Лабораторная работа №9

«Моделирование работы функциональных узлов цифровой техники»

Цель работы - получение навыков разработки и моделирования функциональных узлов цифровой техники на интегральных микросхемах.

В программу входит разработка и моделирование следующих функциональных узлов цифровой техники:

1. Схема автоматического старт-стопного устройства.

2. Схема преобразования двоичного кода в число импульсов.

3. Схема формирователя импульсов с изменяемой скважностью.

4. Схема автоматического сканирующего устройства на основе универсального регистра.

5. Схема сканирования с заданием рабочей зоны.

6. Схема селектора длительности с автоматической блокировкой на основе триггера-защелки.

Другие функциональные узлы цифровой техники изучаются в лабораторных работах №1-№8.

На рис.9.1 и 9.2 приведена схема и временные диаграммы работы автоматического старт-стопного устройства. Такие устройства нашли широкое применение для запуска и автоматического останова в системах управления и контроля.

Схема выполнена на основе счетчика DD1 с дешифратором (DD2, DD3), старт-стопного триггера DD7 и логического элемента DD11. Запуск схемы производится от ГОИ: при нажатии кнопки на выходе ГОИ формируется перепад из “0” в “1”, на прямом выходе Q триггера DD7 устанавливается уровень “1”, а на инверсном – “0”. Импульсы от ГТИ поступают на суммирующий вход счетчика DD1. На выходах дешифратора (микросхема DD2, DD3), начиная с выхода ”1” микросхемы DD2, поочередно устанавливается уровень ”0”. Когда уровень “0” установится на выходе, соединенном со входом R триггера DD7, на выходе последнего установится “0”, а на выходе Q – 1, что вызовет сброс счетчика DD1 и прекращение поступления на вход ”+1” тактовых импульсов. Такое состояние схемы будет сохранятся до поступления следующего импульса запуска от ГОИ. Выходным сигналом схемы может быть как сигнал с выхода триггера DD7 или импульсный сигнал, снимаемый с выхода элемента DD11. В зависимости от того, с какого выхода дешифратора подается сигнал на вход R-триггера, зависит длительность импульса на выходе триггера или количество импульсов на выходе элемента DD11.

Рисунок 9.1 – Схема автоматического старт-стопного сигнала

Рисунок 9.2 – Временная диаграмма работы автоматического старт-стопного устройства

На рис.9.3 и 9.4 представлена схема преобразования двоичного кода в число импульсов и ее временные диаграммы. Схема включает в себя делитель частоты на 16, выполненный на регистре DD5 и триггера DD8, двоичный счетчик DD1, старт-стопный триггер DD9, схему И (DD15, DD12). ГОИ используется для запуска делителя частоты: при нажатой кнопке ГОИ регистр переходит в режим параллельной записи кода D0…D7. Для устойчивого функционирования делителя целесообразно установить с помощью кнопок комбинацию D0…D7 – 10000000. После нажатия и отпускания кнопки ГОИ на каждом из выходов регистра, работающего в режиме сдвига информации, устанавливается импульсный сигнал с частотой в 8 раз меньший, чем частота ГТИ. Триггер DD8 в счетном режиме обеспечивает деление частоты на 2. Сигналы запуска с выхода триггера DD8 поступают на вход ”S” старт-стопного триггера DD9. Перед поступлением запускающего импульса на выходе триггера устанавливается уровень “0”, который поступает на вход ”WR” счетчика DD1. На выходе счетчика устанавливается код D0…D3, предварительно набранный с помощью переключателей. После поступления запускающего импульса сигнал ”WR” снимается, счетчик переходит в режим вычитание до установления на выходе комбинации ”0000”. По достижении этого состояния на выходе ”BR” счетчика устанавливается логический “0” и триггер DD9 устанавливается в исходное состояние. В итоге на выходе элемента DD12 формируется последовательность из серии импульсов, число которых – от 0 до 15 – определяется кодом – D0…D3.

Рисунок 9.3 – Схема преобразования двоичного кода в число импульсов

Рисунок 9.4 – Временная диаграмма работы схемы преобразования двоичного кода в число импульсов

На рис.9.5 представлена схема формирователя импульсов с изменяемой скважностью, а на рис.9.6 – временные диаграммы ее работы. Схема выполнена на основе распределителя импульсов на 16 выходов (счетчик DD1 и дешифраторы DD2, DD3) и RS – триггеров DD8, DD9.

