Исследование асинхронных счетчиков и регистров в среде NI Multisim 10.1
Методические указания к практическому занятию по курсу «Электротехника и электроника»
Покупка
Новинка
Тематика:
Программирование и алгоритмизация
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 40
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4054-2
Артикул: 837527.01.99
Изложены основные схемотехнические решения, используемые при построении асинхронных суммирующих, вычитающих и реверсивных счетчиков на различных типах триггеров и регистров с последовательным входом и параллельным выходом информации, параллельным входом и последовательным выходом информации. Приведено краткое описание компьютерной программы NI Multisim 10.1 и основные теоретические сведения по построению этих цифровых устройств. Для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров и специалистов факультета «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- ВО - Магистратура
- 13.04.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана В. А. Соболев, А. Б. Красовский Исследование асинхронных счетчиков и регистров в среде NI Multisim 10.1 Методические указания к практическому занятию по курсу «Электротехника и электроника» 1
УДК 621.38 ББК 32.973 С54 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/72/book706.html Факультет «Фундаментальные науки» Кафедра «Электротехника и промышленная электроника» Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве методических указаний Рецензент д-р техн. наук, профессор В. Н. Енин С54 Соболев, В. А. Исследование асинхронных счетчиков и регистров в среде NI Multisim 10.1 : методические указания к практическому занятию по курсу «Электротехника и электроника» / В. А. Соболев, А. Б. Красовский. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 36, [4] c. : ил. ISBN 978-5-7038-4054-2 Изложены основные схемотехнические решения, используемые при построении асинхронных суммирующих, вычитающих и реверсивных счетчиков на различных типах триггеров и регистров с последовательным входом и параллельным выходом информации, параллельным входом и последовательным выходом информации. Приведено краткое описание компьютерной программы NI Multisim 10.1 и основные теоретические сведения по построению этих цифровых устройств. Для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров и специалистов факультета «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника». УДК 621.38 ББК 32.973 © МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4054-2 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 2
Предисловие Асинхронные счетчики и регистры, относящиеся к группе последовательностных цифровых устройств, широко используются в различных устройствах управления и обработки информации. Основным элементом асинхронных счетчиков и регистров является триггер. Триггер — электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, переключаемое внешними управляющими импульсами. Режим работы триггера описывается характеристическим уравнением. Асинхронный счетчик — цифровое устройство, синтезированное на триггерах и логических элементах, для счета и запоминания числа поступивших на его вход импульсов. В асинхронных счетчиках переключение триггеров происходит последовательно (асинхронно). Они могут работать в суммирующем, вычитающем и реверсивном режимах, а кроме того, в режиме делителя частоты. Делитель частоты — устройство, которое при подаче на его вход периодической последовательности прямоугольных импульсов формирует на его выходе такую же последовательность импульсов, но имеющую частоту повторения импульсов, в некоторое число раз меньшую, чем частота исходного входного сигнала. Регистр — цифровое устройство, осуществляющее хранение, преобразование и выдачу поступившей числовой информации в определенном коде и последовательности, синтезированное также на триггерах и логических элементах. Регистры различаются по принципу работы, способу ввода-вывода информационных сигналов — последовательного, параллельного и смешанного типов. Регистры с последовательным вводом и параллельным выводом информации называют SIPO (Serial Input — Parallel Output), а с параллельным вводом и последовательным выводом информации — PISO (Parallel Input — Serial Input). Возможны и другие комбинации типов входов и выходов. Цель практического занятия — изучение режимов работы JK-триггера, различных типов асинхронных счетчиков и регистров с использованием программной среды NI Multisim 10.1. 3
