Освоение навыков работы с программой Electronics Workbench. Исследование работы логических элементов.

Виноградов В.И., Спиридонов С.Б.

Схемотехника дискретных устройств

Методические указания

к лабораторному практикуму по курсу

«Схемотехника дискретных узлов »

Москва

МГТУ им. Н.Э.Баумана

2014 год.

Оглавление

Введение………………………………………………………………….. 6

Лабораторная работа №1. Освоение навыков работы с программой Electronics Workbench. Исследование работы логических элементов..16

1. Краткая характеристика объекта исследования……………………16

1.1 Структура окна и система меню…………………………………….17

1.2 Основные команды меню……………………………………………18

1.3 Технология создания электрических и электронных схем………..20

1.4 Основные компоненты программы EWB…………………………21

2. Задание и порядок выполнения лабораторной работы……………..29

3. Содержание отчета по лабораторной работе………………………..31

4. Контрольные вопросы…………………………………………………31

5. Рекомендуемые источники информации…………………………….32

Лабораторная работа № 2. Синтез логических схем на элементах комбинационного типа…………………………………………………….33

1. Краткая характеристика объекта изучения………………………….33

Часть 1…………………………………………………………………….48

2. Описание лабораторного стенда УМ-11……………………………..48

3. Задание и порядок выполнения лабораторной работы на стенде

УМ-11…………………………………………………………………….49

Часть 2…………………………………………………………………….52

4. Технология исследования комбинационных схем с помощью

программы Electronics Workbench………………………………………52

5. Задание и порядок выполнения лабораторной работы с помощью

программы Electronics Workbench……………………….......................58

6. Содержание отчёта по частям 1 и 2 лабораторной работы…………58

7. Контрольные вопросы…………………………………………………59

8. Рекомендуемые источники информации…………………………….59

Лабораторная работа № 3. Исследование дешифраторов, шифраторов, мультиплексоров, демультиплексоров……………………………………61