В зависимости от того, к какому выходу распределителя подключены R и S входы триггеров (допускаются любые комбинации) зависят длительность выходных импульсов на выходе каждого триггера и их взаимный фазовый сдвиг. Схема может быть использована для формирования управляющих сигналов с заданными временными соотношениями.

Рисунок 9.5 – Схема формирования импульсов с изменяемой скважностью

Рисунок 9.6 – Временная диаграмма работы схемы формирования импульсов с изменяемой скважностью

На рис.9.7 приведена схема автоматического сканирования, выполненная на основе универсального регистра, а на рис. 9.8 – временные диаграммы ее работы.

Рисунок 9.7 – Схема автоматического сканирующего устройства на основе универсального регистра

Рисунок 9.8 – Временная диаграмма работы отдельных узлов схемы автоматического сканирующего устройства на основе универсального регистра

На выходах от 0…7 регистра DD5 первой схемы периодически перемещается положительный импульс (логическая единица) сначала от выхода 0 до выхода 7, затем от выхода 7 до выхода 0. Для обеспечения работы схемы в таком режиме необходимо вначале установить с помощью переключателей D0... D7 комбинацию 01000000, нажать и отпустить кнопку ГОИ. При этом в регистр записывается параллельный код 01000000. Далее регистр переходит в режим сдвига информации с периодическим, определяемым состоянием триггера DD9, изменением направления сдвига.

Такая схема сканирования различного рода цифровых датчиков, которые могут находиться в состоянии “0” или “1”, в системах телеуправления и телесигнализации, в устройствах обегающего контроля и рекламы на основе элементов визуальной индикации, создающих эффект движущихся световых изображений.

Подобная схема сканирования может быть выполнена также на основе счетчика и дешифратора (рис.9.9 и 9.10). В этой схеме используется переключение счетчика DD1 в режим суммирования или вычитания под воздействием выходных сигналов дешифратора (DD2, DD3). Направление счета в любой момент времени определяется состоянием триггера DD6. Ширина ”рабочей зоны” устройства определяется в зависимости и от того, с каких выходов дешифратора снимаются сигналы управления триггером DD6.

Рисунок 9.9 – Схема сканирования с заданием рабочей зоны

Рисунок 9.10 – Временная диаграмма работы схемы сканирования с заданием рабочей зоны

На рис.9.11 представлена схема селектора длительности импульсов с автоматической блокировкой его работы после поступления на вход селектора первого импульса с заданной длительностью. Временные диаграммы селектора приведены на рис.9.12.

Селектор длительности включает триггер-защелку, представляющий собой RS-триггер с одним входом S (вход элемента DD17), выходом (выход элемента DD11), а также интегрирующую RC-цепь R3C6 (R3C7), включенную между входом элемента DD12 и выходом элемента DD22.

Благодаря наличию RC-цепи в триггере-защелке, схема реагирует только на импульсы определенной длительности t_Uвх. Если приведенное неравенство выполняется, то конденсатор C6 (C7) заряжается во время действия входного импульса до порогового значения U_пор 1,6В, на выходе элемента DD22 устанавливается уровень логического нуля, а на выходе элемента DD21 установится логическая единица независимо от входного сигнала.

На выходе схемы селектора при этом устанавливается логический нуль (индикация обеспечивается с помощью светодиода).

Рисунок 9.11 - Селектор длительности с автоматической блокировкой на основе триггера-защелки

Рисунок 9.12 – Временная диаграмма работы селектора длительности с автоматической блокировкой на основе триггера-защелки

Таким образом, схема селектора, находящаяся в исходном нулевом состоянии, переходит в единичное состояние, как только на ее вход поступит первый же импульс, удовлетворяющий заданному условию по длительности. После этого схема автоматически блокируется до подачи внешнего сигнала ”Сброс”.

Сигнал ”Сброс” подается путем кратковременного соединения входа элемента DD22 и общим проводом. При этом конденсатор С6 (С7) разряжается, а на выходе DD22 устанавливается логическая 1.

Такая схема селектора может быть использована для обнаружения одиночного импульса с параметрами, выходящими за пределы заданных в схемах автоматической аварийной сигнализации и др.