Лабораторный практикум по курсам “Физические основы электроники” и ”Силовая электроника” (стр. 5 )

1. Дайте определение дешифратора и приведите его условное графическое изображение.

2. Дайте определение мультиплексора и приведите его условное графическое изображение.

3. Чем отличается функциональная схема мультиплексора от функциональной схемы дешифратора?

4. Расскажите порядок проверки работы дешифратора и мультиплексора.

Работа № 11

ТРИГГЕРЫ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Цель работы: исследование работы RS-, JK-, D- и T-триггеров в статическом и динамическом режимах работы.

1. Краткие теоретические сведения

Триггером называется устройство, способное формировать два устойчивых значения выходного сигнала и скачкообразно изменять эти значения под действием внешнего управляющего сигнала. Способность триггера длительно сохранять без изменения значение выходного сигнала позволяет применять его в качестве элемента памяти.

В общем случае триггер содержит собственно элемент памяти и некоторую входную комбинационную схему, преобразующую входные сигналы триггера в сигналы, требуемые для управления элементом памяти.

Простейший RS-триггер состоит только из элемента памяти, который может быть реализован на основе инвертирующего усилителя с глубокой положительной обратной связью. В качестве базовых усилителей, на которых может быть построен простейший триггер, могут использоваться эле-

менты И-НЕ или ИЛИ-НЕ, передаточные характеристики которых подобны характеристике инвертирующего усилителя.

При реализации RS-триггера на базе элементов И-НЕ достаточно соединить их по схеме, приведенной на рис. 11.1.

Такой триггер имеет два информационных входа, на которые подаются логические переменные X0 и X1, и два выхода, с которых снимаются сигналы Y0 и Y1, причем, если Y0 =1, то Y1 = 0, а если Y0= 0, то Y1 = 1. Выход Q триггера считается прямым и по нему определяется установлен ли триггер (Q = 1) или сброшен (Q = 0). Другой выход триггера считается инверсным. Для изменения состояния триггера (его выходов) следует подать сигнал Х = 0, являю -

щийся активным уровнем (входы R и S триггера являются инверсными). Одновременная подача на входы R и S сигналов R = S = 0 запрещена.

Поведение RS-триггера описывается следующей таблицей переходов («–-» – безразличное состояние):

Условное графическое изображение RS-триггера имеет вид, приведенный на рис. 11.2.

 

Q n	–– R	–– S	Qn+1
0	––	1	0
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	––	1

D - триггер имеет один информационный вход D и один вход синхронизации С, при поступлении сигнала на который происходит перезапись состояния D - входа на прямой выход Q.

D - триггер легко получается из RS-триггера с добавлением входной комбинационной логики по схеме, приведенной на рис. 11.3.

Работа D-триггера происходит в соответствии со следующей таблицей переходов:

Qn	D	С	Qn+1
0	0	1	0
0	1	1	1
1	0	1	0
1	1	1	1
0	0	0	0
0	1	0	0
1	0	0	1
1	1	0	1

Поскольку информация на выходе триггера остается неизменной вплоть до прихода следующего импульса синхронизации, то D - триггер называют триггером – защелкой.

D - триггер обычно имеет дополнительные R и S входы, поэтому его графическое изображение имеет вид, показанный на рис. 11.4.

T- триггер или счетный триггер изменяет свое состояние на противоположное по каждому активному логическому сигналу, действующему на его информационный вход Т, в соответствии со следующей таблицей переходов:

 

Т	Qn	Qn+1
0	0	0
1	0	1
1	1	0
0	1	1

T- триггер легко получается из D - триггера за счет введения дополнительной обратной связи по схеме, приведенной на рис. 11.5.

Эта таблица отражает тот факт, что входы J и К при подаче на них активного входного сигнала соответственно устанавливают и сбрасывают JK- триггер. При подаче на информационные входы J и К сразу двух активных сигналов, триггер работает как счетный.

Qn	J	K	Qn+1
0	0	––	0
0	1	––	1
1	––	1	0
1	––	0	1

Обычно переключение по входам J и K синхронизируется внешним сигналом, а триггер имеет дополнительно R и S входы независимой установки.

Тогда условное графическое изображение JK- триггера имеет вид, приведенный на рис. 11.6.

