3. Порядок выполнения лабораторной работы

3.1. Предварительное задание

3.1.1. Изучите теоретические сведения по назначению и пара­метрам наладочных стендов, назначение, принцип действия, основ­ные технические данные и характеристики наладочного стенда НС-2 и порядок работы на нем.

3.1.2. Составьте заготовку отчета согласно п. 1.4 раздела "Общие положения", включив в нее структурную схему стенда.

Принципиальная схема основного эксперимента данной работы приведена на рис. 1.4. Номера выводов (цоколевку) ТМ2 найдите в справочнике и нанесите на схему. Составьте таб­лицу соединений по образцу, приведенному ниже (табл. 1.7). При этом исходите из того, что микросхемы ТМ2 установлены в колодках 1 и 2 (на схеме обозначается +1, +2), а ЛА8 – в колодке 3 (+3). Источником сигнала могут быть либо гнезда разъема XS3, либо выходы триггеров (ХS4:А15 и др.), входы МИ и триггеров являются приемниками.

Рис. 1.4. Принципиальная схема эксперимента

Таблица 1.7

3.2. Рабочее задание

3.2.1. Изучите с помощью преподавателя и инженера расположение и назначение органов управления осциллографа, методы его использования для измерения напряжений и длительности импульсов.

3.2.2. Изучите расположение и назначение органов управления, элементов индикации, коммутационных полей и разъемов стенда. Произведите внешний осмотр стенда, убедитесь в отсутствии механических повреждений, в наличии заземления и в том, что тум­блеры "СЕТЬ" и "+5 В" выключены.

Переключатель пределов измерения на пульте ус­тановите в положение "+5 В". Подключите шнур питания к розетке 220 В, включите тумблер "СЕТЬ", затем тум­блер "+5 В". Стрелка микроамперметра должна откло­ниться в правую часть шкалы.

3.2.3. Исследуйте функцию выдачи постоянных стабилизированных напряжений: проверьте наличие напряжений питания +5 В, +12 В и –12 В на соответствующих клеммах и гнездах коммутационных полей (результаты и позиционное обозначение этих клемм и гнезд в соответствии с рис. 1.2 приведите в отчете); освойте переключение источников +12 В и –12­ В для получения +24 В или –24 В; определите уровни выходного напряжения, размах, частоту и форму переменной составляющей напряжения (пульсации).

Занесите результаты в протокол выполнения работы (отчет).

3.2.4. Исследуйте функцию выдачи периодических прямоугольных импульсов: измерьте амплитуду и пределы изменения частоты, периода и формы импульсов формирователя прямоугольных сигналов стенда (ГТИ) на всех поддиапазонах; занесите эти данные в отчет, указав позиционное обозначение соответствующих клемм и гнезд. Зарисуйте осциллограммы сигналов в крайних положениях органов регулирования на поддиапазонах 50 Гц, 500 кГц, 1 МГц. При исследовании ГТИ следует обратить внимание на то, что заданная соответствующими органами управления (переключателем и потенциометром) длительность импульса может оказаться больше, чем период сигнала, определяемый положением задающих органов генератора синусоидального напряжения. Такой режим недопустим, поскольку в этом случае формирователь выдает импульсы с неопределенной длительностью и периодом. В ходе исследования необходимо для каждого частотного поддиапазона регулировку скважности начинать с минимальной длительности импульса.

3.2.5. Исследуйте функцию выдачи одиночных прямоугольных импульсов: измерьте амплитуду и пределы изменения длительности сигналов генератора одиночных импульсов (на всех поддиапазонах); занесите эти данные в отчет, указав позиционное обозначение соответствующих клемм и гнезд. Зарисуйте осциллограммы сигналов ГОИ в крайних положениях органов регулирования на поддиапазонах 5 мкс, 1 мс, 20 мс.

3.2.6. Исследуйте функцию выдачи логических уровней: замерьте значения напряжений, соответствующих уровням "лог.0" и "лог.1" на соответствующих клеммах и гнездах коммутационных полей; определите их соответствие стандартным уровням "лог.0" и "лог.1" ТТЛ, результаты и позиционное обозначение соответствующих клемм и гнезд приведите в отчете.

3.2.7. Исследуйте функцию индикации логических уровней, наблюдая за свечением индикаторов при подаче на вход следующих сигналов: от источника +5 В, формирователя прямоугольных импульсов регулируемой скважности (на минимальной частоте), генератора одиночного прямоугольного импульсного сигнала (максимальной длительности), устройства выдачи уровней "лог.0" и "лог.1". Объясните результаты.

