Проектирование синхронного счетчика с произвольным порядком счета
Покупка
Новинка
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 24
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
Артикул: 837849.01.99
Приведены варианты задания по проектированию синхронного счетчика mod7 с произвольным порядком счета для использования в автомате управления технологическим процессом и пример поэтапного выполнения расчета и последующего моделирования его функционирования в программной среде NI Multisim 10.1. Дана последовательность сборки схем и проведения моделирования в виртуальной лаборатории. Практические занятия выполняются с целью закрепления теоретических знаний и приобретения навыков работы в программной среде моделирования цифровых устройств Multisim 10.1 по дисциплине «Электротехника и электроника».
Для студентов 4-го курса 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
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
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 А.Б. Красовский, В.А. Соболев ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИНХРОННОГО СЧЕТЧИКА С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ПОРЯДКОМ СЧЕТА Методические указания к практическому занятию в компьютерном классе по курсу «Электротехника и электроника» Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2012
УДК 621.3 ББК 31.27-02 К78 Рецензент В.Ф. Судаков К78 Красовский А.Б. Проектирование синхронного счетчика с произвольным порядком счета : метод. указания / А.Б. Красовский, В.А. Соболев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 19, [5] с. : ил. Приведены варианты задания по проектированию синхронного счетчика mod7 с произвольным порядком счета для использования в автомате управления технологическим процессом и пример поэтапного выполнения расчета и последующего моделирования его функционирования в программной среде NI Multisim 10.1. Дана последовательность сборки схем и проведения моделирования в виртуальной лаборатории. Практические занятия выполняются с целью закрепления теоретических знаний и приобретения навыков работы в программной среде моделирования цифровых устройств Multisim 10.1 по дисциплине «Электротехника и электроника». Для студентов 4-го курса факультета «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника». Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК ФН МГТУ им. Н.Э. Баумана. УДК 621.3 ББК 31.27-02 c ⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012
ВВЕДЕНИЕ Синхронные счетчики, выполняемые на базе триггеров различного типа, широко используются в схемах автоматизации технологических процессов, например в технологических линиях массового производства однотипных деталей или в линиях их сборки по определенному циклу. В них синхронный счетчик выполняет функции синхронного импульсного автомата, имеющего в общем случае М(Q1, . . . , Qn) различных внутренних состояний, которые циклически изменяются под действием синхросигнала. Число n определяет разрядность счетчика, а число М, кодируемое выходными сигналами триггеров Q1, . . . , Qn, — коэффициент его счета. Максимальное значение М в десятичной системе счисления называют модулем (mod) синхронного счетчика. В настоящее время при проектировании цифровых электронных устройств широко используется специализированная программная среда Multisim 10.1 корпорации National Instruments. На практическом занятии в зависимости от варианта задания студенты проектируют синхронный счетчик по модулю 7 на D- или JK-триггерах.
