Методическое пособие по изучению цифровых устройств на демонстрационном стенде «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
Государственное профессиональное образовательное учреждение
«ДОНЕЦКИЙ ТЕХНИКУМ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ»
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
по изучению цифровых устройств
на демонстрационном стенде
«ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
для студентов специальностей:
10.02.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»
НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ 10.00.00 Информационная безопасность
11.02.09 «Многоканальные телекоммуникационные системы»
11.02.11 «Сети связи и системы коммутации»
НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ 11.00.00 Электроника, радиотехника и системы связи
ПРОТОКОЛ №24 ОТ 14.11.16 заседания уч.-методического совета УМЦ
Подготовил преподаватель
РОЖКОВ| В.В.
Донецк, 2016
Составитель:
Рожков В.В. – преподаватель ГПОУ «Донецкий техникум промышленной автоматики», специалист высшей категории
Рецензенты:
Буланая Л.Ф. –зав. отделением Телекоммуникаций ГПОУ «ДТПА», специалист высшей категории.
Сацюк А. В. – старший преподаватель кафедры «Автоматика, телемеханика, связь и вычислительная техника» Донецкого института железнодорожного транспорта.
Рассмотрено и одобрено на заседании ЦК общетехнических и электротехнических дисциплин
Протокол № 2 от 03.10.2016 г.
Председатель цикловой комиссии ______________С.А.Гладчук
Учебно-практическое пособие предназначено для преподавателей для сопровождения лекционного материала визуальными демонстрациями. Полезно для аудиторной и самостоятельной работы студентов специальностей 10.02.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 11.02.09 «Многоканальные телекоммуникационные системы», 11.02.11 «Сети связи и системы коммутации» при изучении раздела «Логические основы ЭВМ» по дисциплине «Вычислительная техника».
Пособие состоит из 3 разделов, включающих в себя описание демонстрационного стенда, кратких теоретических сведений по изучаемым устройствам, инструкций по демонстрации работы устройств стенда.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
4
1
Демонстрационный стенд «Последовательностные цифровые устройства»
5
1.1
Постановка задачи и основные технические требования
5
1.2
Состав и методические возможности стенда
6
1.3
Описание конструкции демонстрационного стенда
7
2
Краткие теоретические сведения
9
2.1
Триггеры
9
2.2
Регистры
9
2.3
Счетчики
10
3
Инструкции по демонстрации работы устройств стенда
10
3.1
Демонстрация работы асинхронного RS-триггера с прямыми входами
10
3.2
Демонстрация работы асинхронного RS-триггера с инверсными входами
11
3.3
Демонстрация работы синхронного RS-триггера со статическим управлением
12
3.4
Демонстрация работы D-триггера
13
3.5
Демонстрация работы Т-триггера
13
3.6
Демонстрация работы JK-триггера
14
3.7
Демонстрация работы суммирующего счетчика
14
3.8
Демонстрация работы регистра
15
Список использованных источников
17
ВВЕДЕНИЕ
Главная задача промышленности в динамичном, пропорциональном развитии общественного производства и повышения его эффективности, ускорении научно-технического прогресса, роста производительности труда, улучшения качества продукции.
Развивающаяся научно-техническая революция, быстрый рост существующих и появление новых отраслей промышленности вызывает, в свою очередь, необходимость дальнейшего развития системы высшего и среднего специального образования, повышения качества подготовки молодых специалистов для всех отраслей промышленного производства.
При этом все четче на первый план выступает потребность в подготовке не просто хороших специалистов, обладающих той или иной определенной суммой знаний, но прежде всего людей умеющих творчески мыслить, способных быстро адаптироваться к непрерывно изменяющимся требованиям научно-технического прогресса.
Таким образом, задача подготовки высококвалифицированных кадров, вооруженных современными знаниями, практическими навыками, является одной из важнейших задач на данном этапе. Поэтому сейчас, как никогда остро, ощущается необходимость приложения максимальных усилий для совершенствования содержания обучения, средств и методов подготовки специалистов.
