезга" на кнопке нет и оба контакта кнопки разомкнуты. Затем подвижный контакт достигает замы- каемый контакт и первый же импульс "дребезга" замыкания второго контакта переключает RS-триггер. Последующие импульсы "дребезга" не оказывают уже никакого влияния на состояние триггера. При отпускании кнопки происходит обратное переключение аналогичным образом. На рисунке 6.2 приведены две схемы защиты от "дребезга". С помощью перемычки П1 кнопку Кн1 можно коммутировать уровнем сигнала либо непо- средственно на счетчик числа нажатий, либо через схему подавления "дребез- га". В данном случае проблема защиты от "дребезга" усложняется тем, что не- ясно, какой сигнал считать "дребезгом", а какой полезным. Действительно, ни сам сигнал, ни способ его подачи не имеют признака, по которому можно было бы сделать это разделение. Остается использовать временной принцип, который заключается в том, что при "разумном" нажатии кнопки "дребезг" длится недолго и, что при замыкании кнопки в конце "дребез- га", кнопка вырабатывает преимущественно сигнал замкнутого состояния, а в конце процесса размыкания преимущественно сигнал разомкнутого состояния. 78 Рисунок 6.2 - Функциональные схемы ввода с защитой от "дребезга": а) с интегрирующей цепью (R2, C1, D1.1); б) с одновибратором (D1.2, D1.3, С2); в) временная диаграмма, поясняющая работу схемы с интегрирующей цепью. В первой исследуемой схеме подавления "дребезга" используется интег- рирующая цепь R2, C1 (емкостной фильтр низких частот). Благодаря этой цепи (рисунок 6.2 а), сигнал на выходе изменяет значение лишь тогда, когда по исте- чении некоторого заданного RC-цепочкой времени на выходе кнопки появляет- ся соответственный достаточно устойчивый сигнал. На рисунке 6.2 в) показана временная диаграмма процесса, поясняющая работу схемы. Во второй схеме используется одновибратор - пороговое устройство с положительной обратной связью, формирующее на выходе один только им- пульс определенной длительности и не реагирующее на последовательность импульсов "дребезга" (рисунок 6.2 б). Рисунок 6.3 - Функциональные схемы ввода аналогового сигнала На рисунке 6.3 приведена функциональная схема для непосредственного ввода в цифровую схему медленно изменяющегося аналогового сигнала. При этом имеется ввиду, что информация содержится в количестве и длительности фаз положительных и отрицательных полуволн аналогового сигнала в течении заданного времени. Эффективность схемы согласования можно оценить, опре- делив экспериментально среднюю длительность положительных полуволн ана- логового сигнала, параметры которого заранее известны, посредством счета счетчиком числа импульсов от генератора. Если сигнал с выхода усилителя по- 79 дать непосредственно на элемент 2И-НЕ, то счетчиком будет считаться с гене- ратора в моменты действия положительных полуволн аналогового сигнала раз- ное число импульсов из-за действия помех. От "дребезга", вызванного помеха- ми, можно избавиться, если сигнал подавать через компаратор с гизтерезисом по порогу срабатывания на элементах D1.1 и D1.2 (триггер Шмитта). 6.1.2 Порядок проведения практикума Необходимое оборудование: лабораторный стенд "Схемотехника цепей ввода цепей и шин данных интерфейсов", осциллограф, частотомер; 1) Вставьте микросхему 155ЛА8 в сокету стенда. Соберите схему рису- нок 6.1 (перемычка П1 в положение 1-1. Кнопка будет подключена к счетчику). 2) Проведите цикл измерений в следующей последовательности: а) сбросьте содержание счетчика нажатием кнопки КН 2 ("Сброс") в "0"; б) нажимайте с интервалом времени 2-4с кнопку КН1 ("Ввод"), считая число нажатий кнопки. Одновременно следите за показаниями двоичного счет- чика после каждого нажатия кнопки КН1. Доведите показания счетчика до 10- 15; в) запишите в таблицу число нажатий кнопки (mi) и показания счетчи- ка (ni); кнопкой КН2 сбросьте содержимое счетчика в "0". 3) Повторите измерения в соответствии с п.2 не менее пяти раз и составь- те таблицу, отразив в ней суммарное число нажатий кнопки КН1 и показаний счетчика. Вычислите отношение: γ1 = ∑mi / ∑ni, где: ∑mi - суммарное число нажатий кнопки; ∑ni-сумма показаний счетчика. 4) Соберите схему рисунка 6.1. с R-S триггером (перемычка П1 в положе- нии 2-2, кнопка КН1 подключена к RS- триггеру). Проведите измерения в соот- ветствии с п.п. 2, 3. 5) Найдите отношение γ2 для измерений по п.4. Сравните γ1 и γ2 и объяс- ните разницу в результатах. 