Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электроники
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Задания и методические указания к выполнению расчетно-графических работ №1,2 и 3 для бакалавров специальности
5В100200 – Системы информационной безопасности
Алматы 2013
СОСТАВИТЕЛЬ: С.Н.Петрищенко. Цифровые устройства и микропроцессоры. Задания и методические указания к выполнению расчетно-графических работ № 1,2 и 3 для бакалавров специальности 5В100200 – Системы информационной безопасности. - Алматы: АУЭС, 2013. – 13 с.
В методической разработке приводятся три задания на выполнение расчетно-графических работ и методические указания к их выполнению. Первое задание посвящено переводу чисел из одной системы счисления в другую, второе задание связано с синтезом комбинационных устройств, а третье – с синтезом последовательностных устройств на примере создания счетчика с произвольным коэффициентом счета.
Ил. 12, табл. 5, библиогр. - 8 назв.
Рецензент: канд.тех.наук, проф. А.С.Байкенов
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013 г.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи» , 2013 г.
Введение
Расчетно-графические работы по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры» предназначены для бакалавров специальности «Системы информационной безопасности» с целью закрепления и углубления знаний по вопросам перевода чисел из одной системы счисления в другую, синтеза комбинационных устройств и конечных автоматов.
1 Задания на расчетно-графические работы и методические указания к их выполнению
1.1 Задание №1.
Представить десятичное число N, значение которого задано в таблице 1.1 по первой букве фамилии студента, в виде двухбайтного шестнадцатеричного и двухбайтного двоичного числа; записать дополнительный код отрицательного числа N.
Т а б л и ц а 1.1
|
Код варианта |
А |
Б |
В |
Г |
Д |
Е |
Ж |
З |
И |
К |
|
N |
2055 |
2063 |
2079 |
2111 |
2175 |
2431 |
2943 |
3967 |
3456 |
3888 |
Продолжение таблицы 1
|
Код варианта |
Л |
М |
Н |
О |
П |
Р |
С |
Т |
У |
Ф |
|
N |
4103 |
4111 |
4127 |
4159 |
4223 |
4351 |
4607 |
5631 |
5639 |
5655 |
Продолжение таблицы 1
|
Код варианта |
Х |
Ц |
Ч |
Ш |
Щ |
Ы |
Э |
Ю |
Я |
|
N |
5687 |
5715 |
5743 |
5829 |
5834 |
59 13 |
5943 |
5955 |
5987 |
1.2 Методические указания к выполнению задания №1
Рассмотрим пример решения задания №1 при N = 799. Записав остатки от деления 799 на 16, получим шестнадцатеричный код числа 031FH. Представив каждую цифру шестнадцатеричного числа в виде четырехразрядного двоичного, получаем двоичный код числа 0000 0011 0001 1111В. Инвертируя код числа N и добавляя единицу, получаем дополнительный код числа 1111 1100 1110 0001В или 0FCE1H.
1.3 Задание №2.
Синтезировать комбинационное устройство ( КУ ) в виде логических схем для мозаичного знакогенератора, предназначенного для отображения буквенно-цифровой информации на светодиодном матричном индикаторе с числом элементов 7х5.
Согласно варианту таблицы 1.2., структурной и неполной принципиальной схемам знакогенератора, представленных на рисунках 1.2 и
1.3 , необходимо :
- по данным таблицы 2.1 рассчитать рабочую частоту генератора тактовых импульсов ( ГТИ );
- составить таблицу истинности для символа, заданного в таблице 1.2;
- найти совершенные дизъюнктивные нормальные формы (СДНФ) для каждого столбца таблицы истинности заданного символа;
- минимизировать полученные СДНФ одним из существующих методов (тождественные преобразования, карты Карно или диаграммы Вейча);
- для минимизированных СДНФ построить логические схемы.
Номер варианта выбирается по последней цифре номера студенческого билета.
