3. Порядок выполнения лабораторной работы

3.1. Предварительное задание

3.1.1. По конспекту лекций, литературе /4-10/ и разделу 2 данной работы 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 (1) план эксперимента (например, в форме таблицы) по исследованию счетчика ИЕ7 с помощью генератора G1. 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. 6.3. Докажите, что для A < 15 в качестве дешифратора можно использовать логику И с не более чем тремя входами. Для этого следует проанализировать состояния, проходимые счетчиком, от 0 до А и показать, какие комбинации не достигаются и, соответственно, какие разряды не требуют проверки на дешифраторе. По справочнику выберите микросхему И-НЕ в корпусе, включающем три логических элемента, выполните на ее основе и дешифратор, и  триггер.

Выявите неиспользуемые возможности микросхем и опреде­лите, какие сигналы нужно подавать на соответствующие входы. Разметьте схему. Составьте в пись­менной форме (2) 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, собранный для п. 3.1.4. Разберитесь, какой из выходов триггера следует использовать для перезагрузки счетчика и как реализовать сброс этого триггера.

Выявите неиспользуемые возможности микросхем и определите, какие сигналы нужно подавать на соответствующие входы. Выберите, какие сигналы будете получать с поля констант и какие выдавать на индикацию. Составьте план эксперимента (3) 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 в программе VirtualPCB коммутацию, необходимую для исследования счетчика по п. ­3.1.3. Выберите, какие сигналы будете получать с поля констант и какие выдавать на индикацию, проверьте отображение всех выходных сигналов в поле индикации. Учтите, что при исследовании счета на неиспользуемый счетный вход следует подавать лог.1. Установите счетчик в разъем, проведите исследование, включая анализ приоритетов, отметьте в плане проверенные режимы, покажите преподавателю. Сохраните последний вариант схемы под именем ЛР6_1.

3.2.2. Получите у преподавателя 3 заданных значения коэффициента деления, скорректируйте схему, разработанную по п. 3.1.4, под первое из значений. Выполните в программе VirtualPCB коммутацию, необходимую для исследования делителя, причем с учетом уровней, подаваемых на неиспользуемые входы. Установите выбранные вами микросхемы в колодки согласно правилу, приведенному выше, включите питание стенда и щелкните «Соединиться с устройством». Проведите исследование для всех трех заданных значений, меняя коммутацию. Покажите преподавателю, выполняет ли схема функцию делителя с заданными К_дел. Сохраните последний вариант схемы под именем ЛР6_2.

3.2.3. Соберите схему, разработанную согласно п.­ 3.1.5, проверьте отображение всех выходных сигналов в поле индикации. 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. Покажите преподавателю, выполняет ли схема функцию делителя с заданными К_дел.

3.2.4. Проверьте полноту отражения в отчете результатов экспериментов и сделайте 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 6.1,а и 1.1 из /1/. Объясните порядок изменения состояния выходов в эксперименте по исследованию схемы 1.1.

3. Объясните использование микросхемы ТМ2 в лабораторной работе № 2.

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

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

6. Изобразите структурную схему делителя с переменным К_дел и установкой заданного конечного состояния, дайте описание его работы. Объясните, почему в качестве дешифратора 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 не контролируют наличие лог.0 на остальных выходах счетчика.

7. Проведите сравнительный анализ различных схем делителей.

8. Приведите схемные решения, улучшающие работу делителей.

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

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

Лабораторная работа № 7

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЬЦЕВЫХ КОММУТАТОРОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить возможности различных последовательностных микросхем применительно к задаче синтеза кольцевых коммутаторов;

1.2. Разработать схемы реализации кольцевых коммутаторов на различной элементной базе с предотвращением их входа в ложные состояния.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Для использования совместно с различными датчиками и исполнительными системами роботов нередко требуются многофазные генераторы (МФГ) – схемы, выдающие на множество своих выходов упорядоченную систему импульсов. МФГ обычно состоят из генератора тактовых импульсов и формирователя системы импульсов (распределителя). Простейшие разновидности МФГ – генераторы обегающего импульса (паузы) и генераторы многофазной системы меандров. Различные схемы генераторов тактовых импульсов рассмотрены в /5, 6/.

В генераторах трехфазной системы меандров (рис. 7.1) распределитель, называемый фазорасщепителем или

Рис. 7.1

кольцевым коммутатором (КК), строят обычно на триггерах, регистрах сдвига или счетчиках, хотя такие системы сигналов возможно получить как с помощью ПЛИС, так и на выходах микроконтроллера.

Рассмотрим, например, схему из /12/ на JK-триггерах – рис. 7.2.

Рис. 7.2

Если здесь не вводить DD3, а подключить K-вход DD1 к выходу В триггера DD2, то такой КК после включения питания начнет выдавать:

Таким образом, КК без коррекции делит f_ти либо на 6, либо на 2 – случайно, в зависимости от начальной установки. Это недопустимо, поэтому в /13/ предложено в начале работы обнулять триггеры по R-входу. Однако, если в дальнейшем (например, под действием помехи) КК попадет в ложное состояние, то его нормальное функционирование не восстановится. В схеме же, приведенной на рис. 7.2, любое из ложных состояний за один или два такта переходит в одно из заданных. Поскольку ложная последовательность 010-101 состоит из шести знаков, существует 6 вариантов схемы автоматического перехода в штатное состояние.

При использовании RS- или JK-триггеров удобнее всего управлять только одним входом любого из них, запрещая в нужный момент прохождение на него импульса и таким образом задерживая этот триггер в прежнем состоянии. В результате за два такта возможно получение из состояний 010 или 101 любого состояния, входящего в правильную последовательность. Например, на переходе с третьего триггера на первый возможно получить при J₁ = 0 в состоянии 010 переход в 001, при К₁ = 0 в состоянии 101 – переход в 110.

Для реализации заданного перехода следует записать состояние выбранного входа при всех восьми возможных состояниях выходов и исправить единицу на ноль в одном из состояний, входящих в неправильную последовательность. Затем записывается формула связи, подлежащей коррекции, в полной дизъюнктивной форме и проводится ее упрощение. В формулу связи в качестве членов дизъюнкции входят конъюнкции состояний выходов триггеров, соответствующих единичному состоянию выбранного входа. При единичном состоянии выхода он записывается в прямой, а при нулевом – в инверсной форме.

П риведем пример таблицы состояний и соответствующей формулы связей.

Нетрудно проверить, что в любом состоянии правильной последовательности дополнительная логическая связь не влияет на работу схемы: . Кроме описанных способов исключения неправильной последовательности возможны и другие, например блокировка тактового сигнала на одном из триггеров и т.п. Выбор этих способов определяется простотой схемной реализации. Подробное описание путей синтеза генераторов заданной последовательности импульсов приведено в /14/.

Е

Рис. 7.3

Нетрудно установить, что в обоих схемах триггеры образуют цепочку в виде регистра сдвига, охваченного инвертирующей обратной связью, и дополненную логическими узлами для вывода из ложных циклов. Отсюда естественно использовать для организации КК регистр сдвига в виде интегральной схемы, например, К555ИР8. Ее следует дополнить элементами для инвертирующей связи третьего выхода со входом и для получения неинвертированного сигнала В или С. Ввиду неопределенного состояния регистра при подаче питания и возможности сбоев во время работы следует предусмотреть логику вывода из ложных циклов, аналогичную приведенным выше.

Вариант КК на основе двоичного счетчика должен включать либо элементы, формирующие нужную последовательность нулей и единиц непосредственно из позиционного кода на выходе счетчика, либо элемент, формирующий бегущую единицу (или бегущий нуль), а за ним логику, формирующую меандры из этого унитарного кода. Второй вариант удобнее в реализации, ибо наиболее сложная часть преобразования выполняется специальной схемой формирователя обегающего импульса.

3. Порядок выполнения работы

3.1. Предварительное задание

3.1.1. Изобразите в заготовке отчета временную диаграмму, включающую меандр на входе КК и трехфазную систему выходных импульсов A-B-C (тактирование по фронту).

3.1.2. Пользуясь справочником или Редактором схемы программы управления лабораторным стендом, найдите УГО микросхемы К555ТВ9 и переработайте схему, приведенную на рис. 7.2:

• изобразите ее, используя элементы микросхемы К555ТВ9, логические элементы DD3 не применяйте, K-вход DD1 подключите к выходу В триггера DD2, S-вход первого триггера, R-вход второго и S-вход третьего соедините и выведите в виде цепи S1, R-вход первого триггера, S-вход второго и R-вход третьего соедините и выведите в виде цепи R1. Дайте остальным цепям имена (G1-A-B-C-A#-B#-C#). Сделайте распиновку микросхем;

• переработайте полученную схему, добавив логику, эквивалентную DD3, но выполненную на К555ЛА3, изобразите полученную схему, дайте добавленным цепям имена, сделайте распиновку;

• оставьте в заготовке место для текстового вывода о работе вариантов схемы.

3.1.3. Аналогично переработайте схему, приведенную на рис. 7.3:

• изобразите ее, используя элементы микросхемы К555ТМ2, логические элементы не применяйте, S-входы триггеров соедините и выведите в виде цепи S1, R-входы соедините и выведите в виде цепи R1;

• переработайте полученную схему, добавив логику (микросхему выберите самостоятельно), изобразите полученную схему;

• оставьте в заготовке место для текстового вывода о работе вариантов схемы.

3.1.4. Разработайте схему КК на основе регистра К555ИР8:

• пользуясь справочником или Редактором схемы программы управления лабораторным стендом, найдите УГО этой микросхемы и изучите функции каждого ее входа;

• разработайте на основе К555ИР8 схему КК, аналогичную приведенной на рис. 7.3. Один из входов DS используйте как сигнал разрешения Е. Для получения инвертирующей обратной связи и полярности выходных сигналов используйте инверторы), изобразите полученную схему;

• добавьте к схеме логический элемент, исключающий одно из ложных состояний (по аналогии с рис. рис. 7.3), подберите микросхему, на которой можно выполнить как этот элемент, так и инверторы, изобразите полученную схему;

• разработайте способ реверсирования порядка фаз A-B-C → C-B-A, подберите логическую микросхему, позволяющую выполнить узел реверсирования (входной сигнал узла обозначьте как F/R#, что означает forward / reverse), изобразите полученную схему.

• оставьте в заготовке место для текстового вывода о работе вариантов схемы.

3.1.5. Разработайте схему КК на основе счетчика К555ИЕ15:

• пользуясь справочником или Редактором схемы программы управления лабораторным стендом, найдите УГО этой микросхемы и изучите функции каждого ее входа;

• подберите элемент, формирующий бегущую единицу (или бегущий нуль) из позиционного трехразрядного кода на выходе счетчика (используйте вход тактирования счетчика С2), а также способ получения шеститактной последовательности состояний счетчика (по аналогии с одним из способов, примененных в лабораторной работе №6);

• добавьте в схему логику, формирующую трехфазную систему меандров из полученного унитарного кода, приведите ее к базису И-НЕ, запишите таблицу состояний, изобразите полученную схему.