Две буквы Т в обозначении триггера означают, что он построен по двухступенчатой схеме, обеспечивающей более устойчивую работу триггера, особенно когда он построен на базе логических элементов, имеющих низкое быстродействие. Косая линия с наклоном слева направо на входе С означает, что синхронизация переключения происходит по переходу фронта синхроимпульса из состояния лог.1 в состояние лог.0.

 

2. Задание на лабораторную работу

2.1 Проверить функционирование RS -триггера.

2.2. Исследовать функционирование JK-триггера.

2.3. Исследовать работу D -триггера.

2.4. Проверить работу Т -триггера на основе JK -триггера.

2.5. Проверить работу Т -триггера на основе D -триггера.

3. Порядок выполнения работы

В работе используется накладная панель «11,12» и кнопки «ПУСК» и «АВТ», расположенные на панели управления. Накладная панель «11,12» содержит поле управления и поле интегральных микросхем. На поле управления расположен генератор импульсов ГИ. Предусмотрены два режима работы: ручной и автоматический. В ручном режиме при каждом нажатии кнопки «ПУСК» формируется импульс синхронизации. При нажатии кнопки «АВТ» импульсы синхронизации поступают от генератора ГИ. Поле микросхем состоит из JK-триггера (DD1), трех D-триггеров (DD5–DD7) и элементов И-НЕ (DD2–DD4).

В работе используется гнездо «Q» со светодиодной индикацией для фиксации состояния выходов триггеров, а также гнезда «1» и «0» для подачи логических уровней на входы триггеров.

3.1 Для проверки функционирования RS-триггера необходимо выполнить следующие действия:

– cобрать схему RS-триггера на элементах И-НЕ (DD4, DD3);

– проверить функционирование RS-триггера и составить таблицу переходов, подавая на входы сигналы с гнезд «1» и «0» и используя индикатор «Q».

3.2. Для исследования функционирования JK-триггера в соответствии с таблицей переходов необходимо выполнить следующие действия:

– подавая на входы J и K различные логические уровни, при нажатии кнопки «ПУСК» (кнопка «АВТ» отжата) фиксировать состояние прямого выхода триггера, подключенного к индикатору «Q»;

– проверить работу установочных инверсных входов, подавая поочередно сигналы S = 0 и R = 0 и фиксируя состояние прямого и инверсного выходов триггера по индикатору «Q».

3.3. Для исследования работы D-триггера (DD5) в соответствии с таблицей переходов необходимо выполнить следующие действия:

– подавая на вход D уровни 1 и 0, нажимать кнопку «ПУСК» и фиксировать состояние прямого выхода триггера, подключив его к индикатору «Q»;

– проверить работу установочных входов D-триггера, выполнив действия, описанные в п. 3.2.

3.4. Для проверки работы Т-триггера на основе JK-триггера необходимо подать на входы J = К = 1 и, нажимая кнопку «ПУСК», фиксировать поочередную смену состояний на выходе триггера, подключенного к индикатору «Q».

3.5. Для проверки работы Т-триггера на основе D-триггера (DD5) необходимо выполнить следующие действия:

– соединить проводником инверсный выход триггера с его с D-входом и, нажимая кнопку «ПУСК», фиксировать поочередную смену состояний на выходе триггера;

– подключить генератор ГИ к входу C триггера;

– нажать кнопку «АВТ» и снять осциллограммы входного и выходного сигналов Т-триггера.

4. Контрольные вопросы

1. Приведите схему RS-триггера на логических элементах 2И-НЕ, его условное обозначение и поясните его работу.

2. Приведите условное обозначение D-триггера и поясните его работу.

3. Приведите условное обозначение JK-триггера и поясните его работу в качестве синхронизируемого RS-триггера и счетного Т-триггера.

4. Приведите схему Т-триггера на базе D-триггера, его условное обозначение и временную диаграмму работы при подаче последовательности импульсов.

Работа № 12

СЧЕТЧИКИ И РЕГИСТРЫ

Цель работы: исследование работы двоичного последовательного суммирующего и вычитающего счетчиков, недвоичного счетчика, регистра сдвига и кольцевого счетчика на D-триггерах.

1. Краткие теоретические сведения

Счетчики и регистры строятся на основе n однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит из триггера и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггерами.

