Лабораторная работа.
«Селектор-мультиплексор К155КП7»
Цель работы:
· Исследовать назначение входов селектор – мультиплексора К155КП7
· Исследовать работу селектор - мультиплексора в режиме ручного и автоматического перебора каналов
· Провести анализ информации, поступающей из заданного информационного входа (канала)
Селектор – мультиплексоры. Теория
Селекторы (схемы выбора) данных, или мультиплексоры, используются для осуществления связи приемного устройства с различными источниками данных. Определенный канал (источник данных) выбирается путем подачи на адресные входы-схемы двоичного числа (адреса), которое указывает, какой именно канал должен быть выбран. В большинстве случаев такая схема снабжается дополнительным стробирующим входом, который разрешает передачу данных в тот момент времени, когда происходит выборка. Механическим аналогом мультиплексора (селектора) является многопозиционный переключатель, который представлен на рис. 1. Ось переключателя устанавливается в требуемую позицию с помощью ручки. Такие переключатели применялись ранее в радиоприемниках для перехода с одного волнового диапазона на другой. В настоящее время такой переход осуществлялся в видео - и радиоаппаратуре посредством нажатия клавиш, управляющих работой соответствующих исполнительных электронных схем.
Рис.1. Многопозиционный переключатель.
Рассмотрим работу схемы мультиплексора более подробно (рис. 2, а). Мультиплексор состоит из четырех схем И, выходы которых связаны со схемой ИЛИ. На один из входов схем И поступают данные (вход данных). Два других входа используются для выборки. Определенный канал будет выбран после того, как на оба селектирующих входа поступят сигналы с высоким уровнем потенциала. При этом с выхода схемы будут сниматься данные, поступающие на соответствующий вход.
Если на d-вход поступает напряжение высокого уровня (H-уровня), то в процессе выборки на трех входах будет напряжение H-уровня и на выходе также появится H-сигнал. Если на d-вход поступает напряжение низкого уровня (L-уровня), то на выходе он также будет воспроизведен в виде напряжения L-уровня. Как следует из таблицы истинности, уже одного L-сигнала на входах достаточно, чтобы на выходе также появился L-сигнал (рис. 2, б). Как видно из этой таблицы, с помощью двух селектирующих (адресных) входов S1, S0 можно выбрать один из четырех входов данных. Чтобы при поступлении на адресные входы каждой из четырех возможных комбинаций двоичных чисел (00, 01, 10, 11) можно было выбрать требуемый d-вход, необходимы дополнительные инверторы. Какой именно d-вход будет выбран при данной двоичной комбинации, зависит от конкретной схемы монтажа (рис. 2а). Требуемый вход данных выбирается путем подачи H-уровня на два других входа соответствующей схемы И. На ее выходе появится сигнал L - или H-уровня в зависимости от логического уровня сигналов на входе данных. При этом на выходе других схем И будет сохраняться напряжение L-уровня. В результате схема ИЛИ будет повторять выходной сигнал выбранной схемы И. Если этот сигнал имеет H-уровень, то на выходе схемы ИЛИ появится также сигнал H-уровня.
|
|
Рис. 2. Мультиплексор и его обозначение (слева). Таблица истинности мультиплексора «1 из 4» (справа).
Если на выходе выбранной схемы И появится L-сигнал, то на выходе схемы ИЛИ также появится L-сигнал. Оба этих случая соответствуют функциональной таблице схемы ИЛИ. Символическое обозначение мультиплексора показано на рис. 2, б. Входы данных имеют И - зависимость от G1 и G2. Вход d0 будет выбран в том случае, если мы имеем S0(L) и S1(L), т. е. (1,2); вход d1 - если S0(H) и S1(L), т. е. (1,2); вход d2-если S0(L) и S1(H), т. е. (1,2); и, наконец, вход d3-если S0(H) и S1(H), т. е. (1,2). Можно увеличить число выбираемых каналов в этой схеме, используя схемы И с большим числом входов. При этом обычно получают вариант мультиплексора не выше, чем "1 из 8", т. е. используют то число входов, которое в большинстве применений оказывается вполне достаточным. В ЭВМ большое число мультиплексоров применяется для того, чтобы связать различные регистры между собой и со счетно-решающим устройством для последующего обмена данными. Здесь разрядность выбираемых чисел обычно составляет 1-2 байт, т. е. мультиплексор должен одновременно пропускать 8 или 16 бит. Мультиплексор (селектор данных) так же применяется для преобразования параллельного набора битов в последовательный. Подавая параллельный набор битов на входы данных и управляя адресными входами с помощью двоичного счетчика, мы можем сформировать на выходе требуемый последовательный набор битов.
