Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Лабораторная работа №3

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ

СЕВЕРНЫЙ АДМИНИМТРАТИВНЫЙ ОКРУГ

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №3

 

Исследование комбинационных схем

 

1. Цель работы

Изучение принципов действия комбинационных схем: шифратора, дешифратора, мультиплексора и преобразователя кода для семисегментного индикатора.

 

2. Краткие теоретические сведения

 

Шифратор

Шифратор - это логическое устройство, выполняющее преобразование позиционного кода в n разрядный двоичный код. Таким образом, шифратор - это комбинационное устройство, реализующее обратную дешифратору функцию.

Пример шифратора для трех переменных.

 

X

Z2

Z1

Z0

X0

0

0

0

X1

0

0

1

X2

0

1

0

X3

0

1

1

X4

1

0

0

X5

1

0

1

X6

1

1

0

X7

1

1

1

 

Таблица 3.1. Таблица состояния шифратора

 

Таким образом, состояние выходов описывается следующими алгебраическими выражениями (3.1):

 

Z0 = X1+X3+X5+X7

Z1 = X2+X3+X6+X7                                                                                                           (3.1)

Z2 = X4+X5+X6+X7

 

Схема шифратора семиразрядного позиционного кода в трехразрядный двоичный код приведена на рисунке 3.1:

 


Рисунок 3.1. Схема шифратора позиционного кода в

трехразрядный двоичный код

 

Дешифратор

 

Дешифратор - это комбинационное устройство, предназначенное для преобразования параллельного двоичного кода в унитарный, т.е. позиционный код. Обычно, указанный в схеме номер вывода дешифратора соответствует десятичному эквиваленту двоичного кода, подаваемого на вход дешифратора в качестве входных переменных, вернее сказать, что при подаче на вход устройства параллельного двоичного кода на выходе дешифратора появится сигнал на том выходе, номер которого соответствует десятичному эквиваленту двоичного кода. Отсюда следует то, что в любой момент времени выходной сигнал будет иметь место только на одном выходе дешифратора. В зависимости от типа дешифратора, этот сигнал может иметь как уровень логической единицы (при этом на всех остальных выходах уровень логического 0), так и уровень логического 0 (при этом на всех остальных выходах уровень логической 1). В дешифраторах каждой выходной функции соответствует только один минтерм, а количество функций определяется количеством разрядов двоичного числа. Если дешифратор реализует все минтермы входных переменных, то он называется полным дешифратором (в качестве примера неполного дешифратора можно привести дешифратор двоично-десятичных чисел).

Рассмотрим пример синтеза дешифратора (полного) 3 → 8, следовательно, количество разрядов двоичного числа - 3, количество выходов - 8.

 

X2

X1

X0

Z0

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

Z6

Z7

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

 

Таблица 3.2. Таблица состояний дешифратора

 

 

Мультиплексор

 

 

Мультиплексор - коммутатор цифровых сигналов. Мультиплексор представляет собой комбинационное устройство с m информационными, n управляющими входами и одним выходом. Функционально мультиплексор состоит из m элементов конъюнкции, выходы которых объединены дизъюнктивно с помощью элемента ИЛИ с m входами. На одни входы всех элементов конъюнкции подаются информационные сигналы, а другие входы этих элементов соединены с соответствующими выходами дешифратора с n входами.

Функциональная схема мультиплексора приведена на рисунке 3.2.

 


Рисунок 3.2. Функциональная схема мультиплексора

 

Из функциональной схемы 3.2 следует, что мультиплексор содержит дешифратор на соответствующее число выходов (число выходов дешифратора определяется числом информационных входов мультиплексора), элементы конъюнкции на два или на три входа каждый и элемент дизъюнкции с числом входов, равным количеству информационных линий D0 . . . Dm.

 


Рисунок 3.3. Схематическое изображение мультиплексора

 

На рисунке 3.3 показано обозначение мультиплексора на принципиальных и функциональных электрических схемах.

 

                                    (3.2)

 

Из уравнения (3.2) мультиплексора видно, что на его выход будет передаваться сигнал только с одного входа, номер которого совпадает с числом, соответствующим кодовой комбинации Х1 и Х2. Если Х1=Х2=0, на выход мультиплексора будет передаваться сигнал с входа D0. Когда на адресных (управляющих) входах Х1=1 и Х2=0, то на выход будет передаваться сигнал с входа D1 и т.д.

 

Преобразователь кода для семисегментного индикатора

 

Наиболее широко преобразователи кодов известны применительно к цифровым индикаторам. В нашем случае, светодиодные семисегментные индикаторы выполнены с общим катодом, т.е. сегменты высвечиваются при подаче на них уровня логической единицы. Преобразователь кода представим в виде дешифратора с семью выходами. Схема соединения выводов преобразователя к сегментам индикатора приведена на рисунке 3.4. Обозначение сегментов индикатора стандартное и соответствует общепринятым нормам.

 


Рисунок 3.4. Схема подключения преобразователя к сегментам индикатора

 

Пусть обозначения функций соответствуют именам сегментов, тогда таблица 3.3 состояния функций будет выглядеть так:

 

N

X3

X2

X1

X0

a

b

c

d

e

f

g

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

2

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

3

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

4

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

5

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

6

0

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

7

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

8

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

9

1

0

0

1

1

1

1

1

0

1

1

10

1

0

1

0

~

~

~

~

~

~

~

11

1

0

1

1

~

~

~

~

~

~

~

12

1

1

0

0

~

~

~

~

~

~

~

13

1

1

0

1

~

~

~

~

~

~

~

14

1

1

1

0

~

~

~

~

~

~

~

15

1

1

1

1

~

~

~

~

~

~

~

 

Таблица 3.3. Таблица состояния преобразователя для семисегментного индикатора

 

Таблица 3.3 состояния преобразователя заполняется построчно, т.е. для каждого набора переменных определяется значения функций в соответствии с символом, высвечиваемым на индикаторе. Например, в нулевой строке набор переменных соответствует цифре ноль, при котором должны высвечиваться сегменты a, b, c, d, e, f. Следовательно, на эти сегменты необходимо подать уровень логической 1, а на сегмент с именем g – уровень логического 0.

Для зажигания цифры 1 необходимо подать уровни логической “1” на сегменты “b” и “c” и т.д. Преобразователь предназначен для индикации цифр десятичной системы счисления, и поэтому значения функций для наборов переменных, начиная с номера 10, для индикатора безразличны. Безразличные значения функций обозначены знаком ~ (тильда).

 

3. Задание для самостоятельного выполнения

Внимание!

При выполнении практикума в лабораторном классе:

Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и приборами как с электрическими установками! Сетевое питание на стенд и питание на тестируемые схемы подавайте только после полного монтажа схемы и проверки монтажа преподавателем!

 

3.1. Для изучения принципов работы шифратора синтезируйте устройство согласно структурной схеме приведенной на рисунке 3.5.

 

 


Рисунок 3.5. Структурная схема лабораторного стенда предназначенного

для изучения принципов работы шифратора

 

3.2. Изменяя состояние переключателей SB5 и наблюдая за светодиодами HL1 и HL2, заполните таблицу истинности 3.4.

 

X3

X2

X1

X0

Y1

Y0

0

0

0

1

 

 

0

0

1

0

 

 

0

1

0

0

 

 

1

0

0

0

 

 

 

Таблица 3.4. Таблица истинности шифратора (заполняется в

ходе выполнения работы)

 

3.3. Синтезируйте устройство с среде Quartus II для работы с дешифратором. Структурная схема представлена на рисунке 3.6.

 


Рисунок 3.6. Структурная схема лабораторного стенда предназначенного

для изучения принципов работы дешифратора

 

3.4. Изменяя логические уровни на входе дешифратора с помощью переключателей SB5, заполните таблицу истинности 3.5.

 

Y1

Y0

X3

X2

X1

X0

0

0

 

 

 

 

0

1

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

Таблица 3.5. Таблица истинности дешифратора (заполняется в

ходе выполнения работы)

 

3.5. Исследуйте работу мультиплексора. Для этого сконфигурируйте ПЛИС в соответствии со структурной схемой представленной на рисунке 3.7.


 

Рисунок 3.7. Структурная схема лабораторного стенда предназначенного

для изучения принципов работы мультиплексора

 

Используя переключатели SB5 для управления адресным входом, кнопками SA1-SA4 для имитации входных сигналов и светодиодом HL1 для контроля выходного сигнала, заполните таблицу истинности 3.6.

 

X1

X0

D3

D2

D1

D0

Y

0

0

Off

Off

Off

On

 

0

0

Off

Off

On

Off

 

0

0

Off

On

Off

Off

 

0

0

On

Off

Off

Off

 

0

1

Off

Off

Off

On

 

0

1

Off

Off

On

Off

 

0

1

Off

On

Off

Off

 

0

1

On

Off

Off

Off

 

1

0

Off

Off

Off

On

 

1

0

Off

Off

On

Off

 

1

0

Off

On

Off

Off

 

1

0

On

Off

Off

Off

 

1

1

Off

Off

Off

On

 

1

1

Off

Off

On

Off

 

1

1

Off

On

Off

Off

 

1

1

On

Off

Off

Off

 

 

Таблица 3.6. Таблица истинности мультиплексора (заполняется

в ходе выполнения лабораторной работы)

 

3.6. На рисунке 3.8 представлена структурная схема подключения преобразователя кода для семисегментного индикатора. Синтезируйте устройство в средеQuartus II.


 

Рисунок 3.8. Функциональная схема лабораторного стенда предназначенного

для изучения принципов работы преобразователя

для семисегментного индикатора

 

Как видно из схемы 3.8, изменение кода, устанавливаемое переключателями SB5, изменяет показание семисегментного индикатора. Составьте таблицу 3.7 соответствия двоичного кода, задаваемое переключателями SB5, с цифрами высвечиваемыми на индикаторе.

 

X3

X2

X1

X0

Y

0

0

0

0

 

0

0

0

1

 

0

0

1

0

 

0

0

1

1

 

0

1

0

0

 

0

1

0

1

 

0

1

1

0

 

0

1

1

1

 

1

0

0

0

 

1

0

0

1

 

1

0

1

0

~

1

0

1

1

~

1

1

0

0

~

1

1

0

1

~

1

1

1

0

~

1

1

1

1

~

 

Таблица 3.7. Таблица соответствия двоичного кода на входе преобразователя с

цифрами высвечиваемыми на индикаторе

 

4. Контрольные вопросы

1. Что такое шифратор?

2. Что такое дешифратор?

3. Что такое мультиплексор?

4. Опишите функциональное назначение демультиплексора.