ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

Лабораторная работа «Логические элементы средней степени интеграции»

Самара 2011

Содержание

Цель работы 3

Подготовка оборудования к выполнению лабораторной работы 4

Методические указания 6

Шифратор 6

Дешифратор 7

Генератор слов 9

Логический анализатор 11

Инвертор 13

Индикатор 14

Полусумматор 15

Полный сумматор 16

Источник напряжения 5V 17

Декодированный семисегментный дисплей 18

Задания на выполнение лабораторной работы 19

Задание 1. Исследование шифратора 19

Задание 2. Исследование дешифратора 22

Задание 3. Исследование дешифратора 74154 25

Задание 4. Исследование полусумматора 29

Задание 5. Исследование полного сумматора 31

Содержание отчёта 33

Контрольные вопросы 34

Цель работы: изучить способы формального описания работы комбинационных схем средней степени интеграции: шифраторов, дешифраторов, сумматоров и способов их моделирования.

Подготовка оборудования к выполнению лабораторной работы

Настоящая методическая разработка посвящена описанию лабораторной работы, которую выполняют на компьютере с помощью программы Electronics Workbench – версия 5.12.

К достоинствам данной программы следует отнести: возможность моделировать электронную схему; возможность изменять параметры элементов схемы и входного сигнала и наблюдать их влияние на измеряемые параметры; возможность имитации пользования различными измерительными приборами.

Пользуясь (смотрите рисунок выше) библиотекой компонентов, можно найти необходимые для создания схемы компоненты и перенести их на рабочее поле окна. Символ компонента переносится в окно построения схемы с помощью мыши при нажатой левой кнопке. При двойном щелчке по выбранному компоненту (или по контекстному вызову) открывается окно, с помощью которого устанавливаются требуемые параметры.

После размещения компонентов схемы производится их соединение с помощью проводников. Для подключения проводника курсор с помощью мыши подводится к выводу элемента. После появления черной точки следует нажать левую кнопку мыши и, удерживая ее, потянуть проводник к выводу другого элемента до появления на нем такой же черной точки.

После построения схемы программа моделирования активизируется кнопкой

в правом верхнем углу окна.

Методические указания

Шифратор

Шифратор - КЦУ, которое получает активный сигнал на одном из входов и формирует соответствующий двоичный код на выходах.

Активным сигналом в шифраторе (задание 1) является ноль. К выходам шифратора подключены три инвертора, что облегчает восприятие закодированной информации в двоичном коде.

У исследуемого шифратора входные зажимы обозначены цифрами 0, 1,…, 7. Выходы обозначены символами А0, А1, А2. Шины E0, E1, GS являются управляющими.

"Светящийся" индикатор соответствует логической единице, а потухший – логическому нулю.

В системе EWB индикаторы можно выбрать на панели радиоэлементов, либо с помощью главного меню: Window – Indicators.

Дешифратор

Дешифратор – КЦУ, на входы которого подаются двоичные коды, а активный сигнал появляется лишь на одном из нескольких выходов.

Во втором задании активным выходным сигналом является логическая единица. В третьем задании активным выходным сигналом является логический ноль.

Во втором задании входные сигналы подаются на шины A, B, C. Входы G2A, G2B, G1 являются управляющими. На вход G1 необходимо подать логическую 1. Это сделано с помощью источника напряжения +5V.

В третьем задании входные сигналы подаются на входы A, B, C, D. Выходные шины обозначены цифрами: 0, 1, …, 15. Входы G1 и G2 являются управляющими. К микросхеме подключен источник питания (зажимы GND и VCC).

Исследование КЦУ удобно производить в пошаговом режиме генератора слов, либо в цикле на частоте 1 Гц.

Генератор слов (Word Generator)

Генератор слов позволяет формировать последовательность цифровых сигналов, появляющихся сразу на шестнадцати линиях. Развернутое изображение генератора слов показано на следующем рисунке. Чтобы получить развернутое изображение нужно дважды щелкнуть по изображению прибора.