3.2.8. Исследуйте функцию обнаружения коротких импульсов в положениях и переключателя "РЕЖИМ СИ", подавая сигналы на клемму ХТ11 от ГТИ и ГОИ. Сравните стабильность переключения индикатора при работе от ГОИ и при кратковременной подаче на его вход потенциалов "лог.0" и "лог.1" вручную. Объясните результаты.

3.2.9. Сделайте выводы о функционировании стенда, сравнив в отчете функциональные возможности наладочных стендов (в соответствии с п. 2.2) с возможностями и параметрами узлов стенда НС-2, полученными по результатам измерений.

3.2.10. Проверьте наличие в разъеме XS8 переходной платы (см. п. ­2.3) и исследуйте функционирование модуля индикации: выключите питание, установите в колодку 3 микросхему К155ЛА8, ключом на микросхеме в сторону точки на плате. Подключите вывод 7 микросхемы к шине "ЗЕМЛЯ" стенда, а вывод 14 – к шине + 5 В, пользуясь табл. ­1.1, 1.2. Включите питание и наблюдайте состояние светодиодов. Поочередно подавайте лог.0 на входы МИ, объясните результаты. Выключите питание, извлеките микросхему.

3.2.11. Соберите схему, приведенную на рис. 1.4, выполнив коммутацию, соответствующую разработанной вами таблице соединений (п. 3.1.2). Учтите, что при сборке разветвленных цепей удобно чередовать перемычки на XS4 и XS5, пользуясь тем, что одноименные контакты этих разъемов соединены параллельно. Например, цепь R# может выглядеть так: XS5:(А30-А17), XS4:(А17-Б18), XS5:(Б18-А9), XS4:(А9-Б10)…

Подключите проводниками узел R# к источнику лог.0 (XS3:Б7), а узел S# к источнику лог.1 (XS3:Б9). Проверьте правильность всех соединений. Не устанавливая микросхем, включите питание стенда, проверьте наличие на колодках переходной панели напряжений +5 В, 0 В, импульсов от ГОИ и связей между выводами микросхем. Выключите питание стенда.

3.1.12. Установите в колодки микросхемы ТМ2 и ЛА8, включите питание. Индикаторы МИ светиться не должны, даже при подаче одиночных импульсов на вход. Поменяйте местами проводники, подключающие узлы R# и S# к XS3. Должны засветиться все светодиоды и не переключаться даже при подаче одиночных импульсов на вход схемы. Если что-то не так, то выключите схему и проверьте правильность соединений, рассматривая те цепи, которые соединяют соответствующий выход триггера с микросхемой ЛА8 (см. ниже).

Устранив ошибки, переключите узел R# на источник лог.1, подайте на вход схемы серию одиночных импульсов (не менее 16), наблюдайте результат. В правильно собранной схеме должен происходить счет входных импульсов. При этом нижний светодиод, соединенный со Вх.0, показывает нулевой разряд числа, следующий индикатор, соединенный со Вх.1 – первый и т.д. Если работа схемы не соответствует этому описанию, найдите ошибку в таблице или коммутации. Удобно при этом пользоваться индикатором логических уровней стенда, установив режим " " и подключая щуп непосредственно к выводам микросхем ТМ2.

3.2.13. Если схема работает нормально, выставите минимальную частоту ГТИ и подключите выход ГТИ вместо выхода ГОИ на вход схемы, наблюдайте результат. Установите режим " " индикатора логических уровней стенда и подключите щуп к выводу 9 микросхемы ТМ2. Объясните результат.

3.2.14. Сделайте ВЫВОДЫ, описав в отчете работу собранного устройства.

4. Контрольные вопросы

1. Перечислите, что нужно сделать при подготовке к каждой лабораторной работе.

2. Перечислите, какие разделы должен включать план эксперимента – исследования стенда или микросхемы.

3. Перечислите процедуры, выполняемые в ходе функционального анализа исследуемого устройства (стенда, микросхемы).

4. Опишите структуру наладочного стенда НС-2, расположение и назначение органов управления, элементов индикации, коммутационных полей и разъемов стенда.

5. Опишите устройство, параметры и органы управления генератора одиночного прямоугольного импульсного сигнала.

6. Опишите устройство и параметры узла выдачи уровней "лог.0" и "лог.1".

7. Опишите устройство и органы управления узла обнаружения коротких импульсов и индикации логических уровней.

8. Опишите устройство и схему коммутации рабочей панели.

9. Опишите назначение, устройство и способ использования переходной платы.

10. Приведите правила работы со стендом.

11. Дайте общее определение триггеров, их классификацию и определения подклассов.

