Теоретичні відомості

Теоретичні відомості

1. Система моделювання електронних схем Electronics Workbench.

Програмний комплекс EWB розроблений фірмою Interactive Image Technologies (Канада) для схемотехнічного моделювання цифрових й аналогових радіоелектронних пристроїв.

Попереднє дослідження електронної схеми зі застосуванням комп'ютерного моделювання дозволяє знайти оптимальні параметри для роботи досліджуваного пристрою, не прибігаючи до його практичної реалізації. Дослідження на програмній моделі дозволяє ознайомитися з можливостями перевірки правильності побудови схем. При розробці складних схем фізичне моделювання буває просто неможливо через надзвичайну складність пристрою.

Особливість програми EWB у наявності в ній контрольно-вимірювальних приладів, по зовнішньому вигляді, органам керування й характеристикам максимально наближених до їхніх промислових аналогів.

Програма EWB 4.1 розрахована для роботи в середовищі Windows і займає близько 5 Мбайт дискової пам'яті, EWB 5.0 - у середовищі Windows 95/98 й NT 3.51, необхідний обсяг дискової пам'яті - близько 16 Мбайт. Для розміщення тимчасових файлів потрібно додатково 10.....20 Мбайт вільного простору.

Ми будемо користуватися версіями EWB5PRO та EWB v.5.12.

2. Структура вікна й система меню.

Рис. 1. Вікно програми EWB 5.x.

Вікно містить рядок команд меню, рядок основних типових електронних пристроїв, поле для складання досліджуваної схеми і смуги керування прокручуванням.

Основні команди меню:

2.1. Меню File:

перші чотири команди меню типові й пояснень не вимагають.

- Revent to Saved - стирання всіх змін, внесених у поточному сеансі редагування, і відновлення схеми в первісному виді.

- Install - установка додаткових програм з жорстких дисків.

- Import - імпорт текстових файлів опису схеми.

- Export - складання текстового опису схеми й завдання на моделювання у форматі SPICE.

2.2. Меню Edit:.

- CUT - стирання (вирізання) виділеної частини схеми зі збереженням у буфері обміну. Виділення одного компонента виробляється натисканням миші на зображенні компонента. Для виділення частини схеми або декількох компонентів курсор миші в лівий кут уявлюваного прямокутника, що охоплює виділювану частину, нажати ліву кнопку миші й, не відпускаючи її, простягнути курсор по діагоналі цього прямокутника, контури якого з'являються вже на початку руху миші, і потім відпустити кнопку. Виділені компоненти офарблюються в червоні кольори.

- COPY - копіювання виділеної частини схеми в буфер обміну.

- PAST- вставка вмісту буфера обміну на робоче поле програми. Фрагмент потім ще будучи відзначеним переноситься за допомогою миші в потрібне місце.

- DELETE - стирання виділеної частини схеми.

- SELECT ALL - виділення всієї схеми.

- COPYBITS - команда перетворює курсор миші в хрестик, яким за правилом прямокутника можна виділити потрібну частину екрана, після відпускання лівої кнопки миші виділена частина копіюється в буфер обміну, після чого його вміст може бути імпортоване в будь-який додаток Windows. Копіювання всього екрана виробляється натисканням клавіш Print Screen; копіювання активної в цей момент частини екрана, наприклад, діалогового вікна - комбінацією Alt+Print Screen.

- Show Clipboard- показати вміст буфера обміну.

- Copy as Bitmap - копіює виділена ділянка в буфер обміну.

2.3. Меню Circuit - використається при підготовці схем, а також для завдання параметрів моделювання.

- Activat - запуск моделювання.

- Stop - зупинка моделювання. Ці дві команди дублюються натисканням кнопки вимикача, розташованого в правому верхньому куті екрана.

- Pause - переривання моделювання.

- Label - уведення позиційного позначення виділеного компонента за допомогою діалогового вікна.

- Value - зміна номінального значення параметра компонента за допомогою діалогового вікна.

