10. Арифметические сумматоры

Арифметические сумматоры являются составной частью так называемых арифметико-логических устройств (АЛУ) микропроцессоров (МП). Они используются также для формирования физического адреса ячеек памяти в МП с сегментной организацией памяти. В программе EWB арифметические сумматоры представлены в библиотеке Digital двумя базовыми устройствами, показанными на рис. 10.1: полусумматором и полным сумматором. Они имеют следующие назначения выводов: А, В – входы слагаемых, Σ – результат суммирования, Со – выход переноса, Ci – вход переноса. Многоразрядный сумматор создается на базе одного полусумматора и n полных сумматоров. В качестве примера на рис. 10.2 приведена структура трехразрядного сумматора [20]. На входы Al, A2, A3 и Bl, B2, В3 подаются первое и второе слагаемые соответственно, а с выходов S1, S2, S3 снимается результат суммирования.

а) б)

Рисунок 10.1. Схемы полусумматора (а) и полного сумматора (б)

Рисунок 10.2. Трехразрядный сумматор

Для исследования внутренней структуры и логики функционирования сумматоров как нельзя лучше подходит логический преобразователь. После подключения полусумматора к преобразователю согласно рис. 10.3, а последовательно нажимаем кнопки и в результате получаем таблицу истинности и булево выражение. Сравнивая полученные данные с результатами исследования базовых логических элементов в предыдущем разделе, приходим к выводу, что при подключении вывода (полусумматора к зажиму OUT преобразователя (как показано на рис. 10.3,а) он выполняет функции элемента исключающее ИЛИ. Подключив клемму OUT преобразователя к выходу Со полусумматора и проделав аналогичные действия, приходим к выводу, что в таком включении полусумматор выполняет функции элемента И. Следовательно, эквивалентная схема полусумматора имеет вид, показанный на рис. 10.4.

Схема включения четырехразрядного АЛУ на базе серийной микросхемы 74181 (отечественный аналог К155ИП3) показана на рис. 10.5. ИМС 74181 обеспечивает 32 функции работы АЛУ в зависимости от состояния управляющих сигналов на входе М и параллельных входах S0...S3, а также допускает наращивание разрядности (вход CN и выход CN<4 для переносов). Если на входе М напряжение высокого уровня, то запрещаются все внутренние переносы, и микросхема будет исполнять логические операции поразрядно. При напряжении низкого уровня на входе М переносы разрешаются, и будут выполняться арифметические операции над двумя четырехразрядными словами. За счет внутренней схемы управления переносом (СУП) сигнал переноса на выходе С_n+4 появляется при каждом входном сигнале переноса, поступившем на вход С_n. Для организации переноса между корпусами АЛУ, объединяемыми в многоразрядную схему, используются выходы – распространения переноса и– генерации переноса. Показанная на рис. 10.5 схема включения ИМС соответствует режиму сумматора без переноса. Значения четырехразрядных операндов А и В на входе задаются с помощью генератора слова и в шестнадцатеричном коде отображаются одноименными алфавитно-цифровыми индикаторами. На выходах F0...F3 результат суммирования отображается индикатором F. Изменяя состояния сигналов на управляющих входах, можно промоделировать большинство функций АЛУ, используемых в микропроцессорах. Режимы работы генератора слова в схеме и его кодовый набор показаны соответственно на рис. 10.5 и на рис. 10.6.

а) б)

Рисунок 10.3. Схемы подключения полусумматора (а) и полного сумматора (б) к логическому преобразователю

Рисунок 10.4. Структура библиотечного полусумматора

Рисунок 10.4. Настройка генератора слова для схемы на рис. 9.13

Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличается полусумматор от полного сумматора?

2. Выясните внутреннюю структуру полного сумматора, пользуясь схемой его подключения к логическому преобразователю на рис. 10.3, б и принимая во внимание методику решения аналогичной задачи для полусумматора.

3. Используя опыт работы со схемой на рис. 10.5, подключите ко входам трехразрядного сумматора на рис.10.2 генератор слова, а к выходам — алфавитно-цифровой индикатор с дешифратором и проверьте правильность его функционирования.

4. Проверьте работу ИМС 74181 в режиме сумматора с переносом (на вход Сn подайте сигнал логического нуля).

Рисунок 10.5. Схема включения ИМС 74181 в режиме сумматора без переноса

Лабораторная работа 11

Проектирование цифровых устройств в пакете Electronics Workbench

Цель работы – Изучить работ сумматоров с использованием пакета Electronics Workbench.

Рисунок 1. Принципиальная схема таймера

Предлагаемый таймер реализован на микросхеме К561ТМ2 (аналог 4013), содержащей два D-триггера с независимыми входами установки в нулевое (R) и единичное (S) состояние. Вместо двух кнопок «Пуск» и «Стоп» используется одна кнопка.

Благодаря соединению инверсного выхода с информационным входом D (вывод 5) триггер DD1.1 работает в счетном режиме. Управляющие импульсы подаются на вход синхронизации С (вывод 3). Известно, что триггер срабатывает по фронту положительного импульса на этом входе и повторяет на прямом выходе (вывод 1) логический уровень входа D, присутствующий на нём до прихода импульса.

