2.3. Микросхема ие7

М икросхема представляет собой загружаемый синхронный четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик с асинхронной установкой в 0. Его условное обозначение изображено на рис. 4.2, функциональная схема и временнáя диаграмма функционирования приведены в /8, 9, 11, 12/. Структурно счетчик состоит из четырех соединенных каскадно схем тактируемых RS-триггеров с комбинационной логикой на входах. Эта логика обеспечивает замыкание обратных связей, переводящее триггеры в счетный режим, параллельный перенос между разрядами, загрузку произвольного кода и установку триггеров в "0". При этом реализуется приоритет функции загрузки перед функцией счета, а функции начальной установки – перед ними обеими, так что одновременная подача нескольких управляющих воздействий ведет к выполнению наиболее приоритетной функции. Вход CU (count up, обозначается также С1 или "+1") предназначен для подачи подсчитываемых импульсов в режиме прямого счета, а вход CD (count down, C2, "-1") – в режиме обратного счета. Входы CU и CD являются динамическими, причем сигналы на этих входах воспринимаются схемой счетчика тогда, когда они изменяют свое состояние с "0" на "1". При прямом счете на входе CD должно быть напряжение лог.1, при обратном счете напряжение лог.1 должно быть на входе CU. Для записи в счетчик параллельного кода предназначены входы D0-D3, при этом на вход L (load) должен быть подан сигнал логического нуля (иногда этот вход обозначают V или C). Установка счетчика в нулевое состояние (сброс) осуществляется подачей лог.1 на вход R и отрабатывается независимо от значений сигналов на остальных входах. Выходы PU, PD (propagation carry up/down) предназначены для передачи сигнала переноса в соседнюю (старшую) микросхему. На выходе PU (обозначается также "≥15", "P") сигнал лог.0 появляется только в том случае, когда все триггеры счетчика находятся в единичном состоянии и поступил очередной импульс на вход CU. На выходе PD ("≤0", "B") сигнал лог.0 появляется в том случае, когда все триггеры счетчика находятся в нулевом состоянии и поступил очередной импульс на вход CD. При последовательном соединении нескольких микросхем К555ИЕ7 (то есть при увеличении разрядности счетчиков) выход РU предыдущей микросхемы соединяется со входом CU последующей, а выход РD предыдущей микросхемы со входом CD последующей.

2.4. Делители на базе счетчика ие7

Рассмотрим реализацию на базе счетчика ИЕ7 делителя с постоянным коэффициентом К_дел и обнулением после прихода в заданное состояние. В этом случае в качестве дешифратора используют элемент И, на входы которого подают выходные сигналы с тех разрядов счетчика, которые в состоянии А= К_дел имеют значения лог.1. Выход логического элемента соединяют с R-входом счетчика. Такой счетчик последовательно проходит К_дел состояний от 0 до К_дел –1 (пребывание счетчика в состоянии А= К_дел оказывается кратковременным­ – он обнуляется). Результирующий сигнал может сниматься с выхода элемента И, однако он имеет малую длительность и для устойчивой работы последующих функциональных узлов лучше пользоваться выходным сигналом того разряда счетчика, который изменяет свое значение один раз за период счета. Более того, кратковременность импульса начальной установки может привести к необнулению некоторых разрядов счетчика, поэтому рекомендуется ввести либо схему задержки, удлиняющую импульс начальной установки, либо дополнительный триггер. Схема делителя на счетчике ИЕ7 с триггером приведена на рис. 4.3.

Для сокращения разнообразия микросхем RS-триггер можно выполнить на такой же микросхеме, как и дешифратор (И-НЕ) – см. материал, изученный в разделе «Триггеры». Более того, если отказаться от возможности выявления А=15, то и компаратор, и триггер можно разместить в одном корпусе, включающем три логических элемента.

Д ля счетчика ИЕ7, имеющего функцию загрузки произвольного кода, возможен и другой схемотехнический вариант делителя – с предварительной установкой исходного состояния В, от которого счет ведется до переполнения счетчика. В этом случае на входах D0-D3 устанавливают код В, выход PU или PD (в зависимости от желаемого направления счета) подключают ко входу L, так что после перехода счетчика в конечное состояние в него снова загружается В и процесс повторяется. Результирующий сигнал снимается с выхода переноса. Студентам предлагается самостоятельно вывести зависимость В от заданного К_дел при обоих направлениях счета для счетчика по основанию 16. При реализации этой схемы следует обратить внимание на то, что пребывание счетчика в конечном состоянии оказывается кратковременным и это может привести к незагрузке некоторых разрядов счетчика. Аналогично предыдущей схеме рекомендуется вводить в цепь "выход переноса – вход разрешения загрузки" либо схему задержки, либо дополнительный триггер.