6) Соберите схему рисунка 6.2 а) (перемычка П1 и П2 в положениях со- ответственно 1-2 и 1-1). Проведите измерения согласно п.п. 2, 3. и определите γ1. 7) Соберите схему рисунка 6.2 а) с интегрирующей цепочкой (фильтром нижних частот), замкнув двумя перемычками контакты 1-1 и 2-2. Повторите измерения по п.п. 2, 3 и определите γ2. Изменяя параметры RC-цепочки добей- тесь, чтобы γ1 и γ2 были равны. 8) Соберите схему рисунка 6.2б) с одновибратором, переключив пере- мычку П2 из положения 1-1 в положение 2-2. Повторите измерения по п.п. 2, 3 и определите γ2.Сравните также γ1 (п. 6) и γ2. 80 9) Составьте отчет. 6.2 Практикум "Шины передачи данных" Целью практикума является изучение схемотехнических приемов согла- сования маломощных выходных цепей БИС с шинами данных с учетом физи- ческих свойств длинных линий. При передаче цифровых данных с достаточно высокой скоростью и на относительно большие расстояния возникают специфические проблемы. На форму высокочастотного сигнала при этом существенно влияют: емкостной ха- рактер нагрузки вентилей, синфазные перекрестные помехи и эффекты "длин- ной линии" (отражения от несогласованной нагрузки). Некоторые из перечис- ленных проблем могут возникать даже на отдельной печатной плате. Для обес- печения надежной передачи цифровых сигналов обычно применяют специаль- ные методы и соответствующие интегральные схемы. Действиям помех наиболее подвержен маломощный сигнал. Особенно, если он передается на значительное расстояние. Источниками помех могут яв- ляться как внешнее электромагнитное излучение, так и внутренние переходные процессы в системе. Чтобы уверенно выделять полезный сигнал среди помех необходимо, прежде всего, обеспечить уровень сигнала существенно превосхо- дящий средний уровень помех. Для защиты от электромагнитных помех при передаче сигналов применяют также “витые пары” или экранированный кабель для прокладки шин. Шины, выполненные таким образом, обладают повышен- ной емкостью. Емкостной характер нагрузки (при сохранении высокой скоро- сти передачи данных) требует в свою очередь повышенной мощности выход- ных вентилей. Работа же мощных и быстродействующих вентилей сопряжена с большими импульсными токами при переключениях. Это ведет к кратковре- менным выбросам напряжения в цепях питания этих элементов. Таким обра- зом, выходные вентили, работающие на шины, становятся сами мощными ис- точниками помех, распространяющихся как по цепям шин передачи данных, так и внутрь системы по цепям питания. Избавиться от этих помех крайне сложно. Длинные шины и сами по себе могут стать причиной искажения сигнала. Это связано с эффектом "длинных линий", который приводит к тому, что несо- гласованная линия отражает высокочастотный сигнал от концов шины (и от других неоднородностей) и сигнал многократно накладывается сам на себя. В результате чего искажается форма сигнала. Для того, чтобы избежать перечисленных неприятностей шинную схемо- технику организуют специальным образом. Для формирования выходного сиг- нала используют специальные шинные формирователи - мощные ключи, спо- собные в целях согласования по волновому сопротивлению и для быстрого пе- резаряда емкостной нагрузки работать на низкоомные цепи. Во входных цепях принимающей стороны используют обычно триггеры Шмитта. Для компенса- 81 ции помех, распространяющихся вдоль шин, часто используют дифференци- альные структуры и токовые петли. Рассмотрим, к примеру, шину передачи данных стандарта RS-232C, кото- рый является наиболее подходящим при относительно медленной передаче сигналов (порядка сотен и тысяч бит в секунду, рисунок 6.4). Этот стандарт оп- ределяет уровни сигналов обеих полярностей. Выходной формирователь со- гласно стандарту должен иметь двухполярное питание. Входные цепи должны иметь гистерезис. Для этих целей имеются стан- дартные микросхемы: 1488 - выходной формирователь и 8Т16 - входной фор- мирователь с триггером Шмитта. В этом случае при емкостной нагрузке линии не более 330 пФ фронты нарастания и спада импульсов обеспечиваются на уровне менее 1 мкс. Рисунок 6.4 – Шина стандарта RS – 232С и временная диаграмма сигна- лов шины 6.2.1 Содержание практикума Необходимо исследовать характеристики трех наиболее распространен- ных схем передачи цифровых данных, приведенных на рисунках 6.5, 6.6, 6.7: коэффициенты передачи