Триггеры

Ввычислительной технике широкое применение получили триггеры. Откуда взялось столь необычное название? Поскольку многие слова, и это в том числе, пришли в электронику и вычислительную технику из английского языка, полистаем англо-русский словарь: «Триггер (trigger) – защелка, спусковой крючок». Сразу всплывают в памяти рассказы об охотниках, индейцах... Стараясь не шуметь, не наступить ненароком на сухую ветку, охотники пробираются по звериной тропе. Цель где-то близко. Слабый щелчок – и курок ружья взведен. Пусть ружье старое, но спусковой механизм смазан и отрегулирован, теперь достаточно легкого нажима, и грянет выстрел. Точно так же работает триггер – устройство, которое может находиться в двух устойчивых состояниях: взведен – «1», спущен – «0». Причем в каждом из состояний триггер может пребывать как угодно долго. Внешнее воздействие нужно только для переключения триггера из одного состояния в другое. Собственно, такими свойствами обладает выключатель электрической лампы в вашей комнате. Но в охотничьем ружье и в выключателе триггерные свойства обеспечиваются механически (пружинками, контактами), а в устройствах вычислительной техники – электронными приборами.

Триггер можно изготовить, используя два логических элемента микросхемы К155ЛАЗ. Два входа соединяют крест-накрест с выходами логических элементов, а два других используют как установочные. Вход S (set) – «установка», вход R (reset) – «сброс». Если вход S соединить длинным проводом на короткое время с «минусом» источника тока, то на вы-

ходе 3 верхнего логического элемента появится сигнал высокого логического уровня, что обнаруживается по свечению светодиода HL2. Сигнал высокого логического уровня воздействует на вход 4 второго логического элемента, и на выходе последнего наблюдается сигнал низкого логического уровня (светодиод HL1 не светится). Триггер «защелкнется» и будет находиться в этом состоянии до тех пор, пока не подадут сигнал высокого логического уровня на вход R.

Используя монтажную плату, сделайте триггер и пронаблюдайте его работу: присоедините длинный проводник одним концом к «минусу» источника тока, а вторым концом касайтесь по очереди то контакта 1, то контакта 5 микросхемы. Триггер с раздельными входами называют RS-триггером. Во многих устройствах вычислительной техники и автоматики он выполняет роль запоминающего устройства, т.к., находясь в одном из устойчивых состояний, «помнит» его до тех пор, пока «стирающий» сигнал не переведет его в другое устойчивое состояние. Обозначается триггер прямоугольником, разделенным на основное (буква T) и вспомогательное поля. S и R – входы, Q1 и Q2 – выходы.

Двухтональный генератор

Соединяя два или несколько генераторов (мультивибраторов) между собой определенным образом, можно получать имитаторы различных звуков (звуковой сирены, выстрелов, собачьего лая, электронного соловья, мяукающего котенка и т.п.). Их можно использовать в качестве квартирного звонка или электронной «начинки» бытовых приборов или игрушек. Следует оговориться, что любая электронная схема, даже самая простая, требует настройки. Поэтому в двухтональных (многотональных) генераторах обязательно используйте переменные резисторы. Меняя их сопротивление, легко добиться желаемого звучания.

Электронный звонок. Как видно из принципиальной схемы, здесь два независимых мультивибратора, один из которых служит источником колебаний звуковой

Принципиальная схема электронного звонка

частоты, а второй – прерывателем этих колебаний. Первый генератор, содержащий конденсатор C2, генерирует колебания частотой 1000 Гц. Второй генератор вырабатывает импульсы, следующие с частотой 1 Гц, которые задают частоту прерываний звукового сигнала. Используя монтажную плату с микросхемой К155ЛАЗ, соберите генератор, проверьте его работу, настройте на желаемое звучание, используя наушники, или, что лучше, подключив небольшой усилитель с громкоговорителем.

Электромузыкальный инструмент

ЭМИ (электромузыкальный инструмент), который мы предлагаем сконструировать, не может соперничать с настоящим, но игрушка получается забавной. Электронная начинка любого ЭМИ – генератор, в нашем случае – мультивибратор. Частота генератора меняется за счет переключения резисторов R1–R7 (100  2200 Ом).

Принципиальная схема ЭМИ

Каждый резистор подбирается при настройке по частоте звучания. В качестве клавиш можно использовать контакты 1–7, прикасаясь к ним концом провода. Для изготовления платы с контактами используйте кусочек гетинакса или текстолита размером 1,5  5 см. Сами контакты можно изготовить из полосок жести или проволок.

Используя монтажную плату с микросхемой К155ЛАЗ, соберите схему электронного музыкального инструмента. Подключите абонентский громкоговоритель к выводу «С» и «минусу» батарейки. Проверьте, исправно ли работает генератор. Затем настройте ЭМИ. Подбирая и заменяя резисторы R1–R7, добейтесь соответствия звучания нотам одной октавы.