Засоби побудови пристроїв для автоматичної обробки інформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпро - 2023

Державний вищий навчальний заклад

«Український державний хіміко-технологічний університет»

Факультет Комп'ютерних наук та інженерії

Кафедра Спеціалізованих комп'ютерних систем

Курсова робота

з предмету: Комп'ютерна схемотехніка

Виконав: студент групи 4-КІ (заочна) спеціальності 123 Комп'ютерна інженерія Ополонський І.В.

Зміст

Вступ

1. Робота з ключами

2. Принцип використання осцилографу. Побудувати схему для демонстрації його роботи

3. Регістри

4. Дослідження дешифраторів та шифраторів

5. Дослідження мультиплексорів і демультиплексорів

6. Дослідження лічильників

7. Помножувач

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

Цифрова схемотехніка - це курс, присвячений вивченню методів та засобів побудови пристроїв для автоматичної обробки інформації, представленої в цифровій формі.

Основні задачі схемотехніки: Синтез схем, аналіз схем.

Додаткові: Подавлення перешкод. Передача даних з ліній зв'язку. Забезпечення режимів роботи елементів. Синхронізація та тактування генерація сигналів.

На рисунку нижче зображені позначення логічних елементів які часто використовуються у комп'ютерній схемотехніці при побудуванні схем.

Рис 1 - Зображення всіх основних логічних елементів з джерела [1].

Умовні позначення логічних елементів. На прикладі логічного елементу «І-НЕ»



І, АБО, НЕ - базис елементів наочний для сприйняття

На сьогоднішній день існує безліч різних серед розробки та симуляторів для збивання та тестування схем. Десятки якщо не сотні. У кожній є як свої плюси так і мінуси, але зупинимось та тих які використовувались при виконанні даної курсової роботи. Серед них такі як: надбудова Simulink в середовищі MATLAB, Ni Multisim проста в своєму освоєнні програма, яка займає значно менше об'єму на дисковому просторі на відміну від попередньої, Proteus теж досить легка в освоєнні програма для збірки та симуляції роботи схем, ключова відмінність в можливості завантаження прошивки в мікроконтролери. Детальний огляд кожної середи для побудування схем буде в окремому розділі який відповідає цій роботі або ж роботам.

осцилограф шифратор мультиплексор помножувач

1. Робота з ключами

Знайомство з роботою в середовищі MATLAB Simulink.

Simulink - це комп'ютерна програмна система для моделювання систем керування. Simulink працює під управлінням MATLAB та використовує для моделювання всі його можливості. Їм моделюють лінійні, нелінійні, безперервні, дискретні та гібридні системи.

При цьому, на відміну від класичних способів моделювання, користувачеві не потрібно досконально вивчати мову програмування та чисельні методи математики, а достатньо загальних знань, потрібних при роботі на комп'ютері, та знань предметної області, в якій він працює. При роботі з Simulink користувач має можливість модернізувати бібліотечні блоки, створювати власні, а також складати нові бібліотеки блоків.

При моделюванні користувач може вибирати метод розв'язання диференціальних рівнянь, а також спосіб зміни модельного часу (з фіксованим чи змінним кроком). У ході моделювання можна стежити за процесами, що відбуваються в системі. Для цього використовують спеціальні пристрої спостереження, що входять до складу бібліотеки Simulink. Результати моделювання можуть бути представлені у вигляді графіків або таблиць. Перевага Simulink полягає також у тому, що він дозволяє поповнювати бібліотеки блоків за допомогою підпрограм написаних як мовою MATLAB, так і мовами C, Fortran та Ada.

Модель досліджуваної системи складається як блок-схеми. Блоки тягаються мишею з бібліотеки типових блоків Simulink, що є моделями елементів технічних чи економічних систем. Кожен типовий блок є об'єктом з графічним накресленням, графічним і математичним символом, з програмою, що виконується, і числовими або формульними параметрами. Блоки поєднуються лініями, що відображають рух матеріальних, фінансових та інформаційних потоків між об'єктами.

1. Результати роботи логічної схеми при поданні на вхід двох логічних одиниць:

Рис 1.1 - Результат при «1» та «1».

2. Результати роботи логічної схеми при поданні на вхід логічного нуля та одиниці. При цьому якщо на першому вході буде «0», а на другому вході «1», то при виконанні логічної операції «Ні» на виході буде «0»:

Рис 1.2 - Результат при «1» та «0».

3. Результати роботи логічної схеми при поданні на вхід двох логічних нулів:

Рис 1.3 - Результат при «0» та «0».

2 Принцип використання осцилографу. Побудувати схему для демонстрації його роботи

Proteus Design Suite - пакет програм для автоматизованого проектування (САПР) електронних схем. Розробка компанії Labcenter Electronics (Велика Британія).