Цель практического занятия — получение практических навыков проектирования синхронного счетчика с использованием характеристических уравнений триггеров и программной среды Multisim 10.1. 1. ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Спроектировать синхронный счетчик по модулю 7 (mod7) с произвольным порядком счета. Предварительно на его вход подается сигнал блока установки начальных условий, а затем на него поступают синхроимпульсы, переводящие счетчик в последующие заданные состояния. Выходными сигналами устройства являются сигналы Q3, Q2, Q1. Провести моделирование его работы с использованием программной среды Multisim 10.1. При выполнении практического занятия необходимо: 1. Изобразить блок-схему и граф функционирования проектируемого устройства с указанием входных и выходных сигналов. 2. Составить таблицу состояний проектируемого устройства в соответствии с полученным вариантом задания. 3. Выполнить поэтапное проектирование устройства с использованием характеристических уравнений заданного типа триггеров — получить уравнения входной логики, определяющие связь входных сигналов, для каждого триггера с их выходными сигналами, для получения заданной последовательности сигналов Q3, Q2, Q1. 4. В соответствии с блок-схемой и полученными уравнениями входной логики собрать модель устройства в среде Multisim 10.1 и провести моделирование работы спроектированного устройства. В случае его надлежащего функционирования сделать копию экрана монитора (Prt Scr), на котором должно быть отображено 4
начальное значение сигнала на счетчике, и приложить рисунок к отчету. В противном случае необходимо искать ошибки в расчете и в модели. Варианты задания представлены в табл. 1. Для каждого варианта указаны последовательность цифр, которые счетчик должен генерировать в двоичном коде на выходе при поступлении на его вход синхросигналов, а также тип триггеров, на которых должен быть выполнен счетчик. Таблица 1 Номер варианта Генерируемая последовательность цифр Тип триггера 1 6, 1, 3, 0, 5 D 2 4, 2, 3, 6, 7, 5 D 3 6, 4, 3, 0, 2, 1, 7 JK 4 0, 2, 4, 3, 1, 6, 5, 7 JK 5 2, 4, 1, 3, 5, 7, 6, 0 JK 6 1, 7, 4, 6, 0, 3, 2 D 7 1, 4, 3, 7, 6, 5, 0, 2 JK 8 4, 3, 1, 6, 5, 7, 2 JK 9 6, 1, 3, 4, 2, 7 D 10 3, 4, 5, 2, 0, 1, 7, 6 JK 11 6, 1, 7, 2, 3 D 12 3, 5, 2, 1, 0, 7, 4, 6 JK 13 7, 6, 4, 5, 3, 1 D 14 2, 4, 3, 7, 6, 5, 1, 0 JK 15 5, 6, 3, 2, 0, 1, 7, 7 JK 16 5, 2, 7, 1, 3, 6 D 17 1, 7, 3, 6, 4, 5, 0, 2 JK 18 7, 6, 3, 5, 4, 2 D 19 5, 6, 0 3, 7 D 5
Окончание табл. 1 Номер варианта Генерируемая последовательность цифр Тип триггера 20 7, 4, 3, 5,1, 0, 2, 6 JK 21 3, 4, 5, 0, 7, 6 D 22 4, 5, 6, 3, 2, 1, 7 JK 23 1, 3, 2, 5, 7, 6, 0, 4 JK 24 5, 3, 6, 1, 0, 2, 7, 4 JK 25 7, 5, 6, 3, 4, 0, 1, 2 JK 2. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ Предположим, что десятичные коды выходных сигналов, проектируемого счетчика заданы последовательностью чисел: 7, 4, 3, 5, 1, 0, 2, 6. Обратим внимание на то, что первое число здесь указывает начальное (исходное) состояние выходных сигналов счетчика. Рассмотрим проектирование такого счетчика на JK- и D-триггерах. Этап 1. Составляем блок-схему разрабатываемого устройства (рис. 1) и его граф переходов (рис. 2). Рис. 1 Показанный на рис. 1 блок генерирования управляющих сигналов является генератором прямоугольных синхроимпульсов, по переднему фронту которых автомат изменяет свое внутреннее состояние. Он может работать в автономном и в ждущем режимах 6
Рис. 2 или в режиме синхронизации от внешних сигналов, что позволяет изменять временную последовательность появления синхроимпульсов в соответствии с технологическим процессом. Блок установки начальных условий является источником напряжения высокого уровня (+ 5 В). Обратим внимание на то, что проектирование этих блоков не предусмотрено в задании практического занятия. Этап 2. Составляем таблицу истинности проектируемого трехбитового двоичного синхронного счетчика (табл. 2), в которой для каждого триггера предусмотрены столбцы tn и tn+1. В них отображаем текущее и последующее состояния триггеров при подаче на них каждого синхроимпульса. В качестве булевых функций Таблица 2 Состояние Q3t Q2t Q1t Q3t+1 Q2t+1 Q1t+1 7 1 1 1 1 0 0 4 1 0 0 0 1 1 3 0 1 1 1 0 1 5 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 0 1 0 1 1 0 6 1 1 0 1 1 1 7