Краткие сведения о компьютерной среде NI Multisim 10.1 Компьютерный программный продукт NI Multisim 10.1, разработанный корпорацией National Instruments (NI), позволяет анализировать различные схемы электротехнических устройств, в том числе и цифровых в формате SPICE, что очень важно, поскольку моделирование проводится на близкой к реальной элементной базе. В свою очередь, элементная база продукта позволяет реализовывать большое количество электротехнических и электронных устройств с имитацией работы реальных приборов. Запуск программы NI Multisim 10.1 осуществляется с рабочего стола компьютера с помощью установленного там ее ярлыка. После запуска появляется главное окно программы, в котором собирается исследуемая расчетная схема из требуемых элементов (компонентов), расположенных в разных разделах библиотеки программы (базы данных). Внешний вид панели библиотеки показан на рис. 1. Рис. 1. Панель элементов Components Библиотека содержит 16 разделов: Sources (1) — группа источников напряжения, генераторов напряжения, заземление; Analog (2) — группа аналоговых интегральных микросхем; Basic (3) — группа пассивных элементов, переключателей и реле; Transistor (4) — группа биполярных и полевых транзисторов; Diode (5) — группа различных диодов, тиристоров и выпрямительных мостов; Power (6) — группа преобразователей напряжения, стабилитронов и предохранителей; TTL (7) — группа логических элементов серии ТТЛ1; CMOS (8) — группа логических элементов и микросхем серии КМОП2; 1 Транзисторно-транзисторная логика. 2 Комплементарный металлооксидный полупроводник. 4
Electromechanical (9) — группа электромеханических устройств; Indicator (10) — группа индикаторных и измерительных устройств (пробники, индикаторы, амперметры и вольтметры); Place Miscellaneous (11) — группа смешанных элементов (электронные лампы, фильтры, длинные линии); Place Misc Digital (12) — группа различных микросхем высокой степени интеграции (триггеры, регистры, счетчики, элементы памяти, микропроцессоры, логические интегральные схемы); Place Mixed (13) — группа микросхем смешанного типа; RF (14) — группа радиочастотных элементов (высокочастотные конденсаторы и катушки индуктивности, волноводы, СВЧ-транзисторы, туннельные диоды); Advanced Peripherals (15) — группа современных периферийных устройств (набор клавиш, жидкокристаллические индикаторы); MCU Module (16) — группа микроконтроллеров. Любой раздел библиотеки открывается при нажатии соответствующего значка на панели, после чего в рабочем окне появляется меню выбора элементов (Select Component). Выбрав необходимый элемент для его размещения в рабочем окне, надо нажать кнопку ОК. Процесс синтеза схемы начинается с размещения в рабочем окне программы нужных компонентов и приборов из библиотеки на панели инструментов с последующим их соединением «проводниками» между собой. Изменение расположения элементов схемы осуществляется стандартным приемом их перетаскивания внутри рабочего окна. После того как схема собрана, процесс моделирования начинается с нажатия кнопки «Пуск» (см. рис. 1), а остановка моделирования — нажатием кнопки «Стоп». Чтобы удалить линию соединения между элементами схемы, нужно щелкнуть на ней правой клавишей мыши (на концах этой линии появятся квадратики) и затем нажать клавишу Delete. Для поворота или разворота элемента его нужно выделить, открыть раздел меню Edit и выбрать нужное действие. Задания и порядок выполнения работы Задание 1. Исследовать полную таблицу переходов JK-триггера, вывести его характеристические уравнения. 1.1. Запустить программу Multisim 10.1. В рабочем окне программы собрать схему, показанную на рис. 2. Источник питания VDD, заземление GND находятся в разделе Sources; ключ — в разделе Basic / SWITCH / тип SPST; JK-триггер — в разделе Place Misc Digital; индикатор Х1 — в разделе Indicator / PROBE. JK-триггер принимает входную информацию при поступлении переднего фронта синхроимпульса на вход CLK (синхронизация по перепаду напряжения от 0 к 1 ), т. е. при замыкании ключа КС. В табл. 1 буква Р означает, что данный контакт разомкнут. 1.2. Включить процесс моделирования. Проведя последовательные переключения ключами KJ и KK, заполнить таблицу переходов JK-триггера по 5