3. Порядок выполнения лабораторной работы

3.1. Предварительное задание

3.1.1. По литературе /4-13/ и разделу 2 ознакомьтесь с назначением, принципом действия и функциональными схемами счетчиков.

3.1.2. Составьте заготовку отчета согласно п.­ 1.2 раздела "Общие положения". Из справочной литературы перенесите в нее УГО и функциональную схему микросхемы К555ИЕ7, проведите ее функциональный анализ согласно п.1.2 "Общих положений".

3.1.3. Составьте в письменной форме план эксперимента по исследованию счетчика ИЕ7 с помощью ГОИ и модуля индикации. План должен включать разделы, перечисленные в п.1.2 "Общих положений" и обеспечивать проверку всех функциональных возможностей счетчика, а также исследование приоритетов его функций друг относительно друга.

3.1.4. Разработайте на базе счетчика ИЕ7 принципиальную схему делителя с постоянным коэффициентом К_дел и обнулением после прихода в заданное состояние на основе рис. 4.3. По справочнику выберите микросхему И-НЕ в корпусе, включающем три логических элемента. Занесите в отчет условные обозначения этой микросхемы и модуля индикации. Для упрощения процесса сборки схемы нанесите рядом с их цоколевкой номера соответствующих гнезд разъемов XS4 (XS5). Рекомендуемое расположение микросхем: И-НЕ – в колодке 1 переходной панели, счетчик – в колодке 2, МИ – в колодке ­3.

Выявите неиспользуемые возможности микросхем и определите, какие сигналы нужно подавать на соответствующие входы. Составьте соответствующую таблицу соединений, занесите ее в отчет. Составьте в письменной форме план эксперимента по исследованию этой схемы. Определите, какие выходы счетчика нужно подключать к дешифратору состояний (элемент И-НЕ) для каждого значения К_дел =15…2, сведите результаты в таблицу. Укажите, для каких К_дел выходы счетчика можно непосредственно соединять со входом R без дешифратора (без учета необходимости схемы задержки).

3.1.5. Разработайте на базе счетчика ИЕ7 принципиальную схему делителя с постоянным коэффициентом К_дел и предварительной установкой исходного состояния, от которого счет ведется (вверх или вниз) до переполнения счетчика. В цепь "выход переноса – вход разрешения загрузки" введите триггер на логике И-НЕ, соединив его вход S с выходом переполнения счетчика, а вход R – с выходом схемы задержки. Схему задержки выполните на двух элементах Н-НЕ. Ее вход также соедините с выходом переполнения счетчика. По справочнику выберите микросхему И-НЕ в корпусе, включающем нужное число логических элементов. Занесите в отчет условные обозначения этой микросхемы и модуля индикации. Рядом с цоколевкой всех микросхем нанесите номера соответствующих гнезд разъемов XS4 и XS5 (рекомендуемое расположение микросхем: И-НЕ – в колодке 1 переходной панели, счетчик – в колодке 2, МИ – в колодке ­3).

Выявите неиспользуемые возможности микросхем и определите, какие сигналы нужно подавать на соответствующие входы. Составьте соответствующую таблицу соединений, занесите ее в отчет. Составьте план эксперимента по исследованию этой схемы. Определите, какие коды нужно подавать на входы счетчика для каждого значения К_дел =16…2 при счете вверх и вниз, сведите результаты в таблицы.

3.2. Рабочее задание

3.2.1. Выполните на лабораторном стенде коммутацию, необходимую для исследования счетчика по п.­3.1.3, проверьте ее правильность. Включите питание стенда, проверьте наличие на колодках переходной панели напряжений +5 В, 0 В, лог.0, лог.1 и сигналов ГОИ, а также связей между выводами микросхем. Выключите питание стенда.

3.2.2. Установите в колодки микросхемы счетчика и МИ (следите за положением ключей!), включите питание и проведите исследования согласно п.­3.1.3, включая анализ приоритетов. Работу выходов PU и PD удобно наблюдать, подключив к ним вход узла индикации стенда. Если схема функционирует неправильно, найдите ошибку в таблице соединений или в коммутации, пользуясь индикатором логических уровней стенда. Исправьте ошибки, проведите исследования и подготовьте словесное описание работы счетчика.