- Model - вибір моделі компонента, команда виконується також подвійним натисканням миші по компоненті. Робота з меню, як і у всіх інших подібних випадках, закінчується натисканням кнопок Accept або Cancel - зі збереженням або без збереження уведених змін.

- Zoom - розкриття (розгортання) виділеної підсхеми або контрольно-вимірювального приладу, команда виконується також подвійним натисканням миші по іконці компонента або приладу.

- Rotate- обертання виділеного компонента.

- Fault - імітація несправності виділеного компонента шляхом введення:

- leakage- опору витоку,

-short - короткого замикання,

-open - обриву,

- none - відсутність несправності (включено по замовчуванню).

- Subcircuit - перетворення попередньо виділеної частини схеми в підсхему.

- Wire Color - зміна кольорів попередньо виділеного провідника. Розцвічення провідників важливе у випадку застосування логічного аналізатора - у цьому випадку кольори провідника визначають кольори тимчасової діаграми.

- Preferences- вибір елементів оформлення схеми відповідно до меню.

3. Створення схем і технологія створення.

Для створення схем, розглянутих у рамках лабораторних робіт з курсу "Архітектура ЕОМ" досить скористатися наявними типовими компонентами.

Для відкриття потрібної бібліотеки компонентів потрібно підвести курсор миші до відповідної іконки й нажати один раз її ліву

кнопку. У списку, що випадає, вибирається необхідний значок, і пересувається при втриманні лівою клавішею миші на робоче поле програми. Для установки параметрів необхідно подвійним натисканням лівою кнопкою миші розкрити меню настроювання параметрів компонента. Вибір підтверджується натисканням кнопкою Accept і клавішею Enter.

Після розміщення компонентів виробляється з'єднання їхніх виходів провідниками. При цьому необхідно враховувати, що до виходу компонента можна підключити тільки один провідник.

Для виконання підключення курсор миші підводить до виходу компонента й після появи прямокутної площадки синіх кольорів, натискається ліва кнопка й провідник, що з'являється при цьому, простягається до виходу іншого компонента до появи на ньому такої ж прямокутної площадки, після чого кнопка миші відпускається й з'єднання готове. При необхідності підключення до цих виходів інших провідників у бібліотеці Passive вибирається крапка (символ з'єднання) і переноситься на раніше встановлений провідник. Після вдалої постановки крапки до провідника приєднується ще два провідники.

Крапка з'єднання може бути використана не тільки для підключення провідників, але й для введення написів.

Якщо необхідно перемістити окремий сегмент провідника, до нього підводить курсор, натискається ліва кнопка й після появи у вертикальній або горизонтальній площині подвійного курсору виробляються потрібні переміщення.

Підключення до схеми контрольно-вимірювальних приладів виробляється аналогічно. Причому для таких приладів, як осцилограф або логічний аналізатор, з'єднання доцільно проводити кольоровими провідниками, оскільки їхні кольори визначає відповідну осцилограму.

4. Основні компоненти EWB.

4.1. Компонент Вихід з EWB.

4.2 Допоміжні компоненти -група SOURCES:

- заземлення (мітка). крапка нульового потенціалу в схемі.

- джерело фіксованої напруги +5 вольт

- генератор однополярних прямокутних імпульсів (амплітуда,

частота, коефіцієнт заповнення).

4.3 Основні пасивні елементи - група BASIC:

- крапка з'єднання провідників, використовується також для введення на схему написів довжиною не більше 14 символів (інших способів введення тексту в EWB не існує).

- перемикач, керований натисканням задає клавіші, що клавіатури (у квадратних дужках), за замовчуванням- клавіша пробілу.

- перемикач, що автоматично спрацьовує через заданий час на включення й вимикання (час у секундах).

4.4. Індикаторні прилади - група INDICATORS.

- світлоіндікатор (світло світіння може бути настроєний червоним, зеленим і синім)

- семисегментний індикатор з дешифратором.

- семисегментний індикатор.

- лампа розжарення.