1. Краткая характеристика объектов исследования…………………….61

1.1 Дешифраторы…………………………………………………………61

1.2 Шифраторы……………………………………………………………65

1.3. Мультиплексоры……………………………………………………..68

1.4. Демультиплексоры……………………………………………………73

Часть 1………………………………………………………………………74

2. Описание элементов макета УМ-11, необходимых для проведения

лабораторной работы………………………………………………………74

3. Задание и порядок проведения лабораторной работы на макете

УМ-11………………………………………………………………………75

Часть 2………………………………………………………………………76

4. Описание используемых элементов программы Electronics Workbench

для выполнения лабораторной работы……………………………………76

5. Задание на выполнение лабораторной работы с помощью программы

Electronics Workbench………………………………………………………77

5.1 Порядок проведения исследования работы дешифраторов…………77

5.2 Порядок проведения исследования работы шифраторов…..……….77

5.3. Порядок проведения исследования работы мультиплексоров……..77

5.4. Порядок проведения исследования работы демультиплексоров…….78

6. Содержание отчета частям 1 и 2 лабораторной работы………………..78

7. Контрольные вопросы……………………………………………………78

8. Рекомендуемые источники информации……………………………….79

Лабораторная работа № 4. Исследование триггеров…………………..……80

1. Характеристика объекта изучения……………………………………….80

Часть 1………………………………………………………………………..102

2. Порядок исследования триггеров на макете УМ-11…………………. 102

3. Содержание отчёта к части 1 лабораторной работы……………………103

Часть 2……………………………………………………………..…………103

4. Описание исследования триггеров с помощью программы Electronics

Workbench……………………………………………………………………103

5. Задание на выполнение лабораторной работы с помощью программы

Electronics Workbench………………………………………………………..106

6. Содержание отчета по части 2 лабораторной работы………………….109

7. Контрольные вопросы……………………………………………………110

8. Рекомендуемые источники информации………………………………..111

Лабораторная работа № 5. Исследование регистров……………………….112

1. Сведения об объекте исследования………………………………………112

Часть 1…………………………………………...……………………………116

2. Задание на выполнение лабораторной работы на макете УМ-11……..116

3. Содержание отчёта по части 1 лабораторной работы…………………..120

Часть 2……………………………...…………………………………………120

4. Выполнение лабораторной работы с помощью программы Electronics

Workbench…………………………………………………………………….120

5. Задание на выполнение лабораторной работы по части 2……………..122

6. Содержание отчета к части 2 лабораторной работы……………………126

7. Контрольные вопросы…………………………………………………….127

8. Рекомендуемые источники информации………………………………..127

Лабораторная работа № 6. Исследование счётчиков………………………129

1. Характеристика объекта исследования…………………………………129

Часть 1………………………………………………………………………..138

2. Исследование работы счётчиков на макете УМ-11. Задание на

выполнение лабораторной работы…………………………………………138

3. Содержание отчёта по части 1 лабораторной работы…………………141

Часть 2………………………………………………………………………..142

4. Моделирование работы счётчиков с помощью программы Electronics

Workbench. Задание на выполнение лабораторной работы……………..142

5. Содержание отчета по части 2 лабораторной работы………………….145

6. Контрольные вопросы……………………………………………………145

7. Рекомендуемые источники информации………………………………146

Лабораторная работа № 7. Исследование сумматоров……………………147

1. Характеристика объекта изучения……………………………………..147

2. Описание инструментария и элементов программы Electronics

Workbench……………………………………………………………………148

3. Задание на выполнение лабораторной работы………………………..149

4. Содержание отчета……………………………………………………….151

5. Контрольные вопросы……………………………………………………151

6. Рекомендуемые источники информации………………………………..152

Лабораторная работа №8. Исследование арифметико-логического устройства………………………………………………………………………153

1. Характеристика объекта изучения……………………………………….153

2. Описание инструментария и элементов программы Electronics

Workbench…………………………………………………………………….155

3. Задание на выполнение лабораторной работы…………………………155

4. Содержание отчета………………………………………………………..157

5. Контрольные вопросы…………………………………………………….157

6. Рекомендуемые источники информации………………………………..158

Введение

Курс «Схемотехника дискретных устройств» посвящён изучению студентами основ логического и схемотехнического построения типовых узлов и блоков, встречающихся в электронно-вычислительной технике, системах цифровой автоматики, телекоммуникаций, измерений и т.д.

Задача цикла лабораторных работ по указанному курсу состоит в практическом освоении методик проектирования функциональных и комбинационных схем, основывающихся на применении математического аппарата булевых функций. Закрепление теоретического материала, изложенного на лекциях, на основе проведения моделирования поведения конкретных функциональных узлов вычислительной техники при задании множества входных сигналов и оценивания поведения узлов и схем по выходным характеристикам и сигналам.

В процессе выполнения лабораторных работ студенты знакомятся со специализированными макетами (УМ-11М), имеющими специальные возможности набора схем и функциональных узлов, а также воспроизводство входных сигналов и получение выходных сигналов. Во всех вариантах исследований студентами снимаются временных характеристики взаимозависимости логики выходных сигналов от поступления входных сигналов.

Второе направление исследований в процессе выполнения лабораторных работ включает моделирование и исследование поведения исследуемых схем и узлов с помощью программы Electronics Workbench, на персональных компьютерах в учебных классах.

В результате выполнения цикла лабораторных работ по курсу «Схемотехника дискретных устройств» студент должен приобрести следующие знания, умения и владения соответствующие компетенциям образовательных программ:

Студент должен знать:

- Состав и назначение основных базовых элементов и узлов ЭВМ и компьютеров. Основные характеристики и выполняемые функции основных базовых элементов и узлов ЭВМ и компьютеров;

- Иерархию построения узлов ЭВМ и компьютеров из изучаемых базовых компонентов;

- Основы дискретной математики применительно к задачам проектирования узлов ЭВМ.

Студент должен уметь:

- объяснить место и назначение отдельного базового элемента и типового узла ЭВМ и компьютера в их типовой архитектуре;

- объяснить место и назначение отдельного базового элемента и типового узла ЭВМ и компьютера в их типовой архитектуре;

- делать выбор рационального варианта проектного решения на элементах ЭВМ;

- производить синтез топологии схем и узлов ЭВМ с применением программных средств моделирования

Студент должен приобрести навыки:

- построения узлов ЭВМ по заданным функциям описания функционирования

- моделирования и анализа элементов и узлов ЭВМ и ПК

- принятия рациональных решений при эксплуатации вычисли-

тельных средств широкого класса.