Счетчики могут выполнять следующие микрооперации над кодовыми словами:

1) установку в исходное нулевое состояние;

2) запись входной информации в параллельной форме;

3) хранение информации;

4) выдачу хранимой информации в параллельной форме;

5) инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу (суммирование);

6) декремент – уменьшение хранящегося кодового слова на единицу (вычитание );

7) суммирование и вычитание хранящегося кодового слова на единицу (реверсирование).

Основным статическим параметром счетчика является модуль счета kC , характеризующий максимальное число импульсов, после прихода которого счетчик устанавливается в исходное состояние.

По значению модуля счета счетчики подразделяются на двоичные, у которых kC = 2n, и недвоичные, у которых kC ≠ 2n.

Чаще всего элементной базой счетчиков являются D-триггеры, а счетчики используются в качестве суммирующих и вычитающих устройств.

Например, трехразрядный двоичный суммирующий счетчик с модулем счета kC = 2n = 8 имеет схему, приведенную на рис. 12.1.

 

Входом счетчика является вход С первого триггера, а выходной код состояния снимается с выходов триггеров, каждый из которых представляет счетный Т-триггер за счет введения отрицательной обратной связи на вход данных D. Подключение входов каждого триггера к инверсному вы-

ходу предыдущего триггера обусловлено тем, что переключение D - триггеров происходит при положительном перепаде сигнала на входе синхронизации С.

Схема трехразрядного двоичного вычитающего счетчика показана на рис. 12.2.

 

При поступлении на вход счетчика первого импульса все триггеры устанавливаются в состояние лог.1, и каждый последующий входной импульс будет уменьшать его состояние на единицу, то есть осуществлять вычитание.

Недвоичные счетчики, у которых модуль счета kC ≠ 2n, получаются из двоичных путем введения схемы совпадения, на входы которой подается с выходов разрядов счетчика комбинация логических сигналов, совпадающая с требуемым модулем счета kC , а выходной сигнал схемы совпадения используется для сброса счетчика. В результате этого в момент достижения двоичным счетчиком состояния, равного kC < 2n, происходит его обнуление, то есть счетчик будет осуществлять пересчет входных импульсов по модулю kC ≠ 2n.

Схема недвоичного счетчика с модулем счета kC = 6 имеет вид, приведенный на рис. 12.3.

 

В этой схеме к входам дешифрирующего элемента совпадения подключены инверсный выход первого разряда и прямые выходы второго и третьего разрядов счетчика, то есть код числа 110, при достижении которого счетчик обнуляется.

Регистры в общем случае могут выполнять следующие микрооперации над кодовыми словами:

1) установку в исходное нулевое состояние;

2) запись входной информации в последовательной форме;

3) запись входной информации в параллельной форме;

4) хранение информации;

5) сдвиг хранимой информации вправо или влево;

6) выдачу хранимой информации в последовательной форме;

7) выдачу хранимой информации в параллельной форме.

Для построения регистров могут использоваться RS-, JK-, D- и T-триггеры, а также их сочетания. Чаще всего для построения регистров используются D-триггеры.

Регистр сдвига на D-триггерах реализуется соединением прямого выхода Q предыдущего разряда с входом D последующего схеме, приведенной на рис. 12.4.

 

Вход D первого разряда служит для приема в регистр информации в виде последовательного кода. Тактовые импульсы подаются на все входы С триггеров параллельно. Каждый тактовый импульс устанавливает последующий триггер в состояние, в котором до этого находился предыдущий, осуществляя тем самым сдвиг информации на разряд вправо.

Кольцевой счетчик на трех D-триггерах реализовать на базе регистра сдвига, путем введения обратной связи (пунктирная линия). При этом регистр сдвига превращается в замкнутое кольцо, в котором под воздействием тактовых импульсов циркулирует введенная в регистр информация (поэтому такие регистры называют кольцевыми счетчиками). Кодовая единица, введенная в первый триггер, циркулирует в течение всего времени существования тактовых импульсов, подаваемых на входы С всех триггеров счетчика. Приходящий тактовый импульс перебрасывает триггер, который был в состоянии 1, в состояние 0. Поскольку выход Q этого триггера связан с входом D следующего триггера, то последний устанавливается в со-

стояние 1 и т. д. Количество состояний такого счетчика равно числу триггеров.