4.5. Логічні елементи - група LOGIC GATES

- логічний елемент "І"

- логічний елемент "АБО"

- логічний елемент "НІ"

- логічний елемент "АБО-НІ"

- логічний елемент "І-НІ"

- логічний елемент виключаючий "АБО"

- логічний елемент імплікація

4.6. Комбіновані цифрові компоненти.

- асинхронний RS-тригер

- універсальний JK-тригер із прямим тактовим входом і входами предустановки

- універсальний JK-тригер з інверсним тактовим входом й інверсними входами предустановки

- D-тригер без предустановки

- D- із входами предустановки

- напівсуматор

- повний суматор

4.7. Прилади, група INSTRUMENTS.

- логічний аналізатор

- генератор слова - Word Generator

На першому малюнку показаний генератор слова з підключеними семисегментними індикаторами й зовнішнім генератором синхроімпульсів.

На другому малюнку генератор слова показаний у розгорнутому виді.

Генератор (або кодовий генератор) призначений для генерації 16-ти розрядних двійкових слів, які набираються користувачем на екрані, розташованому у лівій частині лицьової панелі. Для набору двійкових комбінацій необхідно клацнути мишею на відповідному розряді й потім увести із клавіатури

число в десятковому коді.

Сформовані слова видаються на шістнадцять розташованих у нижній частині приладу вихідних клем-індикаторів:

- з індикацією у двійковому коді в рядку вікна binary;

- у покроковому (step), циклічним (cycle) або з обраного слова до кінця (при натисканні кнопки BURST) при заданій частоті посилок (установка завдання частоти у вікнах FREQUENCY);

- при внутрішньому або зовнішньому запуску (при натисканні кнопки EXTERNAL, праворуч верхня клема служить для підключення сигналу синхронізації);

- при запускові по передньому або задньому фронті сигналу синхронізації служить кнопка

- на праву нижню клему видається вихідний синхронізуючий імпульс.

5. Приклад складання досліджуваної схеми.

Зібрати схему логічного елемента "І".

5.1. У групі Logic Gates, вибирається логічний елемент "І".

Двома натисканнями миші на зображенні логічного елемента переходимо до настроювань параметрів логічного елемента "І". Вибираємо кількість входів, наприклад 4. Можна привласнити назву логічному елементу.

До виходу логічного елемента приєднуємо із групи INDICATORS червоний світодіод.

Для одержання логічного сигналу (0 або 1) зручно скористатися джерелом напруги

і перемикачем

Потім набираємо 4 джерела й 4 перемикачі

При цьому привласнюємо кожному перемикачу клавішу перемикання

Потім з'єднуємо входи логічної схеми "І" з кожним із перемикачів.

Перевірка складається в подачі різних кодових комбінацій на вхід логічної схеми.

На виході логічної схеми "І" з'являється логічна 1 (горить світодіод) тільки при подачі логічних 1 (потенціал 5 вольтів) на всі чотири входи логічної схеми "І".

Завдання для студентів

1. Ознайомитися з правилами запуску і настроюванням програмного моделюючого комплексу EWB.

2. Ознайомитися з переліком основних елементів з бібліотеки EWB, необхідним для моделювання логічних схем і цифрових пристроїв ЕОМ.

3. Виконати приклад, що наведений вище.

4. Дати відповідь на контрольні питання.

3. Контрольні питання

1. Які логічні елементи є в бібліотеці EWB?

2. Які параметри набудовують генератору прямокутних імпульсів.

3. Як виробляється з'єднання більше двох входів або виходів

між собою?

4. Якою командою можна скопіювати зображення схеми у звіт по лабораторній роботі, підготовлюваної в текстовому редакторі WORD.

5. За допомогою яких елементів можна змоделювати подачу логічної 1 і логічного 0?