Общий объём цикла лабораторных работ – 34 часа.

В составе цикла 8 тем лабораторных работ длительностью по 4 часа каждая.

Лабораторные работы проводятся в учебных компьютерных классах кафедры, позволяющих проводить лабораторные работы с помощью персональных компьютеров, так и на макетах, размещаемых в классе в часы проведения лабораторных работы.

В состав цикла входят следующие темы лабораторных работ:

Лабораторная работа 1. «Освоение навыков работы с программой Electronics Workbench. Исследование работы логических элементов».

В процессе освоения программы Electronics Workbench студенты осваивают структуру окна и систему меню. Особое внимание уделяется закладкам с наборами электронных компонентов и логических элементов. Под руководством преподавателя студенты выполняют сборку ряда тестовых электрических схем, на которых осваиваются приёмы соединения элементов, удаления элементов и соединений, организации субблоков.

Вторым этапом является освоение индикационных средств и приборов для анализа аналоговых и цифровых сигналов.

Третий этап заключается в исследовании работы имеющихся в библиотеке Electronics Workbench логических элементов (7 элементов). Для исследования к логическому элементу подключаются средства индикации и устройства для подачи входных сигналов. Студенты формируют таблицы переходов для каждого логического элемента и формируют материал для отчёта по проведенной лабораторной работе.

Лабораторная работа 2. «Синтез логических схем на элементах комбинационного типа».

Часть 1. Освоение состава оборудования и правил работы с макетом УМ-11, выполнение задачи синтеза комбинационной схемы.

Проверка работоспособности выданных студенту соединительных проводников.

Получение варианта исходных данных для синтеза комбинационной схемы.

Синтез комбинационной схемы, минимизация и запись функции в базисах И-ИЛИ-НЕ

и И-НЕ. Сборка комбинационной схемы на макете и исследование ее поведения (по значению выходного сигнала) при всех возможных комбинациях входных аргументов.

Контроль правильности синтеза по исходной таблице и показ преподавателю полученных результатов.

Часть 2. Получение у преподавателя второго варианта таблицы для синтеза комбинационной схемы. Исследование комбинационной схемы проводится с применением программы Electronics Workbench. По таблице переходов студент записывает выражение для функции в совершенной дизъюнктивной нормальной форме и строит по этому выражению необходимую комбинационную схему из набора логических элементов. Проводится исследование правильности её построения по значениям выходного сигнала. Далее производится минимизация по изученной студентами методике, записывается минимизированные выражения для булевой функции в базисах

И-ИЛИ-НЕ и И-НЕ. По данным выражения собираются две комбинационные схемы и производится анализ их работы по значениям выходного сигнала. По трём исследуемым комбинационным схемам делается вывод об их тождественности.

Подготовка графических материалов для составления отчёта.

Индивидуальная защита лабораторной работы в конце последнего часа.

Лабораторная работа 3. «Исследование дешифраторов, шифраторов, мультиплексоров, демультиплексоров».

Исследование работы перечисленных узлов производится с помощью программы Electronics Workbench.

Сборка схемы линейного дешифратора на логических элементах И, имеющего 8 выходов и 3 входа. Проверка работы при всех комбинациях входных данных.

Сборка аналогичной схемы дешифратора на элементах И-НЕ с дополнительным разрешающим входом. Проверка работы при всех комбинациях входных данных.

Синтез схемы шифратора на 10 входов и 4 выхода. Запись булевых функций для выходов шифратора в базисе И-ИЛИ и в базисе И-НЕ. Сборка схемы шифратора на логических элементах ИЛИ и на логических элементах И-НЕ. Проверка работоспособности двух схем шифраторов.

Сборка схемы мультиплексора в базисе И-ИЛИ с двумя адресными входами и четырьмя информационными входами. Проверка работоспособности мультиплексора.

Сборка мультиплексора на 8 информационных входов. Проверка работоспособности.

Сборка демультиплексора с 8-ю информационными выходами и 3-мя адресными входами. Проверка работоспособности.

Подготовка графических материалов для составления отчёта.

Индивидуальная защита лабораторной работы в конце последнего часа.

Лабораторная работа 4. «Исследование триггеров».

Часть 1. Исследование работы триггеров на макете УМ-11.