2.Задание на лабораторную работу

2.1. Исследовать двоичный последовательный суммирующий счетчик.

2.2. Исследовать двоичный последовательный вычитающий счетчик.

2.3. Исследовать недвоичный последовательный счетчик.

2.4. Исследовать регистр сдвига на D-триггерах при преобразовании последовательного кода в параллельный.

2.5. Исследовать схему кольцевого счетчика, построить таблицу состояний и временные диаграммы по тактам его работы.

3. Порядок выполнения задания

В данной работе используется накладная панель “11,12”, а схемы счетчиков и регистров собираются на основе трех D-триггеров (DD5–DD7), прямые выходы которых подключены к светодиодным индикаторам «Q3 Q2 Q1». При этом первый триггер (DD5) соответствует младшему разряду счетчика (регистра) и его выходом является Q1, а старшему разряду соответствует третий триггер (DD7) c выходом Q3. Для установки триггеров в исходное нулевое состояние используется кнопка «СБР» на панели управления.

3.1 Для исследования двоичного последовательного суммирующего счетчика необходимо выполнить следующие действия:

– собрать схему суммирующего счетчика на трех Т-триггерах, используя D-триггеры стенда и накладную панель. Для этого следует соединить проводниками вход D и инверсный выход каждого триггера. Затем подключить вход С второго триггера (DD6) к инверсному выходу первого триггера (DD5), а вход С третьего триггера (DD7) к инверсному выходу второго триггера;

– начертить схему исследуемого счетчика;

– нажав кнопку “СБР”, установить исходное состояние счетчика 000 (Q3, Q2, Q1);

– нажимая кнопку “ПУСК” и считая входные (тактовые) импульсы от первого до восьмого, фиксировать по индикаторам (Q3, Q2, Q1) и заносить в таблицу состояния выходов счетчика;

– по таблице состояний счетчика начертить временные диаграммы его работы по тактам;

– нажав кнопку «АВТ», подключить к входу счетчика генератор импульсов и снять осциллограммы импульсов на входе счетчика и на прямых выходах триггеров. При установке на экране осциллографа временных диаграмм использовать ручки управления осциллографа и ручку «® » стенда.

3.2. Для исследования двоичного последовательного вычитающего счетчика необходимо выполнить следующие действия:

– собрать схему трехразрядного последовательного вычитающего счетчика на Т-триггерах. Для этого следует использовать соединение входа D и инверсного выхода каждого D-триггера и подключить вход С второго триггера (DD6) к прямому выходу первого триггера (DD5), а вход С третьего триггера (DD7) – к прямому выходу второго триггера;

– начертить схему исследуемого счетчика;

– нажав кнопку «СБР», установить исходное состояние счетчика 111;

– нажимая кнопку «ПУСК» и считая входные импульсы от первого до восьмого, фиксировать по индикаторам Q3, Q2, Q1и заносить в таблицу состояния выходов счетчика;

– по таблице состояний счетчика начертить временные диаграммы его работы.

3.3. Для исследования недвоичного последовательного счетчика необходимо выполнить следующие действия:

– начертить схему недвоичного счетчика с заданным коэффициентом счета kC = 5. Для этого необходимо использовать схему суммирующего счетчика на Т-триггерах;

– собрать суммирующий недвоичный счетчик и подключить входы элемента 3И-НЕ (DD4) к выходам триггеров, соответствующим кодовой комбинации заданного коэффициента счета kC;

– выход элемента 3И-НЕ подключить к гнезду «R» сброса триггеров в нуль;

– нажав кнопку «СБР», установить исходное состояние счетчика 000;

– нажимая кнопку «ПУСК» и считая входные (тактовые) импульсы, фиксировать по индикаторам Q3, Q2, Q1 и заносить в таблицу состояния выходов счетчика;

– по таблице состояний счетчика начертить временные диаграммы его работы по тактам.