3.2.3. Выключив питание, соберите схему, разработанную согласно п.­ 3.1.4, проверьте правильность коммутации и проведите исследования, выбрав по согласованию с преподавателем три значения К_дел для счета вверх и одно – для счета вниз. Сверьте результаты с разработанными вами таблицами. Подготовьте словесное описание работы схемы.

3.2.4. Выключив питание, соберите схему, разработанную согласно п.­ 3.1.5, проверьте правильность коммутации и проведите исследования, выбрав по согласованию с преподавателем два значения К_дел для счета вверх и два – для счета вниз. Сверьте результаты с разработанными вами таблицами. Подготовьте словесное описание работы схемы.

3.2.5. Занесите в отчет результаты экспериментов и ВЫВОДЫ по каждой схеме.

4. Контрольные вопросы

1. Дайте общее определение счетчиков, их классификацию и функциональные возможности каждой разновидности.

2. Сравните схемы, приведенные на рисунках 4.1,а и 1.4. Объясните порядок изменения состояния светодиодов в эксперименте по исследованию схемы 1.4.

3. Перечислите способы организации делителей на основе специальных и полных счетчиков.

4. Изобразите структурную схему делителя с переменным К_дел и установкой заданного исходного состояния, дайте описание его работы.

5. Изобразите структурную схему делителя с переменным К_дел и установкой заданного конечного состояния, дайте описание его работы. Объясните, почему в качестве компаратора используют элемент И, на входы которого подают выходные сигналы только с тех разрядов счетчика, которые в состоянии А= К_дел имеют значения лог.1, и почему не контролируют наличие лог.0 на остальных выходах счетчика.

6. Проведите сравнительный анализ различных схем делителей.

7. Приведите схемные решения, улучшающие работу делителей.

8. Перечислите функциональные возможности микросхемы ИЕ7, способы ее перевода в каждый из режимов, приоритеты.

9. Обоснуйте разработанные вами схемы и планы экспериментов, дайте описание работы каждой схемы с демонстрацией временных диаграмм.

Библиографический список

1.  Чертежи схем: учеб. пособие / М.И. Герасимов, Д.А. Ефремов, Е.К. Лахина, C.C. Ревнев, В.Н. Семыкин, И.В. Ткачев. Воронеж: ВГТУ, 2007.

2. СТП ВГТУ 62-2007. Текстовые документы (курсовые работы (проекты), рефераты, отчеты по лабораторным работам, конт­рольные работы). Правила оформления. Воронеж: ВГТУ, 2007.

3. Каган Б.М. Основы эксплуатации ЭВМ. / Б.М. Каган, И.Б. Мкртумян. М.: Энергоатомиздат, 1988.

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. / Е.П. Угрюмов. СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2000.

5. Новожилов О.П. Основы цифровой техники: учебное пособие / О.П. Новожилов. М.: ИП РадиоСофт, 2004.

6. Микроэлектронные устройства автоматики / под ред. А.А.Сазонова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

7. Цифровая и вычислительная техника / под ред. Э.В.Евреинова. М.: Радио и связь, 1991.

8. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: справочник / Г.И. Пухальский, Т.Я. Новосельцева. М.: Радио и связь, 1990.

9. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: справочник. / А.В. Нефедов. М.: ИП РадиоСофт, 2001. Т.5.

10. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. / В.Л. Шило. М.: Радио и связь, 1989.

11. Аванесян Г.Р. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: справочник. / Г.Р. Аванесян, В.П. Левшин. М.:Машиностроение, 1993.

12. Цифровые интегральные микросхемы: справочник / П.П. Мальцев, Н.С. Долидзе, М.И. Критенко и др. М.: Радио и связь, 1994.

13. Лебедев О.Н. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП: справочник / О.Н. Лебедев, А.И. Мирошниченко, В.А. Телец. М.: Радио и связь, 1994.

Содержание

Общие положения 1

1. Организация цикла лабораторных работ 1

2. Краткая инструкция по технике безопасности при выполнении лабораторных работ 4

3. Указания по пользованию приборами 5

Лабораторная работа № 1. Изучение наладочного стенда НС-2, исследование триггеров 6

Лабораторная работа № 2. Синтез и исследование двоичных шифраторов 25

Лабораторная работа № 3. Исследование коммутаторов сообщений 34

Лабораторная работа № 4. Исследование счетчика 41

Библиографический список 51

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторных работ № 1-4 по дисциплине "Цифровая электроника" для студентов специальности 220201 "Управление и информатика в технических системах" очной формы обучения

Составитель Герасимов Михаил Инович

В авторской редакции

Компьютерный набор М.И.Герасимова

Подписано к изданию 16.01.2008.

Уч.-изд. л. 3,2.

ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14

2