Проверка работоспособности выданных студенту соединительных проводников.

Сборка схемы подачи синхроимпульсов от генератора одиночных импульсов (по методическим указаниям).

Сборка схемы асинхронного RS- триггера на элементах И-НЕ. Построение временной диаграммы работы триггера. Сборка схемы синхронного RS- триггера на элементах

И-НЕ. Построение временной диаграммы работы. Переделка последней схемы в схему синхронного триггера типа D. Построение временной диаграммы. Исследование работы триггера типа D на макете. Определение различия типов исследованных двух D – триггеров, определение среди них динамического и потенциального триггера по особенностям временных диаграмм.

Исследование JK- триггера макета во всех режимах (по методическим указаниям).

Построение временных диаграмм.

Подготовка графического материала для составления отчёта.

Часть 2. Исследование регистров с помощью программы Electronics Workbench.

Настройка генератора прямоугольных импульсов ( по методическим указаниям).

Построение схем асинхронных триггеров на элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Подключение и настройка прибора «логический анализатор» для получения временных диаграмм.

Построение схемы синхронного динамического RS – триггера. Получение временной диаграммы работы с помощью прибора «логический анализатор».

Построение схемы синхронного RS – триггера с задержкой (MS – типа). Получение временной диаграммы работы.

Построение счётного триггера на основе динамического D – триггера программы EWB. Подключение прибора «логический анализатор» для получения временной диаграммы работы триггера.

Исследование JK – триггера программы EWB в режимах, указанных в методических указаниях. Получение временных диаграмм. Объяснение влияния сигналов, поступающих по асинхронным входам JK – триггера.

Подготовка графических материалов для составления отчёта.

Индивидуальная защита лабораторной работы (в конце последнего часа).

Лабораторная работа 5. «Исследование регистров».

Часть 1. Исследование работы регистров на макете УМ-11.

Начало работы – получение у преподавателя набора коммутационных проводов и тестирование их на работоспособность. Сборка схемы подачи синхроимпульсов.

Сборка схемы четырёхразрядного регистра параллельного занесения кода на триггерах

D-типа. Дополнение схемы регистра мультиплексорами на элементах 2И-ИЛИ-НЕ для получения возможности считать прямой или обратный код. Продемонстрировать преподавателю работоспособность регистра на основе предложенных для занесения данных.

Сборка четырёхразрядного регистра сдвигающего типа на триггерах D-типа.

Организация занесения последовательного кода в сдвигающий регистр. Произвести занесение кода, выданного преподавателем. Объяснить действие каждого разряда в момент подачи синхроимпульса. Организация линии асинхронного сброса состояния сдвигающего регистра.

Часть 2. Исследование регистров с помощью программы Electronics Workbench.

Подготовка генератора синхроимпульсов и настройка его работы по методическим указаниям к лабораторной работе. Составление схемы реверсивного четырёхразрядного

регистра сдвига с возможностью сброса и занесения последовательного кода.

Подключение прибора «логический анализатор» для снятия временной диаграммы работы регистра и настройка его по методическим указаниям.

Получение у преподавателя кода для занесения в регистр и для снятия временной диаграммы. Демонстрация преподавателю работоспособности регистра и реверсивный режим работы.

Составление схемы универсального трёхразрядного регистра с организацией комбинационных схем переключения режимов работы регистра. Отладка его работы при занесении данных параллельным кодом и последовательным кодом при сдвигах вправо и влево. Представление работы регистра преподавателю с пояснением работы схемы управления режимами.

Подготовка графических материалов для отчёта по лабораторной работе.

Защита лабораторной работы (в конце последнего часа).

Лабораторная работа 6. «Исследование счетчиков».

Часть 1. Исследование работы счётчиков на макете УМ-11.

Начало работы – получение у преподавателя набора коммутационных проводов и тестирование их на работоспособность. Сборка схемы подачи синхроимпульсов.

Сборка схемы асинхронного суммирующего счётчика на счётных триггерах без задержки.

Проверка работоспособности в режиме счёта и сброса. Изображение временной диаграммы работы счётчика по индикации на макете. Сборка вычитающей схемы счётчика и проверка её работы.