Т а б л и ц а 1.2
|
Вариант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
R, кОм |
0.39 |
0.51 |
0.82 |
1.0 |
1.1 |
1.2 |
1.3 |
1.5 |
1.6 |
1.7 |
|
С, нФ |
62 |
47 |
30 |
24 |
22 |
20 |
18 |
16 |
15 |
13 |
|
Символ |
Г |
2 |
Е |
4 |
P |
6 |
Z |
9 |
А |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1.1 - Примеры символов, высвечиваемых матричным индикатором 7х5
Рисунок 1.2 - Структурная схема знакогенератора
Рисунок 1. 3 - Неполная принципиальная схема знакогенератора
1.4 Методические указания к выполнению задания №2.
Проиллюстрируем решение задачи на примере синтеза комбинационного устройства для высвечивания на индикаторе символа К.
Согласно заданному варианту рабочая частота генератора тактовых импульсов ( ГТИ ) рассчитывается по следующей формуле:
На рисунке 1.1 находим форму символа К и составляем для него таблицу истинности, представленную в таблице 1.3.
Т а б л и ц а 1.3
|
|
X2 |
X1 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
Ф |
Ф |
Ф |
Ф |
Ф |
Запишем совершенные дизъюнктивные нормальные формы (СДНФ) столбцов таблицы истинности символа К:
;
;
;
;
.
Минимизируем СДНФ символа К методом карт Карно:
Рисунок 1.4 – Карты Карно для минимизации логических функций
Учитывая, что для обеспечения питающим напряжением светодиодов матричного индикатора необходимо подать на выводы столбцов светодиодной матрицы сигнал, инверсный к сигналу строк, и, применяя правило де Моргана, запишем инверсные значения минимизированных логических функций Y1-Y5 в базисе И-НЕ:
.
На основании полученных логических выражений строим логические схемы, представленные на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 - Логические схемы КУ для матричного знакогенератора
1.5 Задание № 3.
Синтезировать синхронный счетчик с заданным коэффициентом счета на основе триггеров заданного типа. Построить схему формирования сигнала аварийной тревоги и временную диаграмму работы счетчика.
Параметры счетчика представлены в таблице 1.4. Номер варианта определяется по предпоследней цифре номера студенческого билета.
Т а б л и ц а 1.4
|
|
Тип счетчика |
Тип триггера |
Ксч |
|
0 |
суммирующий |
JK - триггер |
5 |
|
1 |
вычитающий |
JK - триггер |
6 |
|
2 |
суммирующий |
JK - триггер |
7 |
|
3 |
вычитающий |
Т - триггер |
6 |
|
4 |
суммирующий |
T - триггер |
7 |
|
5 |
вычитающий |
T - триггер |
5 |
|
6 |
суммирующий |
D - триггер |
3 |
|
7 |
вычитающий |
D - триггер |
5 |
|
8 |
суммирующий |
D - триггер |
6 |
|
9 |
вычитающий |
D - триггер |
7 |
Согласно варианту таблицы 1.4 необходимо:
- выбрать тип счетчика, триггера и коэффициент счета;
- определить количество используемых триггеров и число избыточных состояний счетчика ;
- построить граф переходов синтезируемого счетчика;
- на основании графа переходов и одной из управляющих таблиц рисунка 1.6, согласно заданному варианту, построить таблицу переходов счетчика;
- минимизировать полученные функции возбуждения;
- построить схему синтезируемого счетчика;
- определить функцию неиспользуемых состояний, реализовать ее в базисе И-НЕ в виде логической схемы для подстановки в схему запуска сигнала аварийной тревоги и блокировки синхроимпульса, представленной на рисунке 1.7.
- построить временную диаграмму синтезированного счетчика в соответствии с заданным коэффициентом счета.
|
Qt |
Qt+1 |
J |
K |
|
Qt |
Qt+1 |
D |
|
Qt |
Qt+1 |
T |
|
0 |
0 |
0 |
* |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
||
|
0 |
1 |
1 |
* |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
||
|
1 |
0 |
* |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
||
|
1 |
1 |
* |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Рисунок 1.6 - Управляющие таблицы для JK, D и Т триггеров
Рисунок 1.7 - Схема формирования блокирующего сигнала синхронизации и сигнала аварийной тревоги
1.6 Методические указания к выполнению задания №3.
Рассмотрим порядок синтеза двоичного счетчика на примере суммирующего счетчика, построенного на Т-триггерах с коэффициентом счета, равным трем.
1. Синхронный счетчик с Ксч=3 строится на основе двоичного счетчика, состоящего из двух Т-триггеров, так как
n = ] log2 Ксч [=] log23 [ = 1.58 ≈ 2,
где n – число триггеров в счетчике;
] log2 Ксч [ - двоичный логарифм заданного коэффициента пересчета Ксч, округленный до большого целого числа.
2. Число избыточных состояний счетчика равно
М = 2n – Ксч = 22 – 3 = 1,
где 2n – число устойчивых состояний двоичного счетчика.
3. Граф переходов данного счетчика будет иметь вид, как показано на рисунке 1.8.
где S0, S1, S2 – внутренние состояния счетчика,
S3 – избыточное состояние счетчика
Рисунок 1.8 – Граф переходов счетчика с Ксч = 3
4. На основании управляющей таблицы для Т – триггера и графа переходов счетчика, составляем таблицу переключений счетчика, представленной в таблице 1.5.
Т а б л и ц а 1.5
|
Q2t |
Q1t |
Q2t+1 |
Q1t+1 |
T2 |
T1 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
5. Сигналы, присутствующие на управляющих входах триггеров, т.е. функции возбуждения, определяются путем минимизации с помощью карт Карно.
T1=
.
Рисунок 1.9 – Карты Карно для минимизации функций возбуждения
6. На основе полученных минимизированных логических функций строим схему реализации синтезируемого счетчика, показанную на рисунке 1.10. Так как принята двухступенчатая структура Т-триггера, то все изменения состояний триггеров будут происходить во время формирования отрицательных фронтов тактовых импульсов.
Рисунок 1.10 - Схема суммирующего двоичного счетчика с Ксч=3
7. Для реализации схемы блокирующего сигнала синхронизации и сигнала аварийной тревоги определяем по карте Карно функцию неиспользуемых состояний
,
где 
- получена путем охвата клетки
со знаком Ф (факультативное или неиспользуемое состояние).
Выражение, описывающее новый сигнал синхронизации, будет иметь вид.
Значит,
при 
синхроимпульсы будут
отсутствовать (
, пока счетчик не выйдет из
запрещенного состояния.
Схема, формирующая сигнал аварийной тревоги и сигнал блокировки синхроимпульса, будет иметь вид, как показано на рисунке 1.11.
Рисунок 1.11
8. Временная диаграмма цифрового счетчика с Ксч=3 представлена на рисунке 1.12.
.
Рисунок 1.12 – Временная диаграмма счетчика
Список литературы
1. Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры: Учеб.пособие для студ.высш.учеб.заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 320 с.
2. Бойко В.И., Гуржий А.Н., Жуйков В.Я. и др. Схемотехника электронных устройств. Цифровые устройства.- СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 512 с.
3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.- СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2000. - 528 с.
4. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. Учебник для техникумов связи.- М.: Горячая линия –Телеком, 2000. – 336 с.
5. Гольденберг Л.М. и др. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. Задачи и упражнения: Учебное пособие. - М.: Радио и связь,1992 . - 256 с.
6. Цифровая и вычислительная техника: Учебник под ред. Э.В.Евреинова.- М.: Радио и связь, 1991. - 464 с.
7. Бирюков С.А. Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП.2-е изд.- М.: ДМК, 2000. - 240 с.
8. .Петрищенко С.Н. Цифровые устройства и микропроцессоры. Конспект лекций для студентов специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации дистанционной формы обучения. – Алматы: АИЭС, 2006. – 36 с.
Содержание
Введение 3
1 Задания на расчетно-графические работы и методические указания к
их выполнению 3
1.1 Задание №1 3
1.2 Методические указания к выполнению задания №1 3
1.3 Задание №2 3
1.4 Методические указания к выполнению задания №2 5
1.5 Задание № 3 7
1.6 Методические указания к выполнению задания №3 8
Список литературы 12
Сводный план 2013 г., поз. 147