3.4. Для исследования регистра сдвига на D-триггерах при преобразовании последовательного кода в параллельный необходимо выполнить следующие действия:

3.4.1. Начертить схему регистра сдвига на трех D-триггерах и собрать её на накладной панели с помощью проводников;

3.4.2. Записать в регистр сдвига двоичное число А = а3а2а1. Для этого входной параллельный код подается синхронно с тактовыми импульсами от кнопки «ПУСК» . Запись числа А в регистр производится, начиная с его старшего разряда а3, и вводится сначала в первый триггер после первого тактового импульса. В результате записи индикатор Q1 принимает значение а3. При поступлении второго тактового импульса значение а3, поступающее с выхода Q1 первого триггера, переписывается во второй триггер, т. е. устанавливается состояние индикатора Q2 = а3, а в первый триг-

гер поступает следующий разряд а2 числа А и т. д. После третьего тактового импульса на выходах регистра устанавливается индицируемый параллельный код Q3Q2Q1 = а1а2а3.

Например, запись в регистр двоичного числа А = а3а2а1 = 101, соответствующего десятичному числу 5, производится в следующем порядке:

-  установить регистр в исходное состояние 000, нажав кнопку «СБР»;

-  установить на входе регистра (входе D триггера DD5) а3 = 1 и, нажав кнопку «ПУСК», произвести запись старшего разряда числа;

-  установить на входе регистра а2 = 0 и, нажав кнопку «ПУСК», произвести запись второго разряда числа;

-  установить на входе регистра а1 = 1 и, нажав кнопку «ПУСК», произвести запись первого разряда числа;

– зафиксировать состояние регистра по индикаторам «Q3Q2Q1» после трех тактов записи заданного числа.

3.5. Для исследования схемы кольцевого счетчика, построения таблицы состояний и временной диаграммы по тактам его работы необходимо выполнить следующие действия:

– начертить схему кольцевого счетчика на трех D-триггерах и собрать её на накладной панели с помощью проводников;

– нажать кнопку «СБР», установив тем самым счетчик в состояние 000, отображаемое на индикаторах «Q3,Q2 и Q1»;

– установить младший разряд счетчика в состояние Q1 = 1, подав соединительным проводником с гнезда «0» на установочный вход первого триггера счетчика уровень S = 0;

– отсоединить этот проводник и в ручном режиме, нажимая кнопку «ПУСК», зафиксировать по индикаторам Q3, Q2, Q1 и занести в таблицу состояния выходов кольцевого счетчика;

– по таблице состояний счетчика начертить временные диаграммы его работы по тактам.

4. Контрольные вопросы

1. Перечислите микрооперации, которые могут выполнять счетчики над кодовыми словами.

2. Перечислите микрооперации, которые могут выполнять регистры над кодовыми словами.

3. Что такое модуль счета счетчика kC ?

4. Как реализуются двоичные суммирующие и вычитающие счетчики?

5. Как реализуются недвоичные счетчики с модулем счета kC ≠ 2n?

6. Приведите последовательность изменения состояния трехразрядного сдвигового регистра на первых четырех тактах его работы после занесения в него кода 010.

7. Как реализуется кольцевой счетчик?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. , Лещенко указания для проведения работ на универсальном лабораторном стенде по общему курсу "Промышленная электроника"/Харьковский политехн. ин-т.– Харьков, 1993. – 60 с.

2. Пятибратов методические указания к выполнению лабораторных работ./Новочерк. политехн. ин-т. – Новочеркасск: НПИ, 1983. – 11 с.

3. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учеб. для вузов / , , ; Под ред. . – М.: Горячая Линия – Телеком, 2002. – 768 с.

4. Забродин электроника.– М.: Высш. шк., 1982. – 432 с.

5. Королев устройства автоматики: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991.– 256 с.

6. Прянишников : Курс лекций.– СПб.: КОРОНАпринт, 1998.– 400 с.

7. Семенов электроника для любителей и профессионалов. – М.: СОЛОН-Р, 2001. – 328 с.

Учебно – практическое издание

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСАМ “ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ”

И “СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА”

Редактор

 

Темплан 2005г. Подписано в печать 29.11.2005.

Формат 60´841/16. Бумага офсетная. Печать оперативная.

Печ. л. 4,18. Уч.-изд. л. 4,0. Тираж 100 экз. Заказ

 

Южно-Российский государственный технический университет

Редакционно-издательский отдел ЮРГТУ

Типография ЮРГТУ

Адрес университета и типографии: 32