В данном случае частота генератора слов установлена в 1 кГц (Frequency). Выбран пошаговый режим развертки (Step). Подсвечено (оно присутствует на выходе генератора) одиннадцатое слово, в графе Current значение 000B (в шестнадцатеричной системе счисления) означает 11 (в десятичной системе счисления), следует учитывать, что нумерация слов начинается с нуля. На рисунке в нашем случае на выходе генератора слов имеется слово 000C (в шестнадцатеричной системе счисления), также это слово отображается внизу (под Binary) 0000000000001100 (в двоичной системе счисления).

Чтобы установить в генераторе слов нужную комбинацию двоичных разрядов (то есть слово, байт), следует напечатать её в графе Binary, после ввода Ваше слово отобразится в колонке слов в шестнадцатеричной системе счисления. Можно также записать нужное слово в колонку слов в шестнадцатеричной системе счисления, и оно автоматически отобразится в графе Binary в двоичном представлении. При установке нужных битов изображение генератора должно быть предварительно развернуто.

Примечание: генератор слов по умолчанию формирует последовательность всех сигналов, присутствующих в колонке слов. Если же нам нужно выработать определённое число сигналов, то в поле Final необходимо указать номер сигнала в шестнадцатеричной системе счисления (нумерация начинается с нуля), который должен быть выработан последним. Или поставить курсор на то слово, которое должно вырабатываться последним и скопировать значение из поля Edit (там отображается номер текущего слова в шестнадцатеричной системе счисления) в поле Final.

При пошаговом режиме работы генератора (Step) нужно нажимать соответствующую кнопку (Step). При нажатии будет формироваться очередное слово из колонки слов.

Самый старший разряд в генераторе слов соответствует крайнему левому выходу.

Логический анализатор (Logic Analyzer)

Логический анализатор позволяет одновременно наблюдать сигналы, поступающие по шестнадцати каналам. На рисунке видны сигналы, поступившие от восьми источников.

Примечание: чтобы логический анализатор корректно отображал временные диаграммы, нужно рядом с надписью Clock нажать кнопку Set… и в открывшемся окне задать в поле Internal clock rate точно такую же величину, как и в поле Frequency генератора слов (в данном примере установлено 1 кГц).

Инвертор (NOT Gate)

Инвертор – это логический элемент, выполняющий логическую операцию НЕ. Инвертор имеет один вход и один выход. Таким образом, если на вход инвертора подан логический ноль, то на выходе получится логическая единица, и наоборот, если на вход инвертора подана логическая единица, то на выходе получится логический ноль.

Индикатор, светодиод, светоиндикатор (Red Probe)

Индикатор – это элемент, использующийся в цифровых схемах для определения уровня сигнала. Индикатор имеет один вход. Так, если на него поступает логическая единица, то индикатор «светится», а если поступает логический ноль, то индикатор остаётся «потухшим».

Полусумматор (Half-Adder)

Полусумматор - это устройство, производящее сложение двух одноразрядных двоичных чисел без учета переноса предыдущего разряда.

Полусумматор имеет два входа: вход «A» и вход «B» и два выхода: выход « » и выход переноса в старший разряд (« »).

Полный сумматор (Full-Adder)

Полный сумматор - это устройство, производящее сложение трёх одноразрядных двоичных чисел, одно из которых является переносом из предыдущего разряда.

Полный сумматор имеет три входа: вход «A», вход «B» и вход переноса из предыдущего разряда (« ») и два выхода: выход « » и выход переноса в старший разряд (« »).

Источник напряжения 5V, источник логической единицы (+Vcc Voltage Source)

Данный элемент является удобным источником напряжения в размере 5 вольт. Он используется в цифровых схемах тогда, когда требуется выработать логическую единицу.

Примечание: логическая единица соответствует высокому напряжению на входе элемента, а логический ноль – низкому уровню напряжения.

Декодированный семисегментный дисплей (Decoded Seven-Segment Display)

Этот элемент отображает полученный 4-разрядный двоичный код соответствующей 16-ричной цифрой (0-9 и A-F). Элемент имеет 4 входа: «1», «2», «3» и «4», которые соответствуют разрядам двоичного числа. Так, если мы подадим на входы «1» и «3» логический ноль, а на входы «2» и «4» логическую единицу, то это будет соответствовать числу 1010 в двоичной системе счисления. При таких сигналах дисплей отобразит нам на своём экране «A», так как 1010 (в двоичной системе счисления) равно 10 (в десятичной системе счисления) и равно A (в шестнадцатеричной системе счисления).