И цифровых автоматических устройств

Лабораторная работа № 5

ПОСТРОЕНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ СХЕМ ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСОВ

И ЦИФРОВЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Цель работы: научиться строить схемы и анализировать работу простых цифровых автоматов. Собрать и испытать несколько автоматов.

Изученные нами устройства - логические элементы и триггеры дают возможность построить сравнительно простые (а потом и более сложные) автоматические и игровые цифровые устройства. Они могут применяться и как самостоятельные игровые автоматы и модели, пе­реключатели гирлянд, различные мигалки и др.

Все устройства цифровой техники работают от заданной после­довательности импульсов. Начальным элементом каждого цифрового устройства, таким образом, является задающий генератор, выраба­тывающий импульсы с нужными параметрами: амплитудой, частотой, скважностью и т.д.

Простым и часто применяемым на практике задающим генератором является мультивибратор, собранный на логических элементах с некоторыми дополнительными компонентами: резисторами и конден­саторами. Вариантов таких мультивибраторов существует несколько, например, литература I, 2.

Рассмотрим две схемы мультивибраторов:

а) симметричный мультивибратор на двух элементах 2И-НЕ (рис.1). Этот мультивибратор наиболее прост для понимания принципа его работы. Внутри пунктира на рис.2 показана схема, эквивалентная внутренней части ИМС, т.е. каждый двухвходовой элемент И-НЕ, включенный как инвертор, эквивалентен транзистор­ному ключу с сопротивлением в цепи коллектора R к. Внешними элементами являются включаемые дополнительно резисторы R1б, R2б и конденсаторы C1 и С2. Причем в схеме рис.1 резисторы R1 и R2 аналогичны по назначению резисторам R1би R2бмульти­вибратора на дискретных элементах (рис.2), и конденсаторы C1 и С2 выполняют ту же роль, что и C1, С2 в дискретном мульти­вибраторе (рис.2) - осуществляют обратную связь между транзисто­рами T1 и Т2.

Таким образом, схема мультивибратора на ИМС (рис.1) - ана­лог схемы мультивибратора на дискретных элементах (рис.2).

Частоту и длительность импульсов мультивибратора (рис.1) можно менять, изменяя значения R1, R2 и C1, C2. Следует отме­тить, что стабильная работа мультивибратора возможна не при всех значениях R1 и R2. Значения сопротивлений резисторов сле­дует подобрать экспериментально.

б) в связи с критичностью работы мультивибратора (рис.1) к значениям R1 и R2 и недостаточной стабильностью получаемых импуль­сов, мультивибратор на двух элементах 2И-НЕ используется редко. Более стабильными параметрами и широкими возможностями регулиро­вания частоты колебаний обладает мультивибратор на трех элемен­тах 2И-HЕ (рис.3).

Мультивибраторы (рис.1 и 2) могут, использоваться в качест­ве простых переключающих устройств типа " мигалки", как звуковые генераторы, как задающие генераторы для других автоматов. Например, мультивибратор задающего генератора БВ лабораторного стенда сделан по схеме рис.4. Переменный резистор выведен на переднюю панель и позволяет плавно регулировать частоту. Гнезда для подключения емкостей также выведены на переднюю панель. Подключая к ним внешние емкости различных номиналов, получаем воз­можность ступенчатой регулировки частоты генератора в различных широких пределах. Генератор БВ можно использовать как источник входных импульсов для изучаемых цифровых устройств.

На триггерах и логических элементах можно строить модели автоматических устройств, работающих по заданной программе. При конструировании автоматических цифровых устройств на ИМС можно пользоваться разными методами: и таблицами истинности, и состав­лением нужных логических структурных формул для реализации той или иной функции, и анализом временных диаграмм работы автома­та в зависимости от конкретных условий задачи.

Например, рассмотрим построение модели широко известного устройства - светофора. Пусть в данном случае исходное задание таково: имеется последовательность входных импульсов (X) - строка 1, рис.3. Нужно построить устройство, которое обеспечи­вало бы переключение лампочек в таком порядке: красная (К) - желтая (Ж) - зеленая (3) - желтая (Ж) - красная (К) и т.д. При­чем время горения каждой лампочки одинаково, и лампочка заго­рится тогда, когда на вход ее включателя (транзисторного ключа в нашем случае) поступит логическая 1. Временная диаграмма, отражающая работу светофора в соответствии с заданными условиями, представлена на рис.4.

Из диаграммы рис.3 видно, что:

а) импульсная последовательность желтой лампочки (строка 3) является инверсной по отношению к входной;

б) если из входной последовательности исключить четные импульсы (2, 4, 6 и т.д.), то получим импульсную последовательность, управляющую работой красной лампочки, а если из входной последовательности исключить нечетные импульсы (1, 3, 5 и т.д.), то получим импульсную последовательность для зеленой лампоч­ки.

Управляющую последовательность импульсов желтой лампочки получить легко, пропустив входные сигналы через инвертор (рис. 5а, б).