Лабораторна робота № 2

Тема: Моделювання роботи тригерів за допомогою програми аналізу електронних схем Electronic Workbench

Мета: Ознайомлення c можливостями моделювання роботи схем тригерів. Дослідження роботи схем тригерів різних типів, дослідження тимчасових діаграм роботи тригерів

Обладнання та програмне забезпечення: ПК, програма аналізу електронних і логічних схем Electronic Workbench

Теоретичні відомості

1. Основні поняття

Функціональні вузли й пристрої ЕОМ синтезуються на основі двох типів логічних схем: комбінаційних схем (КС) і елементів пам'яті (ЕП), у яких зберігаються результати цих операцій для використання в наступних операціях. У якості ЕП у вузлах і пристроях ЕОМ найбільше поширення одержали тригерні пристрої або, як їх частіше називають - тригери.

Тригери як цифрові автомати. Тригер являє собою пристрій із двома стійкими станами, що містить елемент пам'яті (властиво тригерам) і схему керування, виконану, як правило, за допомогою КС. Схема керування перетворить вступаючу на її входи Х1 Х2... Хm інформацію в комбінацію сигналів, що діють безпосередньо на входи властиво тригера. При цьому інформаційні входи тригера ототожнюються із вхідними змінними й мають наступні позначення:

S (від англійського Set - установка) - вхід для асинхронної установки тригера в стан I (S - вхід);

R (від англ. Reset - скидання) - вхід для асинхронної установки тригера в стан 0 (R - вхід);

D (від англ. Delay - затримка) - інформаційний вхід для установки тригера в стан I або 0 (D - вхід);

T (від англ. Toggle - кувиркатися) - рахунковий вхід (T - вхід);

J - вхід для синхронної установки стану I в універсальному J-K - тригері (J - вхід);

К - вхід для синхронної установки стану 0 в універсальному J-ДО - тригері (ДО - вхід);

С - вхід синхронізації (С - вхід).

Асинхронні входи R й S можуть бути прямими й інверсними. Інверсні входи позначаються знаком інверсії. Для інверсних входів інформаційним сигналом є рівень логічного "0" (низький рівень) на рівень логічної "I" (високий рівень) тригер не реагує. Для прямих входів навпаки інформаційним сигналом є рівень логічної "I".

Вихід тригера прийнято ототожнювати з його внутрішнім станом і позначати символом Q. Гнітюче число схем тригерів має два виходи: прямій Q й інверсний . У сталому стані завжди, якщо Q = I, то = 0 й, якщо Q = 0, то = I. При цьому вважають, що тригер перебуває в стані "I", якщо на прямому виході Q є високий рівень напруги (Q = I, = 0), і в стані "0", якщо на прямому виході є низький рівень напруги (Q = 0, = 1).

Приклади умовної позначки тригерів на функціональних схемах відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТ 2.743-91 (ЕСКД) показані на мал.2.1 Якщо тригер містить вхідну логіку, що управляє процесом занесення в нього інформації, то в прямокутнику, що умовно зображує тригер, відокремлюється рискою ліве додаткове поле, а в ньому показується вхід "З" синхронізуючого сигналу й відзначаються функціональні призначення інформаційних вхідних сигналів Х1 Х2... Хm.

В основному полі прямокутника ставиться символ Т для позначення тригера. Додаткове поле може бути розділене на дві частини: асинхронну й синхронну. У першій проставляються символи S й R входів асинхронної установки тригерів в I й 0, у другий на місцях Х1 Х2... Хm - символи, що відносять даний тригер до того або іншого функціонального типу.

Завдання законів функціонування тригерів. Закони функціонування кінцевих автоматів,взагалі і зокрема, тригерів можуть бути задані різними способами. Часто такий закон задають таблицею істинності. Таблиця істинності відбиває процес переходу тригера з одного стійкого стану в інший, і тому її частіше називають таблицею переходів. У таблиці переходів утримуються значення інформаційних і синхронізуючих сигналів на вході тригера, а також значення вихідних сигналів (внутрішніх станів тригера) після закінчення дії синхронізуючого сигналу. Закон функціонування тригера може бути заданий й у вигляді характеристичного рівняння логічної функції виду

де - стан тригера після закінчення дії синхронізуючого сигналу

- стан тригера до приходу синхронізуючого сигналу

- значення сигналу на інформаційному вході в момент часу

Між таблицею переходів і характеристичним рівнянням існує взаємно однозначна відповідність, тобто від таблиці переходів завжди можна перейти до характеристичного рівняння й навпаки.

