Практическая работа №3
Тема: Работа и особенности логических элементов ЭВМ
Цель: Изучение назначения и принцип работы устройств триггера. Знакомство с базовыми устройствами триггер из библиотеки EWB.
Используемое ПО: Электронная лаборатория Electronics Workbench.
Теоретическая часть
Знакомство с системой Electronics Workbench
Использование интегрированных программных систем схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств (Micro-Cap V, DesignLab 8.0, Aplac 7.0, System View 1.9, Circuit Maker 6.0, Electronics Workbench) позволяют решать следующие задачи:
- создание модели принципиальной электрической схемы устройства и ее редактирование;
- расчет режимов работы модели;
- расчет частотных характеристик и переходные процессы модели;
- провести оценку и анализ модели;
- наращивать библиотеку компонентов;
- представлять данные в форме, удобной для дальнейшей работы;
- разработка печатных плат;
- подготовку научно-технических документов и д. р.
Запустив интегрированный пакет Electronics Workbench, вы увидите диалоговое окно и окно редактирования. Окно редактирования заполнено некоторыми компонентами. Диалоговое окно Electronics Workbench содержит поле меню, библиотеку компонентов и линейку контрольно-измерительных приборов расположенных в одном поле. Поле меню аналогичное с многими Windows-приложениями. Опции главного меню легко изучить самостоятельно.
Алгоритм технологии подготовки и запуска электрических схем
1. Выбор необходимых компонентов электрической схемы и расположение их в окно редактирования Electronics Workbench.
Для этого подводим указатель мыши к одной из пиктограмм библиотеки компонентов или линейке контрольно-измерительных приборов и щелкаем левой кнопкой мыши. Выпадает одна из выбранных групп компонентов. Для того, чтобы выбрать необходимый, подводим указатель мыши к компоненту, нажимаем левую кнопку мыши (не опускаем кнопку), перемещаем компонент на окно редактирования, опускаем кнопку.
2. Ввод и изменение параметров выбранных компонентов.
Подводим указатель мыши к компоненту в окно редактирования и щелкаем два раза левой кнопкой мыши. Выпадает меню, состоящая из нескольких опций. Рассмотрим два из них:
Label – необходим для написания обозначения компонента;
Value – необходим для простановки значений компонента.
В контрольно-измерительных приборах, при необходимости, например в вольтметрах и амперметрах, при внесении параметров в опции Label, указываем для какого тока постоянного или переменного; в Mode выбираем DC – для постоянного тока, AC – для переменного.
3.Соединение компонентов электрической схемы. После размещения компонентов и простановки параметров производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения указатель мыши подводим к выводу компонента и после появления жирной точки (указатель соединения) нажимаем левую кнопку мыши и появляющийся при этом проводник протягиваем к выводу другого компонента до появления на нем такой же жирной точки, после чего кнопку мыши отпускаем, соединение готово. Если соединение нужно разорвать, указатель мыши подводим к одному из выводов компонента или к точке соединения и при появлении указателя соединения нажимаем левую кнопку, проводник отводим на свободное место рабочего поля, после чего кнопку отпускаем.
Если необходимо вывод компонента подключить к имеющемуся на схеме проводнику, то из вывода компонента проводник указателем мыши подводим к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопку мыши отпускаем. Отметим, что прокладка соединительных проводов производится автоматически, причем препятствия – компоненты и проводники огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).
4. Подключение электрической схемы к питанию. В правом верхнем углу диалогового окна расположена пиктограмма 0 1
0 – отключено питание; 1 – включено питание. После включения питания на контрольно-измерительных приборах регистрируются характеристики и значения собранной модели электрической схемы.
Для построения логических схем в библиотеке Logic Gates (логические элементы) предусмотрено возможность выбора логических элементов. На рис. 9 перечень выбора возможных логических элементов.
Рис. 9
На рис. 10 показаны обозначения, используемые в Electronics Workbench логических элементов: конъюнкции - И, дизъюнкции – или, отрицания –НЕ, 2 И – НЕ, 2 –ИЛИ – НЕ.
Рис. 10.
Генератор слова
Внешний вид виртуального генератора слова и лицевая панель приведены на рис.28. Генератор (его еще кодовым генератором) предназначен для генерации 16 разрядных двоичных слов. Кодовые комбинации необходимо задавать в шестнадцатеричном коде.
Каждая комбинация заносится с помощью клавиатуры, номер редактируемой ячейки фиксируется в окошке EDIT блока ADRESS. Всего таких ячеек и следовательно, комбинаций – 2048. В процессе работы генератора в отсеке ADRESS индицируется номер текущей ячейки (CURRENT), ячейки инициализации или начала работы (INITIAL) и конечной ячейки (FINAL). Выдаваемые на 16 выходов (В нижней части генератора) кодовые комбинации индицируются в текстовом (ASCII) и двоичном коде (BINARY).
Сформированные слова выдаются на 16 расположенных в нижней части виртуального прибора клемм-индикаторов:
• В пошаговом (при нажатии кнопки STEP), циклическом (при нажатии кнопки CYCLE) или с выбранного слова до конца (при нажатии клавиши BURST) при заданной частоте посылок (установка – нажатиями кнопок в окнах FREQUENCY);
• При внутреннем (при нажатии кнопки INTERNAL) или внешнем запуске (при нажатии кнопки EXTERNAL по готовности данных (клемма DATA READY), рядом расположена клемма для подключения канала синхронизации);
• При запуске по переднему или заднему фронту.
На клемму CLK выдается выходной синхронизирующий импульс. К органам управления относится также кнопка BREAK POINT – прерывание работы генератора в указанной ячейке. При нажатии на кнопку PATTERN выпадает меню (рис. 29), где:
- Clear buffer – стереть содержимое буфера (содержимое буфера экрана);
- Open – загрузить кодовые комбинации (из файла с расширением .dp);
- Save – записать все набранные на экране комбинации в файл (.dp);
- Up counter - заполнить буфер экрана кодовыми комбинациями, начиная с 0
в нулевой ячейке и далее с прибавлением 1 в каждой последующей ячейке;
- Down counter – заполнить буфер кодовыми комбинациями, начиная с FFFF в нулевой ячейке и далее с уменьшением на 1 в каждой последующей ячейке;
- Shift right – заполнить каждые четыре ячейки комбинациями 1-2-4-8 со
смещением их в следующих четырех ячейках вправо;
- Shift left – тоже самое, но со смещением влево.
Любая информация в компьютере представляется в двоичном виде, поэтому рассмотрим запоминание и хранение элементарной порции информации - одного бита. Электронная схема, запоминающая один бит информации, называется триггером.
Триггеры – устройства, имеющие два устойчивых состояния. Под действием управляющих сигналов они переходят из одного состояния в другое и после снятия сигналов хранят это состояние до тех пор, пока не отключено напряжение питания. Таким образом, триггер является ячейкой памяти для одного двоичного разряда, т. е. бита информации. Для понимания процессов, происходящих в триггерах, приведем схему асинхронного однотактного RS – триггера на логических элементах И-НЕ (рис. 1).
 рис 2
В обычном состоянии на входы схемы подано постоянное напряжение 1. При записи информации на один из входов подается напряжение 1. Посмотрим как работает триггер. Пусть на вход 1 (Set - установить) подан сигнал «0», на вход 2 (Reset - переставить, сбросить) - «1» (рис. 2).
На выходе из элемента 1 (И-НЕ) независимо от другого входа элемента 1 появляется «1». На входы элемента 2 подаются «1», на выходе 2 появится «0».
 рис.3
Если на вход 1 подается сигнал «1», на вход 2 сигнал «0» (рис. 3), то на выходе 1 сигнал «1», на выходе 2 - «0».
Если на входы подать «0», то на выходах значение не изменится.
Таблица истинности RS-триггера
Вход 1 (S)
|
Вход 2 (R)
|
Выход 1 (Q)
|
Действие триггера
|
1
|
0
|
1
|
запоминание 1
|
0
|
1
|
0
|
запоминание 0
|
0
|
0
|
запомненный бит
|
хранение бита
|
1
|
1
|
неустойчивое состояние
|
запрещено
|
Назначение выводов триггеров следующее. Для всех триггеров выходы Q – прямой, Q’ – инверсный (обратный). Для RS – триггера R – установка триггера в 0, при сигнале 1 на этом входе Q=0, Q’=1; S – установка в 1, при сигнале 1 на этом входе Q=1, Q’=0; комбинация R=1, S=1 не изменяет состояние выходов и относятся к запрещенным. Для JK триггера J, K – информационные входы, > - тактовый вход; вывод сверху – асинхронная предустановка триггера в единичное состояние (Q=1) вне зависимости от состояния сигналов на входах (функционально аналогичен входу S RS триггера); вывод внизу – асинхронная предустановка триггера в нулевое состояние (так называемая очистка триггера, после которой Q’=1); наличие кружочков на изображениях выводов обозначает, что активными являются сигналы низкого уровня, а для тактового входа – что переключение триггера производится не по переднему фронту тактового импульса, а по его срезу ( так чаще всего называют задний фронт импульса). Для D – триггера вход D – информационный, состояние этого входа после подачи тактового импульса запоминается триггером, т. е. при D=1 имеем Q=1, при D=0 – Q=0. Схема асинхронного RS – триггера на логических схемах приведена на рис. 5.
Практическая часть
Задание 1. Исследовать триггер с помощью генератора слов.
Для понимания процессов, происходящих в триггерах, приведем схему синхронного однотактного RS – триггера на логических элементах И-НЕ.
Триггер имеет входы установки в 0 (R- вход, сигнал на инверсном выходе Q’=1) и 1 (S- вход, сигнал на прямом выходе Q=1). Установка триггера в 0 или 1 производится только при наличии сигнала синхронизации С=1. Возможные комбинации входных сигналов, имитирующие работу триггера в различных режимах, показаны на лицевой панели генератора слова.
Е
сли схему триггера дополнить инвертором, то получим схему D – триггера (рис. 7), в котором состояние выхода определяется сигналом на D- входе: при D=1 – Q=1, при D=0 –Q’=1. В качестве тактового сигнала используется выход синхросигнала генератора слова.
Если в D – триггере D – вход соединить с инверсным выходом Q’, то получится T – триггер с одним тактовым С – входом.
Включите схему и проведите исследование работы RS- триггера. Постройте таблицу истинности.
Задание2. Проведите моделирование JK-триггера. Постройте таблицу истинности.
Задание3. Проведите моделирование Т-триггера. Постройте Таблицу истинности
Контрольные вопросы
Что такое триггер?
На каких элементах построены RS, JK, T-триггеры?
Объяснить предназначение виртуального генератора слов.
Перечислить основные функции генератора слов.
Литература
Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: СОЛОН-Пресс, 2013.
Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Повпов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2014
|