Сборка 4-х разрядного асинхронного счётчика на JK- триггерах для прямого и обратного счёта. Проверка работоспособности в данных двух вариантах. Построение временной диаграммы работы счётчика по сигналам индикации макета.

Сборка синхронного 3-х разрядного счётчика на JK- триггерах. Пояснение управления счётом через множественные входы J и K.

Часть 2. Исследование счётчиков с помощью программы Electronics Workbench.

Подготовка генератора синхроимпульсов и настройка его работы по методическим указаниям к лабораторной работе.

Составление схемы реверсивного 4-х разрядного счётчика на счётных триггерах без задержки. Подключение к схеме счётчика прибора «логический анализатор» и получение временной диаграммы его работы.

Составление схемы реверсивного 4-х разрядного счётчика на триггерах JK- типа. Подключение к схеме счётчика прибора «логический анализатор» и получение временной диаграммы его работы. Проверка управления состоянием счётчика через асинхронные входы JK- триггеров.

Составление схемы асинхронного счётчика с ограничением модуля счёта. Значение модуля и тип направления счёта выдаётся преподавателем индивидуально.

Подготовка графических материалов для отчёта по лабораторной работе.

Защита лабораторной работы (в конце последнего часа).

Лабораторная работа 7. «Исследование сумматоров».

Исследование работы сумматоров проводится с помощью программы Electronics Workbench.

Составление комбинационной схемы одноразрядного полного сумматора из логических элементов состава программы EWB. Подсоединение схемы подачи аргументов и контроля результатов. Проверка работоспособности.

Составление схемы 4-х разрядного комбинационного сумматора параллельного действия с последовательным переносом на одноразрядных полных сумматорах программы EWB. Подсоединение схемы подачи аргументов и контроля результатов. Проверка работоспособности.

Составление схемы 4-х разрядного вычитателя на основе одноразрядных сумматоров программы EWB. Подсоединение схемы подачи аргументов и контроля результатов. Проверка работоспособности.

Составление схемы 4-х разрядного универсального сумматора-вычитателя на основе одноразрядных сумматоров программы EWB. Подсоединение схемы подачи аргументов и контроля результатов. Проверка работоспособности в режиме сложения и вычитания чисел.

Составление схемы 4-х разрядного инкрементора на основе одноразрядных сумматоров программы EWB. Проверка работоспособности.

Подготовка графических материалов для отчёта по лабораторной работе.

Защита лабораторной работы (в конце последнего часа).

Лабораторная работа 8. «Исследование арифметико-логического устройства».

Выбор микросхемы АЛУ из набора микросхем программы EWB (согласно методическим указаниям).

Создание подсхемы задания значений входных операндов. Создание подсхемы задания управляющих сигналов для АЛУ. Подсоединение цифровых индикаторов для анализа результатов операций на АЛУ. Сборка дополнительных подключений для проверки компаратора в составе АЛУ.

Выполнение моделирования работы АЛУ в режиме задания целых чисел без знака в режиме арифметических команд, применяя модификацию команд наличием входного переноса и затем несколько логических операций. Перечень команд для проверки работоспособности выдаётся преподавателем индивидуально.

Проверить работу АЛУ в режиме компаратора (по методическим материалам).

Подготовка графических материалов для отчёта по лабораторной работе.

Защита лабораторной работы( в конце последнего часа).

Состав материалов, предоставляемых в отчётах сформулирован для каждой темы лабораторной работы. Для самостоятельной подготовке к защите лабораторной работе по каждой теме приводится перечень типовых вопросов в разделах «контрольные вопросы». Защита проводится по каждой теме лабораторных работ.

Лабораторная работа №1

Освоение навыков работы с программой Electronics Workbench. Исследование работы логических элементов.

Цель лабораторной работы – изучение возможностей программы и пользовательского интерфейса программы Electronics Workbench (EWB). Изучение панели инструментов пользователя, имеющихся библиотечных электронных, логических и вспомогательных компонентов, необходимых для исследования схем широкого назначения. В результате проведения практического построения схем студент должен провести анализ получаемых результатов и выполнить задание по поиску аналогии поведения электрической переключательной схемы и булевой функцией, воспроизводимой соответствующим логическим элементом. Составить таблицы поведения булевой функции от всех комбинаций подаваемых сигналов на соответствующий логический элемент.

Продолжительность работы – 4 часа.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: