Исследование комбинационных схем: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине ''Автоматизация технологических процессов'' для студентов специальности 160201 ''Самолето- и вертолетостроение''

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ Методические указания

Ульяновск 2006

1

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» для студентов специальности 160201 «Самолето- и вертолетостроение»

Составители В. П. Туробов С. Н. Ларин

Ульяновск 2006

2

УДК 681.325.023(076) ББК 32.97я7 И89 Рецензенты: профессор кафедры «Самолетостроение», доктор техн. наук П. М. Попов; начальник научно-исследовательской лаборатории ФНПЦ ОАО «НПО «Марс», кандидат техн. наук А. А. Тарасов Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Исследование комбинационных схем: методические указания к И89 лабораторной работе по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» для студентов специальности 160201 «Самолето- и вертолетостроение» / сост. В. П. Туробов, С. Н. Ларин. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 18 с. Методические указания содержат сведения о проведении лабораторной работы «Исследование комбинационных схем» по дисциплине «Автоматизация технологических процессов», в которой изучаются типовые устройства комбинационных схем, исследуются их функции и некоторые характеристики. Структурное построение работы позволяет обеспечить самостоятельное выполнение заданий каждым студентом в составе бригады. Работа подготовлена на кафедре «Самолетостроение».

УДК 681.325.023(076) ББК 32.97я7 © Туробов В. П., Ларин С. Н., составление, 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006

3

Содержание Цели и задачи лабораторной работы .................................................................. 4 Сведения из теоретических основ ....................................................................... 4 Общие требования к выполнению лабораторной работы................................. 7 Состав оборудования для проведения лабораторной работы .......................... 8 Описание лабораторного стенда.......................................................................... 8 Порядок выполнения лабораторной работы ...................................................... 9 Требования к отчету по лабораторной работе ................................................... 10 Защита работы и использование отчетов............................................................ 11 Контрольные вопросы........................................................................................... 11 Библиографический список.................................................................................. 11 Приложение 1 ........................................................................................................ 12 Приложение 2 ........................................................................................................ 13 Приложение 3 ........................................................................................................ 14 Приложение 4 ........................................................................................................ 15 Приложение 5 ........................................................................................................ 16 Приложение 6 ........................................................................................................ 17

4

Цель и задачи лабораторной работы Выполнение лабораторной работы преследует цель закрепить теоретический курс дисциплины «Автоматизация технологических процессов» по теме «Управляющие системы АСУ ТП» с формированием практических навыков экспериментальных исследований. Достижение цели лабораторной работы осуществляется решением следующих задач: − изучением типовых устройств базовой системы транзисторнотранзисторной логики (ТТЛ) ЦВТ; − практическим формирование таблиц функционирования; − экспериментальным исследованием функционирования типовых устройств; − выработкой навыков в составлении отчета. Сведения из теоретических основ Преобразование информации в ЭВМ производится электронными устройствами (логическими схемами) двух классов: комбинационными схемами и цифровыми автоматами. В комбинационных схемах (КС) совокупность выходных сигналов (выходное слово Y) в любой момент времени однозначно определяется входными сигналами (входным словом X), поступающими на входы в тот же момент времени. Реализуемый в этих схемах способ обработки информации называется комбинационным, так как результат обработки информации зависит от комбинации входных сигналов и вырабатывается сразу при подаче входной информации. Закон функционирования комбинационной схемы определен, если задано соответствие между ее входными и выходными словами, например, в виде таблицы, которая называется таблицей истинности, если охватывает все сочетания входных слов, при этом очередность следования входных слов не имеет значения. Дешифраторы Комбинационная логическая схема, преобразующая входной код в сигнал только на одном из его входов, называется дешифратором. Если количество двоичных разрядов дешифрируемого кода обозначить через n, то число выходов дешифратора должно быть 2n. В ЭВМ с помощью дешифраторов осуществляется выборка необходимых ячеек запоминающих устройств, расшифровка кодов операций с выдачей соответствующих управляющих сигналов и т. д.

5

Состояние дешифратора (рис. 1, а), имеющего n=2 входа и 22=4 выхода, описывается таблицей (рис. 1, б), из которой следует, что каждому набору входных переменных соответствует сигнал «1» только на одном выходе дешифратора. 1

DC

Входы 0S 1 2

2

3 а)

Выходы

Х1

Х2

f0

f1

f2

f3

0

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

б) Рис 1. Условное обозначение (а) и таблица состояний (б) дешифратора на 2 входа

Мультиплексоры Мультиплексором называется схема, осуществляющая передачу сигнала с одной из входных линий в одну выходную. Выбор входной (информационной) линии производится кодом, поступающим на управляющие входы мультиплексора (рис. 2). Сумматоры Сумматором называется узел ЭВМ, выполняющий арифметическое суммирование кодов чисел. Обычно сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных суммирующих схем. При сложении двух чисел в каждом разряде производится сложение трех цифр: цифры данного разряда первого слагаемого, цифры данного слагаемого второго слагаемого и цифры (1 или 0) переноса из соседнего младшего разряда. В результате сложения для каждого этого разряда и цифра (1 или 0) переносится в следующий старший разряд. На рис. 3 приведены условные обозначение одноразрядного комбинационного сумматора и его таблица истинности. Параллельный (многоразрядный) сумматор может быть составлен из одноразрядных сумматоров, число которых равно числу разрядов слагаемых, путем соединения выхода на котором формируется сигнал переноса данного разряда, со входом для сигнала переноса соседнего старшего разряда (рис. 4, а).

6

D3 D2

D1

D0 &

X1

DC

1

1

&

0 1

X0

Y

2

2

&

3

&

Рис. 2. Функциональная схема мультиплексора с двумя управляющими входами

С помощью сумматоров производят операции сложения, вычитания, сравнения кодов и др. Входы

SM

S P

а)

Выходы

a

b

p

S

P

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

1

б) Рис. 3. Условное обозначение (а) и таблица состояний (б) одноразрядного комбинационного сумматора

7

SM Pi-2

i-1

ai-1

bi-1

Si+1

Si

Si-1 S

SM

P

i

ai

bi

S P

SM

S

i+1

P

Pi+1

ai+1 bi+1

Рис. 4. Функциональная схема параллельного сумматора

Общие требования к выполнению лабораторной работы Прежде чем начинать работать в лаборатории, каждый студент должен ознакомиться с действующей инструкцией по технике безопасности, имеющейся в лаборатории. Инструктаж по технике безопасности проводит преподаватель 1 раз в семестр перед началом работ в лаборатории, после чего каждый студент ставит свою подпись в журнале инструктажа. Студент, не выполнивший эти требования или нарушивший требования техники безопасности в процессе работы, от занятий в лаборатории отстраняется. К лабораторной работе допускаются студенты, ознакомившиеся с описанием работы, лабораторного стенда, измерительных приборов и предельно допустимых параметров установок и приборов. Работа студентов разрешается только на исправном оборудовании. На неисправном оборудовании вывешивается знак, запрещающий его использование. Выполнять работу можно только бригадой, состоящей не менее, чем из двух человек. Собирать и изменять схему можно только при полностью снятом напряжении и только с разрешения преподавателя. Сборку схемы осуществляет один из членов бригады, второй его контролирует. Собрав и проверив схему и установив все органы управления в исходное положение, доложить преподавателю о готовности к работе. Разрешение на включение питания дает преподаватель после проверки схемы. Выполнив тот или иной этап работы, необходимо выключить питание и, показав результаты измерений преподавателю, получить разрешение на требуемые изменения в схеме. Сделав изменения в схеме, необходимо вновь показать ее преподавателю и получить его разрешение на подачу питания для дальнейших исследований.

8

При обнаружении неисправности или при возникновении неясности в проведении работы необходимо немедленно выключить питание и обратиться к преподавателю. По окончании работы необходимо разобрать схему, все элементы управления перевести в исходное положение, соединительные проводники уложить в отведенное для них место, сдать рабочее место и оборудование преподавателю. Запрещается: − касаться оголенных проводников и неизолированных частей аппаратуры; − включать оборудование без предварительной проверки его преподавателем; − производить переключение в схемах, находящихся под напряжением, если это не указано в инструкциях к работе; − оставлять без наблюдения установки, находящиеся под напряжением; − снимать и перевешивать предупреждающие знаки; − использовать оборудование не по назначению, превышать номинальные параметры; − покидать лабораторию, не сдав рабочее место и оборудование преподавателю. Состав оборудования для проведения лабораторной работы 1. Лабораторный стенд 1 шт. 2. Соединительные провода с наконечниками 20 шт. 3. Провод заземления 1 шт. 4. Модули с исследуемыми интегральными микросхемами (приложения 5-6). Описание лабораторного стенда Структурная схема лабораторного стенда приведена в приложении 1. Лабораторный стенд содержит три однотипных блока коммутации и воздействия (Блок 1; Блок 2; Блок 3), линейку индикации ЛИ и вольтметр В со шкалой (0….5 В), имеющего гнезда для подключения проводов. Каждый из блоков имеет: розетку (Х1; Х2; Х3) для подключения исследуемого модуля с микросхемой; устройство входных воздействий, состоящее из линейки триггеров (ЛТг1; ЛТг2; ЛТг3) и тумблерно-кнопочной линейки (ТКЛ1; ТКЛ2; ТКЛ3), коммутационное поле из трех розеток (Х4 – Х12) для проведения необходимых соединений в процессе проведения лабораторной работы. Розетки Х1; Х2; Х3 имеют соединения одноименных контактов с соответствующими розетками Х5; Х8; Х11.

9

Входные воздействия подаются с ТКЛ на соответствующие контакты розеток Х4; Х7; Х10. Воздействия от кнопок «0» подаются на контакты « ∏ » и « C », при этом на контакте « ∏ » при отпущенной кнопке генерируется уровень логического нуля, а при нажатой – логической единицы, на контакте « C » при отпущенной кнопке генерируется уровень логической единицы, а при нажатой – логического нуля. Контакты розеток Х6; Х9; Х12 связаны одноименными 4-мя разрядами ЛИ. При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать следующие правила. 1. Контакты розеток Х4; Х7; Х10 можно соединять только с входными контактами исследуемого модуля или контактами розеток Х6; Х9; Х12. Запрещается соединять их между собой, а также с выходными контактами исследуемого модуля. 2. Исследуемые модули устанавливаются только в розетки Х1; Х2; Х3. 3. Все необходимые соединения производятся на полях розеток блока 1 – Х4; Х5; Х6, блока 2 – Х7; Х8; Х9, блока 3 – Х10; Х11; Х12. 4. Подключение вольтметра для измерения уровней напряжения производиться путем соединения гнезд вольтметра соединительными проводниками с исследуемыми точками схемы, при этом гнездо с обозначением «┴» соединяется с точками схемы одноименного обозначения. 5. Подача питания на схему производится путем включения тумблера «Сеть» с контролем зажигания одноименной индикации. Порядок выполнения лабораторной работы Лабораторная работа состоит из 2 разделов. 1. Изучение лабораторного стенда и проверки его функционирования Изучение лабораторного стенда и знание его функционирования оценивается перед началом экспериментальной части работы. Проверка функционирования состоит из проверки работы схем воздействия и проверки работы схем индикации. Проводите ее в следующем порядке: 1. Проверьте заземление стенда и подайте питание. 2. Соедините один из входов ЛИ блока 1 поочередно с каждым контактом выхода схемы воздействия и манипулируя соответствующими органами «Вх4» оцените работоспособность выходов Х4. 3. Повторите эту операцию для блока 2 и блока 3. 4. Соедините один из выходов схемы воздействия блока 1 поочередно с каждым входом ЛИ, и манипулируя органом выбранного разряда, оцените работоспособность входов Х6.

10

5. Повторите эту операцию для блока 2 и блока 3. 6. Выключите питание стенда. 7. Сделайте вывод об исправности лабораторного стенда и доложите об этом преподавателю для разрешения перехода к следующему разделу. 2. Исследование функционирования комбинационных схем Исследование функционирования комбинационных схем аналогично исследованию функционирования логических элементов. Выполните его в следующем порядке: 1. Получите от преподавателя задание о типах исследуемых схем. 2. Изучите их функции и составьте схему подключения к лабораторному стенду согласно приложению 2. При этом все входы микросхемы должны быть подключены к выходам блоков входных воздействий (Х4; Х7; Х10), а все выходы – ко входам блока индикации (Х6; Х9; Х12). 3. Составьте таблицу функционирования схемы согласно приложению 3. 4. Соберите схему и установите исследуемую микросхему в соответствующий разъем (Х1; Х2; Х3). 5. Покажите собранную схему преподавателю и после его разрешения подайте питание. 6. Манипулируя тумблерами соответствующей линейки (Вх4; Вх7; Вх10) в соответствии с таблицей истинности проверьте по соответствующей индикации правильность функционирования комбинационной схемы. 7. Выключите питание стенда. 8. Сделайте вывод о выполняемой схемой функции и соответствии между экспериментально полученной и составленной таблицей истинности. Разберите схему. Требования к отчету по лабораторной работе Отчет о лабораторной работе выполняется каждым студентом индивидуально. Результаты исследований в нем записываются те, которые получены в процессе выполнения работы бригадой. Выводы каждый студент делает индивидуально. Отчет должен содержать: 1. титульный лист (приложение 4); 2. разделы работы; 3. общие выводы о работе; 4. подпись студента, составившего отчет. Все разделы отчета должны иметь нумерацию, наименование и оканчиваться выводами.