Демультиплексор выполняет обратную функцию (по отношению к мультиплексору) т. е. соединяет вход с одним из выходов в зависимости от выбранного адреса. Символическое обозначение схемы показано на рисунке 2 б. На рис. 2 а. эта микросхема представлена в виде декодера, а на рис. 2 б. - в виде демультиплексора.
Декодирующий вариант обозначения X/Y показывает, что рассматриваемое преобразование имеет И - зависимость от входов 4, 5 и 6, а представление в виде демультиплексора (DX) показывает, что выходы имеют ИЛИ- зависимость от селекторных (адресных) входов 1, 2 и 3. Вход данных 6 имеет И - зависимость от входов 4 и 5. Демультиплексор часто применяется для последовательной передачи информации через одни и те же выводы микросхемы к различным ее узлам, что позволяет ограничивать используемое число выводов.
Рис. 2. Обозначение ИС как а) декодера и б) демультиплексора.
Микросхема К155КП7 представляет собой селектор-мультиплексор на восемь каналов со стробированием. В зависимости от установленного на адресных входах A, B, C кода разрешается прохождение сигнала на выходы Y1 и Y2 только от одного из восьми информационных входов D0-D7, при этом на входе стробирования V должно быть установлено напряжение низкого уровня. При высоком уровне напряжения на входе V выход Y1 устанавливается в состояние низкого уровня напряжения, а выход Y2 соответственно в состояние высокого уровня. Условно - графическое обозначение микросхемы приведено на рис.3, а его электрические параметры в табл.1.
|
|
Рис. 3. Обозначение и таблица истинности мультиплексора К155КП7.
Здесь 1-4 - входы информационные D3-D1, 5 - выход Y1, 6 - выход Y2, 7 - вход разрешения, 8 – общий, адресные входы: 9 - вход C, 10 - вход B, 11 - вход A, 12-15 - входы информационные D7-D4, 16 - питание
Таблица 1. Электрические параметры микросхемы.
Номинальное напряжение питания | 5 В 5 % |
Выходное напряжение низкого уровня | не более 0,4 В |
Выходное напряжение высокого уровня | не менее 2,4 В |
Входной ток низкого уровня | не более -1,6 мА |
Входной ток высокого уровня | не более 0,04 мА |
Ток потребления | не более 48 мА |
Практическая часть.
Описание учебного комплекса на базе контроллера NI PCI 6221
Исследование работы микросхемы проводится с помощью учебного макета, соединенного с блоком коммутации многофункционального устройства сбора данных NI PCI 6221, рис. 3. Описание этого контроллера приведено в приложении 1.
Рис.4 Внешний вид учебного комплекса, где: 1 –учебный стенд, 2 – блок коммутации NI PCI 6221, 3 - блок питания, 4 – микросхема, 5 – соединительная колодка, 6 – индикатор питания, 7 – индикатор тестера, 8 - соединительные провода.
Выводы контроллера NI PCI 6221 соединены с клеммами блока коммутации (Рис.4, п.2). В работе используются
· цифровые входы/выходы порта 1: Line 0-3,
· аналоговые входы AI 0-3,
· выход цифрового генератора «Out»,
Для проведения измерений необходимо:
1. провести необходимые соединения учебного стенда и блока коммутации PCI 6221,
2. подключить питание (загорится зеленый индикатор),
3. запустить программу, управляющую измерениями.
Обратите внимание, что для реализации автоматического перебора адресных линий A, B, C используется дополнительная микросхема счетчик К155ИЕ6 и генератор импульсов, реализованный на основе контроллера PCI 6221 (гнездо «Out»)
На рисунках 5 и 6 показана схема соединения, которые необходимо выполнить. Круглые элементы в левом верхнем углу рис.5 а – это группа выключателей, задающих последовательность данных на информационных входах
Как можно видеть во втором случае используется вторая ИС - К155ИЕ6 и генератор на основе контроллера NI6221. Сигналы с выходов ИС измеряются с помощью АЦП контроллера, поэтому на осциллограммах пользователь наблюдает реальные напряжения с уровнями логических единицы и нуля, соответствующими ТТЛ логике.
Рис. 5. Схема соединений и элементы управления и индикации интерфейса ПО в режиме ручного управления.
Рис. 6. Схема соединений и элементы управления и индикации интерфейса ПО в режиме автоматического управления.
Расположение колодок для установки микросхем и подключения проводников можно видеть на рис. 7. В таблицах 2 и 3 указано какие разъемы учебного стенда и блока коммутации должны быть связаны соединениями.