здесь выбраны функции, представленные в столбцах Q3t+1, Q2t+1 и Q1t+1, аргументами которых являются наборы значений переменных, представленных в столбцах Q3t, Q2t и Q1t соответственно. Начальное состояние счетчика 111 отображено в первой строке для момента времени t. После подачи первого синхроимпульса в момент времени t+1 счетчик должен перейти в состояние 100. После восьмого синхроимпульса счетчик должен вернуться в исходное состояние — окончание цикла. Затем цикл работы счетчика повторяется. Столбцы Q3t+1, Q2t+1 и Q1t+1 формируются по значениям столбцов Q3t, Q2t и Q1t соответственно путем записи требуемого следующего значения в каждом столбце. Заполненная таблица истинности однозначно определяет требуемую функцию счетчика. Этап 3. Составляем уравнения счетчика по таблице истинности в СДНФ: Q3t+1 = Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t; Q2t+1 = Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t; Q1t+1 = Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2tQ1t. (1) Минимизируем уравнения (1) с помощью блока Logic Converter, расположенного на панели инструментов cреды Multisim 10.1. Для этого открываем диалоговое окно блока Logic Converter, где задаем таблицу истинности булевой функции трех переменных для Q3t+1, Q2t+1 и Q1t+1 в соответствии с исходной таблицей истинности счетчика. Получаем систему уравнений Q3t+1 = Q2t; Q2t+1 = Q1t; Q1t+1 = Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2t + Q3tQ1t. (2) Этап 4. Составляем характеристические уравнения для JK- и D-триггеров. 4.1. Счетчик на JK-триггерах: Характеристическое уравнение для JK-триггера имеет вид Qt+1 = JtQt + KtQt. С учетом системы уравнений (2) для трех триггеров получаем систему трех характеристических уравнений 8
Q3t+1 = J3tQ3t + K3tQ3t; Q2t+1 = J2tQ2t + K2tQ2t; Q1t+1 = J1tQ1t + K1tQ1t. (3) Определяем логические связи путем сравнения коэффициентов уравнений (2) и (3) в выражениях Qt+1 для каждого триггера. Например, записываем уравнение счетчика для третьего триггера из системы уравнений (2) Q3t+1 = Q2t и его характеристическое уравнение из системы уравнений (3) Q3t+1 = J3tQ3t + K3tQ3t. Прямое сравнение этих уравнений не позволяет сразу найти соотношения между коэффициентами, так как в уравнении счетчика отсутствует переменная Q3t, которая имеется в характеристическом уравнении триггера. Для удобства нахождения логической связи между коэффициентами этих двух уравнений умножим уравнения счетчика на выражение (Q3t + Q3t), которое не изменяет исходное выражение, так как оно тождественно равно единице. Затем раскроем скобки и проведем перегруппировку членов так, чтобы получить выражение, подобное характеристическому уравнению триггера: Q3t+1 = Q2tQ3t + Q2tQ3t. Теперь можно легко найти связь между коэффициентами двух уравнений: J3t = Q2t; K3t = Q2t. Аналогично находим выражения входной логики для второго и первого триггеров: J2t = Q1t; K2t = Q1t; Q1t+1 = Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2t + Q3tQ1t. Умножим второй член последнего уравнения на (Q1t + Q1t), проведем преобразования и получим J1t = Q3t; K1t = Q2tQ3t + Q2tQ3t. 9
Запишем найденные значения для всех триггеров вместе: J3t = Q2t; K3t = Q2t; (4) J2t = Q1t; K2t = Q1t; J1t = Q3t; K1t = Q2tQ3t + Q2tQ3t. Уравнения (4) используются при синтезе счетчика в среде Multisim 10.1. 4.2. Счетчик на D-триггерах Характеристическое уравнение D-триггера имеет вид Qt+1 = D. В соответствии с системой уравнений (2) уравнения для входной логики управления триггерами можно записать в следующем виде: D3t = Q2t; (5) D2t = Q1t; D1t = Q3tQ2tQ1t + Q3tQ2t + Q3tQ1t. Синтез счетчика проводится по уравнениям (5) в среде Multisim 10.1. Этап 5. Собираем модель счетчика в среде Multisim 10.1 по найденным логическим связям и проводим моделирование его работы. 5.1. Начало работы Запуск программы осуществляется с помощью ярлыка на рабочем столе монитора компьютера или из меню Пуск среды Windows: Пуск / Все программы / National Instruments / Circuit Design Suite 10.1 / Multisim 10.1. После запуска программы появляется ее главное рабочее окно, в котором собирается схема. 5.2. Сборка схемы Процесс синтеза синхронного счетчика включает в себя размещение требуемых элементов и приборов из соответствующих библиотек программы Multisim 10.1 и последующее их соединение «проводниками»-линиями в соответствии с уравнениями, полученными на этапе 4.1 для JK-триггеров и на этапе 4.2 для 10