11

Первый раздел должен содержать схему стенда с указанием названий элементов, способ проверки и ее результаты. Второй раздел должен содержать таблицу и необходимые расчеты. Третий, четвертый, пятый разделы должны содержать тип и название микросхем, схемы подключения микросхем с описанием назначения выводов и таблицы по каждой исследуемой микросхеме. Защита работы и использование отчетов Защита лабораторной работы осуществляется бригадой студентов или каждым студентом индивидуально и включает в себя: − представление отчетов (отчета); − ответы на вопросы преподавателя. По результатам защиты преподаватель делает отметку на титульном листе о защите работы и ставит свою подпись и дату. После защиты отчеты хранятся у студентов до окончания текущего семестра и могут быть потребованы для представления на экзамен по курсу «Автоматизация технологических процессов». Контрольные вопросы 1. Что такое комбинационная схема и чем определяется ее функционирование? 2. Как влияет на функционирование комбинационной схемы и цифрового автомата изменение порядка подачи входных воздействий? 3. Каковы типовые функции преобразования информации в управляющих системах? 4. Каковы принципы представления информации в ЦВМ? 5. Каково основное назначение и функции сумматоров, дешифраторов мультиплексоров, демультиплексоров? Библиографический список 1. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы / В. Л. Шило. – М.: Радио и связь, 1988. 2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник / под редакцией С. В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1990. 3. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: справочник / под ред. Б. Н. Файзулаева. – М.: Радио и связь, 1986.

12

Приложение 1 В

ЛИ «1-4 р»

ЛТг1

ЛТг2

ЛТг3

Структурная схема лабораторного стенда «Вх4» ТКЛ1

«Вх7» ТКЛ2

«Вх10» ТКЛ3

«Х12»

«Х10»

«Х3»

«Х9»

«Х8»

«Х7»

«Х2»

«Х6»

«Х5»

«Х4»

«Х1»

«1-4 р»

«Х11»

«1-4 р»

Приложение 2

X4

Назначен. Вх. 1 (1) Вх. 2 (1)

X5

1

8 7

2

Вх. 1 (2)

3

Вх. 2 (2)

4

4 1

Вх. 2 (3)

№ Конт.

Назначен.

1

Вых. 1

2

Вых. 2

3

Вых. 3

4

Вых. 4

№ Конт.

3

Вх. 1 (3)

X6

5 6

16

6

DA

A1 EA DC A2 A3 A4 S0 S1 EB DB

B1 B2 B3 B4

2

Х9

№ Конт.

Назначен.

1

Вых. 1

2

Вых. 2

3

Вых. 3

4

Вых. 4

Схема подключения микросхемы

Приложение 3

14

Таблица истинности комбинационной микросхемы Вх-Вых № ввода МС

Входы 1

2

4

5

Разъем

9

Выходы 10

12

13

3

6

Х4

8

11

Х6

№слова-№ Конт.

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

3

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

4

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

….

….

….

….

….

…. …. …. …. …. …. …. ….

N

Приложение 4

15

Ульяновский государственный технический университет Институт авиационных технологий и управления Кафедра «Самолетостроение»

Лабораторная работа «Исследование комбинационных схем»

Составил студент(ы)___________________________ (подпись, ФИО)

Работа принята с оценкой /_________________/ Преподаватель ____________________________ (подпись, ФИО)

/________/_____________2006

Ульяновск 2006 Приложение 5

16

Четырехразрядный двоичный сумматор 13

Р0

10 11

А1

8

А2

7

В2

3

А3

В1

В3

4 1

А4 В4

16

S1

9

S2

6

S3

2

S4

15

Р1

14

SМ

Схема и нумерация выводов Назначение выводов: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

– вход 4 разряда слагаемого А – выход 3 разряда суммы – вход 3 разряда слагаемого А – вход 3 разряда слагаемого В – питание 5 В – выход 2 разряда суммы – вход 2 разряда слагаемого В – вход 2 разряда слагаемого А – выход 1 разряда суммы – вход 1 разряда слагаемого А – вход 1 разряда слагаемого В – общий – вход переноса – выход переноса – выход 4 разряда суммы – вход 4 разряда слагаемого В Приложение 6

17

Микросхема 133 ИД4 «2 дешифратора- демультиплексора»

8

DA

A1 EA DC A2 A3 A4 S0

7 3

S1

4 1

EB

16

DB

6

2

B1 B2 B3 B4

Схема и нумерация выводов Назначение выводов: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

– вход «выбор демультиплексора А» – вход «данные демультиплексора А» – вход 1р адреса – выход 4р данных демультиплексора А – выход 3р данных демультиплексора А – выход 2р данных демультиплексора А – выход 1р данных демультиплексора А – общий – выход 1р данных демультиплексора В – выход 2р данных демультиплексора В – выход 3р данных демультиплексора В – выход 4р данных демультиплексора В – вход переноса – выход переноса – выход 4 разряда суммы – вход 4 разряда слагаемого В

18

Учебное издание ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ Методические указания Составители: ТУРОБОВ Валерий Павлович ЛАРИН Сергей Николаевич Редактор О. А. Фирсова Подписано в печать 23.03.06. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 0,90. Тираж 100 экз. Заказ Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.