Одним из направлений, по которому должно идти это совершенствование, является развитие и укрепление материально-технической базы учебных заведений. Сюда относятся, в первую очередь, широкое внедрение технических средств обучения, оснащение лабораторий и кабинетов новейшим оборудованием и приборами, модернизация лабораторных стендов и макетов, с учетом последних достижений науки и техники на современной компонентной базе.
Выполнение студентами лабораторных работ является важным средством более глубокого усвоения и изучения учебного материала, а также приобретения практических навыков по экспериментальному исследованию и обращению с измерительными приборами. Также важно при объяснении теоретического материала для более качественного его понимания иметь возможность продемонстрировать работу тех или иных электронных устройств. Для дисциплины «Вычислительная техника» данный подход имеет важное значение, так как речь идёт об изложении абстрактного учебного материала достаточно высокого уровня сложности.
Тогда к моменту выполнения лабораторной работы студент будет иметь более четкое представление о том, что ему нужно получить при исследовании.
С этой целью был разработан и смонтирован демонстрационный стенд по изучению основных последовательностных цифровых устройств из курса дисциплины «Вычислительная техника».
Опыт применения демонстрационного стенда на лекционных занятиях показал следующие достоинства:
- увеличение объёма учебной информации;
- расширение средств наглядности;
- более глубокое усвоение изучаемого материала студентами.
1 ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ СТЕНД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
Постановка задачи и основные технические требования
Назначение стенда – демонстрация принципа работы и возможностей последовательностных цифровых устройств при проведении лекционных занятий. Таким образом, студенты уже на начальном этапе изучения устройств получат наглядное представление о принципе действия и методах управления устройствами, что значительно упростит понимание материала и облегчит дальнейшее проведение лабораторных работ.
С учетом технических и методических задач можно сформулировать основные требования по конструированию стенда:
1) стенду необходимо иметь по возможности максимальные размеры. Это необходимо для того, чтобы студенты могли производить наблюдения, находясь на местах;
2) стенд должен быть устойчив к механическим вибрациям, которые могут возникнуть при эксплуатации прибора;
3) стенд должен обеспечивать максимальную наглядность изучаемых схем;
4) стенд должен иметь минимальное количество внешних соединительных проводников для коммутации, так как соединительные проводники контактных разъемов не обеспечивают надежного соединения;
5) стенд необходимо выполнить таким образом, чтобы в процессе проведения наблюдений можно было бы использовать измерительные приборы;
6) элементной базой стенда должны быть интегральные микросхемы широко распространенных серий К155. Что касается индикаторных элементов, то они также должны быть доступными.
Все эти требования положены в основу разработки схемы, внешнего вида и конструкции данного демонстрационного стенда.
1.2 Состав и методические возможности стенда
Методические возможности стенда :
- демонстрация работы счетчика;
- демонстрация работы регистра;
- демонстрация работы асинхронных RS-триггеров;
- демонстрация работы синхронного RS-триггера; - демонстрация работы D-триггера;
- демонстрация работы Т-триггера;
- демонстрация работы JK-триггера.
Для того чтобы устройства работали раздельно, не отвлекая внимание студентов, в стенде предусмотрена возможность подключения каждой исследуемой схемы коммутацией напряжения питания 5 В (гнезда Uп.+5В). Для индикации входных и выходных уровней логической информации на всех устройствах используются светодиоды красного свечения.
Подача логических сигналов 1 и 0 для устройств со статическим управлением осуществляется проводниками из модуля статического логического устройства СЛУ. Он снабжен тумблерами для выбора нужного сигнала (влево – 1, вправо – 0). Светодиоды модуля СЛУ подтверждают наличие сигнала логической 1 оптическим излучением.
Для синхронизации работы устройств с динамическим управлением предусмотрен генератор одиночного импульса, имеющий разъемы для подачи прямого и инверсного управляющих сигналов.