Класифікація тригерів.

У цей час в інтегральній мікросхемотехніці найпоширенішими є тригери й логічні елементи потенційного типу. В основу класифікації цих тригерів покладені дві основні ознаки:

1) Функціональна - ця ознака визначає призначення тригера й у ряді випадків є вирішальним при виборі типу тригера для проектованого обчислювального пристрою або вузла. По зазначеній ознаці розрізняють тригери R-S,D-,T-,J-K- і ін. типів.

2) Спосіб запису інформації в тригер - ця ознака характеризує спосіб запису інформації й тимчасову діаграму робіт тригера, тобто визначає хід процесу запису інформації в тригер. За цією ознакою тригери підрозділяються на дві групи:

а) асинхронні;

б) синхронні;

Запис інформації в асинхронний тригер здійснюється в довільний момент часу безпосередньо з надходженням інформаційного сигналу на вхід тригера.

Синхронні тригери крім інформаційних входів містять один або кілька синхронізуючих входів (вхід З на мал. 2.1). Запис інформації в такі тригери здійснюється тільки при подачі синхронізуючого імпульсу (СІ). У свою чергу, синхронні тригери підрозділяються на тригери, що працюють за рівнем СІ (без затримки) і на тригери із внутрішньою затримкою. У перших спрацьовування відбувається одночасно з надходженням СІ, а в других - після закінчення дії СІ.

ТРИГЕРИ R-S – типу

Асинхронним тригером R-S типу (R-S -тригером) називається логічний пристрій із двома стійкими станами, що має два інформаційних входи R й S, такі що, при S = I й R = О тригер приймає стан I (Q = I), а при R = I й S = 0 тригер приймає стан 0 (Q = 0). Закон функціонування R - S - тригера із прямими входами відображений у таблиці переходів (таблиця I).

Як слідує з табл.1 стан R - S -тригера не змінюється, Таблиця 1. якщо на обох входах схеми діють сигнали з рівнем

логічного нуля. У випадку одночасного надходження на входи R і S логічних I, тригер приймає невизначений стан, позначений у табл. 1 символом *.

Тому логічні пристрої на основі тригерів повинні будуватися з урахуванням виключення комбінацій сигналів R = S = I.

Характеристичне рівняння R - S - тригера із прямими входами поставлене у відповідність із його таблицею переходів і з урахуванням обговореного обмеження, можна записати у вигляді:

Для асинхронних R - S тригерів, з інверсними входами

інформаційним сигналом є рівень логічного "0" і забороненою комбінацією R= S = 0, а характеристичне рівняння має вигляд

Таблиця переходів відрізняється від табл.1.

Позначення тригерів показане на мал. 2.2.

Синхронний R-S -тригер із прямими входами.

У відмінності від асинхронного цей тригер на кожному інформаційному уведенні має додаткові схеми збігу, перші входи котрих об'єднані й на них подаються синхронізуючі сигнали. Другі входи схем порівняння є інформаційними. Таким чином, наявність схем збігу визначає та обставина, що тригер буде спрацьовувати від сигналів R й S тільки при наявності синхронізуючого імпульсу. Характеристичне рівняння синхронного R-S - тригера із прямими входами можна представити в наступному вигляді:

На мал. 2.3 представлене позначення синхронного R-S - тригера із прямими входами. Закон функціонування синхронного R-S - тригера із прямими входами представлений у таблиці переходів (таблиця 2).

Таблиця2.

Комбінація R=S=З=I є забороненою й повинна бути виключена при функціонуванні схем з використанням синхронних R-S - тригерів.

Дата добавления: 2015-07-11