Обратите внимание в данной работе вход С установлен в состояние "0", поэтому используются только 4 информационных входа D0-D3!
Рис. 7. Разъемы учебного стенда
Таблица 2. Подключение микросхемы К155КП7 (верхняя колодка)
Описание | Ножка микросхемы | Разъем NI6221 | Разъем нижней колодки | Разъем верхней колодки |
Напряжение питания | 16 | - | - | +5V |
Вход А | 11 | Line5Port1 | - | - |
Вход В | 10 | Line4Port1 | - | - |
Вход С | 9 | - | - | GND |
Общий | 8 | - | - | GND |
Вход разрешения V | 7 | GATE(3) | - | - |
Выход Y2 | 6 | AI1 | - | - |
Выход Y1 | 5 | AI0 | - | - |
Информационный вход D0 | 4 | Line0Port1 | - | - |
Информационный вход D1 | 3 | Line1Port1 | - | - |
Информационный вход D2 | 2 | Line2Port1 | - | - |
Информационный вход D3 | 1 | Line3Port1 | - | - |
Таблица 3. Подключение микросхемы К155ИЕ6 (нижняя колодка)
Описание | Ножка микросхемы | Разъем NI6221 | Разъем нижней колодки | Разъем верхней колодки |
Напряжение питания | 16 | - | +5V | - |
Вход установки “0” | 14 | - | +5V | - |
Вход предварительной записи | 11 | - | GND | - |
Общий | 8 | - | GND | - |
Вход ”прямой счет” | 5 | OUT(2) | - | - |
Вход “обратный счет” | 4 | - | +5V | - |
Выход первого разряда Q1 | 3 | - | - | 11 гнездо |
Выход второго разряда Q2 | 2 | - | - | 10 гнездо |
Программное обеспечение, созданное в среде LabVIEW, состоит из двух программ:
· ПО для ручного режима управления ИС
· ПО для автоматического режима управления ИС с перебором адреса и подачей некоторой последовательности сигналов на информационные входы.
Программа для ручного режима управления позволяет непосредственно подавать уровни сигнал (высокий/низкий) на адресные и информационные входы, а также вход стробирования. Пользователь имеет возможность наблюдать состояние прямого и инвертированного выходов.
Внешний вид интерфейса ПО для ручного режима управления показан на рисунке 8. Здесь на 4 разных панелях (блоках), на рисунке обозначенных красными цифрами 1-5, расположены соответствующие элементы управления и индикации:
0. Пункты меню. Кнопки управления программой, написанной в среде LabVIEW: «Одноразовый запуск», «Непрерывный запуск», «Остановка», «Пауза».
Блок 1. Кнопки установки последовательности сигналов на информационных входах.
Блок 2. Элементы управления для установки адреса на входах А и В
Блок 3. Управление уровнем сигнала на входе стробирования V
Блок 4. Цифровые и графический индикаторы для слежения за состоянием выходов. С помощью элемента 4-1 можно изменить скорость развертки осциллограмм.
Блок 5. Кнопка вызова схемы соединений.
Рис. 8. Интерфейс программы для ручного управления ИС К155КП7.
Программа для автоматического режима управления позволяет перебирать адресные входы, сигнал на которые поступают с генератора прямоугольных импульсов через двоичный счетчик. Пакеты данных поступают на информационные входы с заданной частотой. Виртуальный осциллограф позволяет наблюдать последовательность входных сигналов и сохранять данные в графическом файле.
Внешний вид интерфейса программы для автоматического управления ИС с перебором каналов показан на рисунке 9. Здесь можно выделить следующие блоки:
Блок 1. Управление генератором сигналов с тумблером включения и окнами ввода для частоты и скважности сигнала. Используется для выбора адреса.
Блок 2. Элементы индикации установленного адреса, входы А и В.
Блок 3. Управление уровнем сигнала на входе стробирования V
Блок 4. Цифровые и графический индикаторы для слежения за состоянием выходов. С помощью элемента 4-1 можно изменить скорость развертки осциллограмм.
Блок 5. Кнопка вызова схемы соединений.
Рис. 9. Интерфейс программы для автоматического режима управления ИС
Для генерации прямоугольных импульсов в лабораторной работе используется встроенный в контроллер NI 6221генератор, сигнал которого берется с клеммы «Out», рис. 3, п.2. Виртуальный генератора, представленный на интерфейсе ПО, имеет органы управления: выключатель и окна ввода для частоты и скважности сигнала (скважность - отношение длительности высокого уровня сигнала к периоду сигнала). Физически сигнал с генератора поступает на микросхему счетчик К155ИЕ6, выходы которой соединены с входами управления A и B мультиплексора, рис. 6. Сигналы (пакетом по 10 штук) на информационных входах D0-D3 формируются автоматически. Их можно наблюдать на осциллограмме в блоке 4.
Ход работы
1. Проверьте правильность сборки схемы, описанной выше.
2. Включите блок питания в сеть. Должен светиться зеленый индикатор (Рис.4 п.6)
3. Локальным (Рис.4 п.7) или внешним тестером можно убедиться в наличии напряжений на ножках ИС. На ножке 9 К155КП7 т. е. старшем адресном входе должно быть 0В.
Упражнение 1. Ручной режим управления ИС.
1. Запустите программу для ручного режима управления (рис. 8, п. 0) на выполнение.
2. Задайте на информационном входе D0 какую-нибудь последовательность сигналов, рис. 8 блок 1.
3. Выберите адрес этого информационного входа с помощью виртуальных тумблеров (свечение на тумблере означает логическую единицу). Рис. 8, блок 2.
4. Подайте на вход стробирования V сначала высокий, потом низкий уровень сигнала с помощью виртуального переключателя, рис. 8, блок 3. Отметьте, при каком уровне этого сигнала ИС работает. Вывод запишите в отчет.
5. Пронаблюдайте переключение уровней сигнала на выходах Y1 и Y2. Скорость движения данными на входах можно регулировать с помощью окна ввода, рис. 8 п.4-1. Скопируйте осциллограмму в буфер обмена Windows, для чего щелкните правой клавишей мыши над осциллограммой, и вставьте рисунок в отчет или в графический редактор для обработки. В отчете отметьте последовательность данных на входе D0 и сравните с осциллограммой на выходе. Отметьте на ней начало и конец поступающей с входа информационного пакет из 5 сигналов.
6. Повторите пункты 2-5 этого задания для остальных входов D1- D3. Информация на них должна отличаться друг от друга. Результаты заносите в отчет.
Упражнение 2. Автоматический режим управления ИС.
1. Запустите программу для автоматического режима управления на выполнение.
2. Включите виртуальный генератор, т. е. переведите виртуальный переключатель в соответствующее положение, установите желаемую частоту и скважность сигнала. (рис. 9, п. 1)
3. Когда будет выбран нужный адресный вход (рис. 9, п. 2), остановите генератор.
4. Рассмотрите осциллограммы входных сигналов. При необходимости время между двумя отсчетами (скорость разверти) можно изменить, введя другое число в окно ввода (рис. 9, п. 4-1) .Скопируйте получаемые осциллограммы в буфер обмена Windows, для чего щелкните правой клавишей мыши над осциллограммой, и вставьте рисунок в отчет или в графический редактор для обработки. В отчете отметьте адрес входа.
5. Восстановите по этим осциллограммам, какие были входные сигналы были на каждом информационном входу D0-D3.
6. Повторите п.2-5 для всех четырех адресов.
7. Оформите отчет. Сделайте выводы.
Контрольные вопросы.
1. Что такое селектор-мультиплексор? Его назначение.
2. Что такое демультиплексор?
3. Какие входы и выходы есть у ИС К155 КП7? Каково их назначение?
4. Чем отличается в данной лабораторной работе автоматический режим управления ИС от ручного? Какая ИС используется для перебора адресных входов?
5. Сколько выходных линий может быть у демультиплексора с 4 адресными линиями?
6. Какой уровень сигнала в вольтах на выходе ИС соответствовал логическим «нулю» и «единицы»?
Приложение 1
Данный контроллер, относящийся к М-серии, инсталлируется в PCI слот материнской платы. Он имеет входы и выходы для аналоговых сигналов, цифровые входы-выходы (3 порта по 8 линий), а также генератор и таймеры-счетчики, выведенные на те же линии цифрового ввода-вывода.
Цифровой ввод/вывод
Число линий | 24 |
Число портов | 3 |
Разрядность портов | 8 бит |
Частота передачи данных | 0 – 1 МГц |
Размер буфера FIFO | 2.047 |
Высокий уровень входного сигнала | В |
Низкий уровень входного сигнала | В |
Выходной ток | 24 мА (0 порт), 16 мА (1,2 порт) |
Счетчики-Таймеры
Число счетчиков/таймеров | 2 |
Разрядность | 32 |
Внутренняя частота | 80, 20, 0.1 МГц |
Внешняя частота | МГц |
Генератор частоты
Число каналов | 1 |
Основная частота | 10 МГц, 100 кГц |
Делители | 1 - 16 |