Источник питания предназначен для питания стенда от сети 220 В. Он вырабатывает постоянное напряжение 5 В при токе 0,5 А. Источник питания собран на микросхеме КР142ЕН5А (стабилизатор с фиксированным выходным напряжением 5 В).
1.3 Описание конструкции демонстрационного стенда
Конструктивно лабораторный стенд выполнен в виде настольного прибора в корпусе и имеет габариты 600 х 420 х 60.
Корпус имеет переднюю и съемную заднюю стенку, при снятии которой открывается доступ к отдельным узлам и монтажу стенда.
Основные органы управления, индикации расположены на передней панели. Сетевой шнур находится на боковой стенке стенда.
2 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1 Триггеры
Триггеры представляют собой импульсные устройства, которые характеризуются наличием двух устойчивых состояний. Простейший триггер имеет два входа и два выхода. Выходы обозначают Q и /Q. Выход Q называют прямым, a /Q - инверсным. Состояние триггера, при котором Q = 1, a /Q = 0, называют единичным. При нулевом состоянии триггера Q = 0 и /Q = 1. С поступлением сигналов на входы триггера в зависимости от его состояния либо происходит переключение, либо исходное состояние сохраняется. В зависимости от функциональной связи между логическими сигналами на входах и выходах триггеры в интегральном исполнении имеют следующие наименования: /R/S, RS, D, Т, JK и некоторые другие. Теми же буквами обозначают и входы триггеров.
2.2 Регистры
Регистрами называют устройства, предназначенные для приема, хранения и передачи информации. Последняя в регистре хранится в виде двоичного кода, каждому разряду которого соответствует свой элемент памяти (разряд регистра), выполненный на основе триггеров RS-, JK-, или D-типа.
Классификацию регистров можно провести по различным признакам, важнейшими из которых являются способ ввода-вывода информации и характер представления вводимой и выводимой информации.
По способу ввода-вывода информации различают параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры. В регистрах памяти и ввод информации и ее вывод осуществляются в параллельном коде. При этом время ввода (вывода) всего числа равно времени ввода (вывода) одного разряда. В регистрах сдвига число вводится и выводится последовательно разряд за разрядом. В параллельно-последовательном регистре ввод числа может осуществляться в параллельном коде, а вывод - в последовательном или наоборот.
По характеру представления вводимой и выводимой информации различают регистры однофазного и парафазного типов. В однофазных регистрах информация вводится в прямом либо в обратном кодах, а в парафазных - одновременно и прямом и в обратном. Регистры первого типа строятся на основе D-триггеров, второго - на основе RS- или JK-триггеров. Вывод информации из регистров обоих типов может осуществляться в прямом и в обратном кодах.
2.3 Счетчики
Почти каждая сложная цифровая система содержит несколько счетчиков. Назначение счетчика очевидно: это подсчет числа некоторых событий или временных интервалов, либо упорядочение событий в хронологической последовательности. Счетчик относится к последовательным логическим устройствам. Число разрядов счетчика определяется наибольшим числом подсчитываемых импульсов. В счетчиках имеется один вход и n выходов по числу разрядов. Для установки начального состояния счетчика (сброс в ноль) обычно предусматривается вход сброса.
По назначению счетчики могут быть суммирующими, вычитающими и реверсивными.
Суммирующие счетчики производят сложение чисел поступающих на вход импульсов с тем числом, которое хранилось в нем.
Вычитающие счетчики производят вычитание числа поступающего импульса из начального числа, записанного в нем заранее.
Реверсивные счетчики могут производить как сложение, так и вычитание поступающих на вход импульсов в зависимости от управляющих сигналов, меняющих режим работы счетчика.
3 ИНСТРУКЦИИ ПО ДЕМОНСТРАЦИИ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ СТЕНДА
3.1 Демонстрация работы асинхронного RS-триггера с прямыми входами
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
3. Произвести тумблерами установку логической информации с гнезд СЛУ на входы триггера согласно его таблице переходов (табл.1).
4. Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».
5. Убедиться в соответствии выходных сигналов выполняемым операциям по свечению светодиодов.
6. По окончании демонстрации перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ». Отключить стенд от сети.
Важно! Особенность микросхем серии К155 – отсутствие сигнала на входах ИМС аналогично подаче на них напряжения, соответствующего уровню лог.1.
Таблица 1 - Таблица переходов
St
Rt
Qt
Qt+1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
–
1
1
1
–
3.2 Демонстрация работы асинхронного RS-триггера с инверсными входами
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
3. Произвести тумблерами установку логической информации с гнезд СЛУ на входы триггера согласно его таблице переходов (табл. 2).
4. Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».
5. Убедиться в соответствии выходных сигналов выполняемым операциям по свечению светодиодов.
6. По окончании демонстрации перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ». Отключить стенд от сети.
Таблица 2 – Таблица переходов
13EMBED Equation.31415
13EMBED Equation.31415
Qt
Qt+1
0
0
0
–
0
0
1
–
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
3.3 Демонстрация работы синхронного RS-триггера со статическим управлением
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
3. Произвести тумблерами установку логической информации с гнезд СЛУ на входы триггера согласно его таблице переходов (табл.3). Первоначально подать сигнал лог.0 на вход синхронизации С, а затем подавать разрешающий сигнал лог. 1, исследуя все состояния триггера.
4. Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».
5. Убедиться в соответствии выходных сигналов выполняемым операциям по свечению светодиодов.
6. По окончании демонстрации перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ». Отключить стенд от сети.
Таблица 3 – Таблица переходов
Ct
1
1
1
1
1
1
1
1
St
0
0
0
0
1
1
1
1
Rt
0
0
1
1
0
0
1
1
Qt
0
1
0
1
0
1
0
1
Qt+1
0
1
0
0
1
1
–
–
3.4 Демонстрация работы D-триггера
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
3. Соединить вход С триггера с инверсным выходом ГОИ. Установить на вход D информацию согласно таблице переходов (табл.4).
4. Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».
5. Нажатием кнопки на панели генератора производить синхронный ввод информации. Убедиться в соответствии выходных сигналов выполняемым операциям по свечению светодиодов.
6. По окончании демонстрации перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ». Отключить стенд от сети.
Таблица 4 – Таблица переходов
Ct
Jt
Kt
Qt
Qt+1
0
0
1
Qt
Qt
0
1
0
Qt
Qt
1
0
1
Qt
0
1
1
0
Qt
1
3.5 Демонстрация работы T-триггера
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
3. Соединить вход С триггера с инверсным выходом ГОИ. Установить на вход D информацию согласно таблице переходов (табл.5) .
4. Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».
5. Нажатием кнопки на панели генератора производить синхронный ввод информации. Убедиться в соответствии выходных сигналов выполняемым операциям по свечению светодиодов.
6. По окончании демонстрации перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ». Отключить стенд от сети.
Таблица 5 – Таблица переходов
Ct
Jt
Kt
Qt
Qt+1
0
1
1
Qt
Qt
1
1
1
Qt
Qt
3.6 Демонстрация работы JK-триггера
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
3. Произвести тумблерами установку логической информации с гнезд СЛУ на входы триггера согласно его таблице переходов (табл.6). Первоначально подать сигнал лог.0 на вход синхронизации С, а затем подавать разрешающий сигнал лог. 1.
4. Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».
5. Убедиться в соответствии выходных сигналов выполняемым операциям по свечению светодиодов.