Для наложения запрета на четные (нечетные) входные импульсы нужно, кроме входной переменной, иметь и другие переменные, которые можно использовать в качестве запрещающих. Например, по­дав входную переменную на Т-триггер, получим на его выходах Q и противофазные переменные с частотой в два раза меньшей входной (рис.6). Эти сигналы можно использовать для наложения запре­та на четные (нечетные) входные импульсы. Так, подав сигналы 1 и 0 на вход элемента И, на выходе его получаем функцию . В соответствии с таблицей истинности для функций И значение , когда и . Диаграмма показана на строке 5 рис.6. Видим, что по сравнению с входной функцией x (строка 1 рис.6) в последовательности исключены четные импульсы. В соответствии с исходной диаграммой (рис.4) последовательность должна управ­лять красной лампочкой.

Аналогично, если к переменным x и применить операцию И, то из входной последовательности будут исключены нечетные им -пульсы (строка 6 рис.6). Последовательность является управляющей для зеленой лампочки.

Схема, реализующая программу, заданную диаграммой (рис.4) описанным выше способом, представлена на рис. 5а.

Очень часто заданную программу можно реализовать нескольки­ми способами, из которых следует выбрать оптимальный вариант, исходя из имеющихся в распоряжении ИМС. Так импульсы (строки 6 рис.6), управляющие зеленой лампочкой, можно получить иначе: применить к переменным и операцию равнозначности: . Схема, построенная таким образом, показана на рис. 5б.

Обе схемы рис.5а и 5б легко свести к базовым элементам 2И-НЕ (ИМС KI55ЛА3) и Т-триггеру (KI55TM2), однако схема (рис.5а) требует меньшего количества элементов 2И-НЕ и является в дан­ном случае предпочтительной. Схема на элементах 2И-НЕ и Т-триггере, построенная согласно рис. 5а, показана на рис.7.

Существует множество схем для реализации различных световых эффектов. Часто используются в аттракционах, иллюминации и т.д. автоматы типа " бегущая тень" или инверсный ему " бегущий огонь". В автомате " бегущая тень" лампочки выключаются поочередно и, ' если расположить лампочки гирляндой, то создается эффект " бегу­щей тени". Схема автомата " бегущая тень" показана на рис.9, а временная диаграмма его работы на рис. 10.

При подготовке к работе выполнить следующие задания:

1. Изучить рекомендованную литературу и руководство.

2. Зарисовать в тетрадь схемы, необходимые для выполнения прак­тических заданий, указывая названия ИМС, их цоколевку и номи­налы других элементов схем.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Для чего применяются мультивибраторы?

2. Объяснить работу мультивибратора на ИМС рис.1.

3. Как можно регулировать частоту выходных импульсов мультивиб­ратора?

4. Как использовать мультивибратор в качестве звукового генера­тора?

5. Как получаются сигналы для управления лампочками светофора в схеме рис.7?

6. Предложите схему светофора, работающего по программе рис.8.

7. Предложите свои программы работы светофора и схемы для их реализации.

8. Проанализируйте работу автомата " бегущая тень" по его схеме рис.9 и диаграмме рис. 10.

9. Как нужно преобразовать схему " бегущая тень", чтобы получить схему автомата " бегущий огонь"?

10. Предложите свои схемы каких-либо цифровых автоматов.

Литература

1. Мальцева Л.А. и др. Основы цифровой техники. - М.: Радио и связь, 1986. - С. 28 - 38.

2. Партии А.С., Борисов В.Г. Введение в цифровую технику. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 36 - 39.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задание 1. Собрать на ИМС К155ЛАЗ мультивибратор (рис.1). На выходы 1 и 2 в качестве индикаторов включить светодиоды или транзисторные ключи с лампочками накалива­ния.

а) включить в схему C1 = С2 = 500 мкФ. В качестве сопротив­лений R1 и R2 включить переменные резисторы. Изменяя значения R1 и R2, добиться устойчивой работы мультивибратора. Отметить, что выходы I и 2 работают в противофазе;

б) изменить емкости С1 и С2, не меняя подобранные значения R1 и R2, отметить изменение частоты колебаний;

в) изменяя в допустимых пределах R1и R2при неизменных С1 и С2, проследите за изменениями частоты колебаний.

Задание 2. Собрать мультивибратор (рис.3) на ИМС К155ЛАЗ:

а) включить в схему С = 500 мкФ и переменный резистор. Из­меняя сопротивление резистора, добиться устойчивой работы мульти­вибратора, проследить за изменениями частоты при изменении R (С - постоянно);

б) оставляя постоянным R, изменить С. Проследить за изме­нениями частоты колебаний.

Задание 3. Собрать на ИМС KI55TM2 схему светофора (рис.7) и испытать ее.

На выходы К, Ж, 3 подключить лампочки накаливания, включен­ные через транзисторные ключи. На вход схемы подать низкочастот­ные импульсы с выходов задающего генератора БВ, предварительно подключив на его вход " С" емкость 500 мкФ (для снижения частоты колебаний).

Задание 4. Разработать, собрать и испытать модель светофора, работающего по программе К– KЖ–3–3Ж–K-... (рис.8).

Задание 5. Собрать на ИМС К155ТМ2 и KI551A3 автомат " бегущая тень" (рис.9) и испытать его.

Проверить соответствие его работы диаграмме рис.10.

Задание 6. Преобразовать схему автомата " бегущая тень" в схему " бегущий огонь", т.e. вместо поочередного выключения лампочек обеспечить поочередное включение лампочек.

Собрать и испытать автомат " бегущий огонь".