показаниям индикатора Х1 (прямой выход триггера) и определить режимы его работы. Таблица 1 Последовательность переходов JK-триггера КС KS KR Jt Kt Qt Qt+1 Режим Р Р 0 0 0 Р Р 0 0 1 Р Р 0 1 0 Р Р 0 1 1 Р Р 1 0 0 Р Р 1 0 1 Р Р 1 1 0 Р Р 1 1 1 Рис. 2. Схема исследования режимов работы JK-триггера 1.3. С помощью устройства Logic Converter получить выражение для характеристического уравнения JK-триггера, считая Jt, Kt и Qt переменными, а Qt+1 — логической функцией этих переменных. 1.4. Повторить моделирование аналогично п. 1.2 с поочередно замкнутыми ключами KS и KK, т. е. составить две таблицы переходов триггера (табл. 2, 3) при KS — З (замкнут), KR — Р (разомкнут) и наоборот: KS — Р (разомкнут), KR — З (замкнут). 6
Таблица 2 Последовательность переходов JK-триггера КС KS KR Jt Kt Qt Qt+1 Режим З Р 0 0 0 З Р 0 0 1 З Р 0 1 0 З Р 0 1 1 З Р 1 0 0 З Р 1 0 1 З Р 1 1 0 З Р 1 1 1 Таблица 3 Последовательность переходов JK-триггера КС KS KR Jt Kt Qt Qt+1 Режим Р З 0 0 0 Р З 0 0 1 Р З 0 1 0 Р З 0 1 1 Р З 1 0 0 Р З 1 0 1 Р З 1 1 0 Р З 1 1 1 1.5. Отчет по заданию 1 должен содержать: • цель задания, копию экрана (PrtScr) исследуемой схемы, таблицы переходов, полученные по п. 1.2 и 1.4; • описание используемого триггера, назначение всех его выводов, способы установки его в начальное состояние; • характеристическое уравнение; • определение по таблице переходов условия работы JK-триггера в режиме Т- триггера; • выводы по режимам работы триггера. Задание 2. Исследовать режимы работы асинхронного четырехразрядного реверсивного счетчика на Т-триггерах. 2.1. Открыть новый лист моделирования в рабочем окне программы. Для этого остановить моделирование по предыдущему заданию и нажать кнопку New на панели Меню. 2.2. В разделе Place Misc Digital найти T_FF-триггер, элементы NAND и AND_OR_I. Разместить их в рабочем окне программы. На панели инструментов найти функциональный генератор XFG1 (Function Generation). В разделе Indicator выбрать элемент DCD HEX, а также найти элементы 7
NAND и AND_OR_I. Собрать схему реверсивного асинхронного счетчика с модулем счета 16 согласно рис. 3. Параметры генератора XFG1 установить в соответствии с рис. 4. Включить моделирование и убедиться, что счетчик функционирует. Направление счета изменять переключением двухпозиционного ключа К. 2.3. Открыть новый лист моделирования в рабочем окне программы. Для этого остановить моделирование по предыдущему заданию и нажать кнопку New на панели Меню. Скопировать предыдущую схему во вновь открывшемся рабочем окне. Дополнить предыдущую схему логическими элементами в соответствии с рис. 5. 2.4. Установить ключи в следующие положения: ключ К на режим суммирования, К1-Р (разомкнут). Включить моделирование: • убедиться, что счетчик работает в режиме остановки счета; • замкнуть, а потом разомкнуть ключ К. Убедиться, что счетчик вновь заработал в режиме счета с остановкой счета; • остановить моделирование. Рис. 3. Схема исследования режимов работы реверсивного асинхронного счетчика 8
Рис. 4. Диалоговое окно установки параметров генератора XFG1 Рис. 5. Схема исследования режимов работы реверсивного асинхронного счетчика с остановкой счета 9
2.5. Переключить ключ К на режим вычитания, включить моделирование: • определить, на какой цифре остановится счет; • замкнуть, а потом разомкнуть ключ К3. Убедиться, что счетчик вновь заработал в режиме счета с остановкой счета. 2.6. По результатам проведенных исследований определить принцип работы асинхронного счетчика с остановкой счета. 2.7. Сделать необходимые переключения в схеме, чтобы счетчик останавливал счет в режиме суммирования на цифре 7. Данный режим работы показать преподавателю. 2.8. Открыть новый лист моделирования в рабочем окне программы. Для этого остановить моделирование по предыдущему заданию и нажать кнопку New на панели Меню. Скопировать схему (см. рис. 3). Во вновь открывшемся рабочем окне расположить дешифратор DCD4TO16, который находится в разделе Place Misc Digital (рис. 6). Рис. 6. Исходная схема для синтеза асинхронного счетчика с ограничением счета с помощью дешифратора 2.9. Провести необходимые соединения, чтобы счетчик работал в суммирующем режиме с ограничением счета до 10. Работу счетчика показать преподавателю. 2.10. Отчет по заданию 2 должен содержать: • цель задания, PrtScr исследуемых схем; • выводы по заданию — описание принципа построения асинхронного реверсивного счетчика, а также способов изменения модуля счета и режимов работы. 10