12. Какую функцию выполняет D-триггер и в чем разница между триггерами с разными типами управления.

13. В чем суть приоритетности одних входов триггера перед другими?

14. Какие уровни следует подать на информационный и тактовый входы в комбинированном триггере DRS, если предполагается использовать только асинхронные входы? Для чего?

15. Готовые наборы нескоммутированных Т-триггеров не выпускаются. Предложите схемы коммутации микросхем триггеров другого типа для получения Т-триггеров, поясните их работу. Работу какой из этих схем вы наблюдали в ходе экспериментов?

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВОИЧНЫХ ШИФРАТОРОВ

Лабораторная работа № 2

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить принципы построения схем шифраторов.

1.2. На примере схемы трехразрядного шифратора получить практические навыки сборки и наладки макетных образцов функциональных узлов вычислительной техники.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Определение шифраторов

Шифраторами или кодерами называют разновидность преобразователей кодов, которые преобразуют комбинации (слова) унитарного кода в соответствующие слова какого-либо позиционного кода. Двоичные шифраторы – это комбинационные схемы, которые при подаче активного уровня на один из n информационных входов выдают на выходе слово позиционного двоичного кода, значение которого соответствует номеру активного входа. При этом разрядность выходного слова a составляет

a = int (log_2­n) разрядов, (2.1)

где int означает округление в бóльшую сторону до целого числа.

Шифратор с n входами иногда называют шифратором n х a (например, 10х4). Графическое обозначение такого шифратора имеет вид, приведенный на рис. 2.1.

Д

Рис. 2.1

2.2. Синтез двоичного шифратора на логических элементах

Простота алгоритма преобразования делает шифратор удобным объектом для выработки навыков синтеза комбинационных схем. Построим шифратор с 7 входами и нулевым состоянием, управляемый низким входным уровнем. Выходной код этого шифратора согласно соотношению (2.1) будет состоять из int (log₂7) = 3 разрядов. По словесному описанию составим таблицу функционирования:

__ __ __ __ __ __ __

X₁ X₂ X₃ X₄ X₅ X₆ X₇ А₂ А₁ А₀

1 1 1 1 1 1 1 0 0 0

0 1 1 1 1 1 1 0 0 1

1 0 1 1 1 1 1 0 1 0

1 1 0 1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 0 1 1 1 1 0 0

1 1 1 1 0 1 1 1 0 1

1 1 1 1 1 0 1 1 1 0

1 1 1 1 1 1 0 1 1 1

В принципе существует несколько способов синтеза логических функций А_i (i = 0…2), соответствующих этой таблице.

А. В простейшем случае (факультативная шифрация) логические формулы функций могут иметь вид:

А₀= X₁vX₃vX₅vX₇ =

А₁= X₂vX₃vX₆vX₇ = (2.2)

А₂= X₄vX₅vX₆vX₇ =

Такое решение дает минимальный объем аппаратных средств (по 0,5 корпуса микросхемы ЛА1 на каждый выход). Однако функции А_i определены в таблице истинности не на полном множестве комбинаций входных сигналов, т.е. факультативно. Проанализируем их значения при произвольном (неунитарном) наборе на входах. Полное возможное количество входных комбинаций составляет 2⁷=128, то есть существует 120 комбинаций с неопределенностью. Рассмотрим, например, какой код будет на выходе, согласно (2.2), при X₂&X₄=1, или X₃&X₅=1, X₁&X₄ =1 и так далее. Полученные коды не соответствуют ни одному из номеров входов – устройство оказалось незащищенным от неправильного использования. Его следует применять только для шифрации положения переключателей с обегающим контактом и других подобных устройств, в которых одновременное появление активных уровней на нескольких входах кодера невозможно в принципе.

Б. Повторим исходную таблицу истинности в положительной логике:

X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 А2 А1 А0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0 0 0 1 0

0 0 1 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 1 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 1 0 0 1 0 1

0 0 0 0 0 1 0 1 1 0

0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

Исключить ложные коды можно, записав логические функции в классической СДНФ:

, (2.3)

где – логические произведения инверсий всех аргументов, кроме указанного в индексе (например, ). А₁ и А₂ определяются аналогично. Оценка затрат аппаратных средств – 12,5 корпуса. Можно было бы записать А_i и в виде СКНФ: А₀=(X₁v(v ))&(.......) и так далее, но не выпускается шестивходовых микросхем ИЛИ, поэтому аппаратная реализация будет еще более громоздкой. Результат такого пути синтеза формально точен – ложные коды при X_j& = 1 отсутствуют, но с инженерной точки зрения потеря входных сигналов при их взаимном наложении зачастую недопустима.