линий, искажения фронтов, спадов и вершин входного и выходного сигналов. Для работы с линиями средней длины при достаточно высоком быстро- действии применяют несимметричные схемы с ТТЛ вентилями (рисунок 6.5). Рисунок 6.5 – Несимметричная линия с ТТЛ вентилями 82 Рисунок 6.6 – Симметричная линия с дифференциальным приемником Схема, приведенная на рисунке 6.6, отличается очень высокой помехо- устойчивостью. Помехоустойчивость достигается, благодаря передаче пара- фазного сигнала по витой паре в сочетании с дифференциальным приемником. Схема обеспечивает высокую степень подавления синфазных помех и хорошо восстанавливает логические уровни сигналов, искаженные при передаче по ли- нии связи. Форма сигналов, показанных на рисунке, позволяет понять, за счет чего обеспечивается относительно неискаженная передача. Если в качестве вы- ходных формирователей использовать коммутируемые токовые вентили (рису- нок 6.7), то получится шина "токовая петля". Данная схема использует симметричный коаксиальный кабель или низ- коомную витую пару. При импедансе 50 Ом такая "токовая петля" обеспечива- ет скорость передач 1 Мбит в 1 с на расстояние до 500 м или 10 Мбит/с на рас- стояние до 100 м. Рисунок 6.7 – Линия типа "токовая петля" 6.2.2 Выполнение практикума Необходимое оборудование: лабораторный стенд "Схемотехника интер- фейсов", осциллограф, частотомер, омметр. Проведите цикл измерений в сле- дующей последовательности: 1) подключите осциллограф к выходу "f" генератора стенда и измерьте основные параметры выходных импульсов генератора: амплитуду, задний и пе- редний фронты, спад вершины импульса. Зарисуйте осциллограмму импульсов генератора. Подключите к генератору длинную линию; 2) измерьте волновое сопротивление длинной линии, а также параметры входных и выходных импульсов на линии и ее коэффициент передачи. Для это- 83 го соберите на стенде схему рисунка 6.8, предварительно установив с помощью омметра сопротивление на переменном резисторе R2 равным 200-300 Ом; Рисунок 6.8 – Схема измерения волнового сопротивления длинной ли- нии, согласованной на конце 3) подключите осциллограф к переменному резистору R2 и, плавным из- менением сопротивления резистора R2, добейтесь на выходе линии минималь- ных искажений временных и амплитудных параметров импульсов, измерьте осциллографом эти параметры и зарисуйте осциллограмму. Также измерьте па- раметры импульсов на входе длинной линии (на выходе генератора "f"). От- ключите R2 от линии и измерьте его сопротивление, значение которого будет равно волновому сопротивлению линии. Вычислите коэффициент передачи ли- нии по формуле: Кл = А2 / А1 , где: А2 и А1 -амплитуды импульсов соответственно на выходе и входе линии; 4) измерьте волновое сопротивление длинной линии и ее коэффициент передачи в случае согласования линии на входе и выходе. С этой целью собе- рите схему рисунка 6.9 и повторите измерения по п.3. При этом добивайтесь минимальных искажений входных и выходных импульсов на линии плавным изменением как R2, так и R1; Рисунок 6.9 – Схема измерения волнового сопротивления длинной ли- нии, согласованной в начале и конце линии 5) измерьте осциллографом параметры входных и выходных импульсов на линии, разомкнутой на конце, отключив резистор R2 в схеме рисунка 6.9. 6) измерьте осциллографом параметры входных и выходных импульсов на короткозамкнутой линии, закоротив перемычкой резистор R2 в схеме рисун- ка 6.9. 84 7) занесите результаты измерений по п.п. 1, 3, 4, 5, 6 в таблицу. Сравните параметры входных и выходных импульсов, измеренных по п.п. 3, 4, 5, 6 с па- раметрами импульсов с генератора, измеренных по п. 1, а также сравните ко- эффициенты передачи линии для всех схем включения. Объясните причины ис- кажений формы импульсов и затухания амплитуды импульсов в линии. 8) измерьте осциллографом параметры входных и выходных импульсов и коэффициенты передачи линий, собирая последовательно схемы рисунков 6.5, 6.6, 6.7 и подавая на входы каждой из схем импульсы с генератора "f". За- несите результаты измерений в таблицу. Сравните параметры входных и вы- ходных импульсов, измеренных в схемах рисунков 6.5, 6.6, 6.7 с параметрами импульсов с генератора, измеренных по п.1, а также сравните коэффициенты передачи линий для всех схем включения. Объясните причины искажений формы импульсов и затухания амплитуды импульсов в линии; 9) оформите отчет. |