Таблица 6 - Таблица переходов
Ct
0
0
0
0
1
1
1
1
Jt
0
0
1
1
0
0
1
1
Kt
0
1
0
1
0
1
0
1
Qt
Qt
Qt
Qt
Qt
Qt
Qt
Qt
Qt
Qt+1
Qt
Qt
Qt
Qt
Qt
0
1
Qt
3.7 Демонстрация работы счетчика на ИМС К155ИЕ5
Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
Для демонстрации работы ИМС в режиме одноразрядного счетчика соединить инверсный выход ГОИ ( ) со входом С1, на входы & и R подключить лог.0. Подавая сигналы синхронизации с помощью кнопки на панели ГОИ, пронаблюдать появление информации «1» и «0» на выходе 1 счетчика по свечению светодиодов.
Соединить выход 1 со входом С2, на входы & и R подключить лог.0. Вход С1 соединить с инверсным выходом ГОИ.
Подавая сигналы синхронизации с помощью кнопки на панели ГОИ, пронаблюдать появление информации на выходах счетчика по свечению светодиодов (см. таблицу 7).
По окончании демонстрации перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ». Отключить стенд от сети.
Таблица 7 - Таблица состояний счетчика прямого счета
№ импульса
8
4
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
3.8 Демонстрация работы регистра на ИМС К155ИР1
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы схемы соединить вывод питания +5В устройства с выводом «Uп +5В» стенда.
3. Режим хранения: на вход V2 установить лог.1. Вход С2 соединить с инверсным выходом ГОИ ( ). На входы D1 – D4 установить информационные сигналы с модуля СЛУ. Входы V1 и С1 подключить к сигналу лог.0. При подаче сигналов синхронизации на вход С2 регистр принимает число, поступающее на входы D1 – D4. Число с регистра может быть выдано с выходов Q1 - Q4.
4. Режим сдвига вправо с последовательным вводом и параллельным выводом: на вход V1 с модуля СЛУ установить сигнал, изменять который можно с помощью тумблера. Вход С1 соединить с инверсным выходом ГОИ. Сдвиг вправо на один разряд происходит при каждом перепаде из 1 в 0 тактовых импульсов. Информация в последовательном коде преобразуется в параллельный и после четырех тактовых импульсов считывается с Q1 – Q4.
5. Режим сдвига вправо с параллельным вводом и последовательным выводом: на входы V2 и С2 подать сигналы лог.1. Информацию с модуля СЛУ разместить на входы D1 – D4. На V2 установить лог.0, инверсный выход модуля ГОИ подключить к С1. При этом будет осуществляться последовательный вывод информации с выхода Q4.
6. Реверсивный регистр: соединить выводы Q4, Q3, Q2 со входами D3, D2, D1 соответственно. V2 = 0, сигналы синхронизации подавать на вход С1; последовательный код подается на вход V1 и осуществляется сдвиг вправо. Если V2 = 1 и на вход D4 поступает последовательный код, то с подачей сигналов синхронизации на вход С2 будет осуществляться сдвиг кода влево.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Метод с применением демонстрационного стенда апробирован на лекционных занятиях по дисциплинам «Вычислительная техника», «Электроника и схемотехника» в ГПОУ «Донецкий техникум промышленной автоматики». Внедрение его показало, что значительно улучшилось восприятие студентами понятий о принципе действия цифровых устройств. Особенно хорошие результаты были получены тогда, когда студент сам под руководством преподавателя выполнял соединения по заданному алгоритму для демонстрации работы устройств. Использование стенда позволяет наглядно в динамике увидеть работу цифровых схем, что приводит к сближению теоретических знаний и практических умений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.- М.: Горячая линия – Телеком, 2000.
Келим Ю.М. Вычислительная техника: Учеб. пособие для студ. сред. проф. образования / Ю.М. Келим. – М.: «Академия», 2005.
Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника/ В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – М.: КНОРУС, 2013.
4. Бобровников Л.З. Электроника. - С.-Пб.: Питер, 2004.
5. Шило В.Л. Справочник. Популярные микросхемы.- М.: Радио и связь, 1987.
6. Якубовский С.В. Справочник. Цифровые и аналоговые ИМС.- М.: Радио и связь ,1990.
13PAGE 15
13 PAGE \* MERGEFORMAT 141715
1
0