Пакет є системою моделювання, що базується на основі моделей електронних компонентів, прийнятих в PSpice. Відмінною рисою пакету PROTEUS VSM є можливість моделювання роботи програмованих пристроїв: мікроконтролерів, мікропроцесорів, DSP та ін. Причому в Proteus повністю реалізована концепція наскрізного проектування, коли інженер змінює щось у логіці роботи схемотехніки і програмний пакет тут же «підхоплює» дані зміни в системі трасування. Бібліотека компонентів містить довідкові дані. Додатково до пакету PROTEUS VSM входить система проектування друкованих плат. Пакет Proteus складається з двох частин, двох підпрограм: ISIS - програма синтезу та моделювання безпосередньо електронних схем та ARES - програма розробки друкованих плат. Разом із програмою встановлюється набір демонстраційних проектів для ознайомлення. Також до складу восьмої версії входить середовище розробки VSM Studio, що дозволяє швидко написати програму для мікроконтролера, що використовується в проекті, та скомпілювати. Пакет є комерційним. Безкоштовна ознайомча версія характеризується повною функціональністю, але немає можливості збереження файлів. Примітною особливістю є те, що ARES можна побачити 3D-модель друкованої плати, що дозволяє розробнику оцінити свій пристрій ще на стадії розробки. Система підтримує підключення нових елементів (SPICE) та підключення різних компіляторів (PICOLO, ARM-подібні, AVR і далі).

Осцилограф - це пристрій для відображення вихідних сигналів у вигляді імпульсів в певний період часу, по умовній осі Х іде час, а по осі Y значення напруги. Побудуємо схему в середовищі Proteus з використанням мікроконтролеру Attiny13, який генерує ШИМ сигнал на ніжку PB0, до цієї ніжки під'єднаємо осцилограф та запустимо симуляцію. Результати вимірювань приведено на рисунках нижче (Рис. 2.1, 2.2).

Рисунок 2.1 - Схема з осцилографом

У вікні осцилографа можна побачити 4 сигнали. Отже, завдяки осцилографу можна дослідити:



Рисунок 2.2 - Результат вимірювання осцилографом при тих же самих налаштуваннях

- період та частоту сигналу;

- максимальне та мінімальне значення напруги;

- форму сигналу.

3. Регістри

Регістр - пристрій для запису, зберігання та зчитування n-розрядних двійкових даних та виконання інших операцій над ними [1].

Регістр є впорядкованим набором тригерів, зазвичай D-тригерів, число яких відповідає числу розрядів у слові. З регістром може бути пов'язаний комбінаційний цифровий пристрій, за допомогою якого забезпечується виконання деяких операцій над словами.

Основою побудови регістрів є: D-тригери, RS-тригери, JK-тригери.

Схема побудованого послідовного регістра зсуву на D-тригерах в середовищі Proteus наведена на рисунку 3.1.

Умовні позначення схеми послідовного регістру зсуву:

1. Пристрій для зміни логічних рівнів на входах регістру

2. D-тригери на яких побудований регістр

3. Вивід сигналів з виходів D-тригерів. Зліва на право у вигляді ланцюга.



Рисунок 3.1 - Схема регістра зсуву

1) індикація логічного рівня на виході;

4. Вивід сигналів з інверсних виходів D-тригерів. Зліва на право у вигляді ланцюга.

1) індикація логічного рівня на виході;

Введемо в регістр двійкове число 13 на рисунку 3.2.

Рисунок 3.2 - Виведене двійкове число «13»

4. Дослідження дешифраторів та шифраторів

Ознайомитися з принципом роботи дешифраторів та шифраторів, дослідити вплив керуючих сигналів на їх роботу.

Electronics Workbench - це лідер міжнародного ринку з розробки найбільш широко використовуваного у світі програмного забезпечення для проектування схем. Компанія володіє більш ніж 15-ти річним досвідом з автоматизації проектування електронних приладів та будівництва та була одним з піонерів комп'ютерної розробки електроніки. В даний час обладнання El ectronics Workbench використовується більш ніж на 180 тисяч робочих місць.

У комплект продуктів Electronics Workbench входять засоби для опису електричних схем, їх емуляції (SPICE, VHDL і patented co-simulation), а також для розробки та автоматичного трасування друкованих плат. Користувачі отримують по-справжньому унікальний продукт, найпростіші в галузі засоби використання, інтегровані між собою в єдине ціле. Майстер підтримки та оновлень (SUU - Support and Upgrade Utility) автоматично перевіряє наявність та встановлює по мережі необхідні оновлення, забезпечуючи постійно найвищий рівень роботи вашого ПЗ.

Продукція Electronics Workbench і National Instruments - це найбільш тісна інтеграція між засобами розробки, перевірки та тестування САПР електронних засобів, наявна в даний час.

Electronics Workbench - це дочірня компанія, якою повністю володіє National Ins truments Corporation (NASDAQ: NATI). Для отримання більш детальної інформації про NI, відвідайте www.ni.com.

Введення в Multisim

Multisim - це єдиний у світі інтерактивний емулятор схем, він дозволяє створювати найкращі продукти за мінімальний час. Multisim включає в себе версію Multicap, що робить його ідеальним засобом для програмного опису і негайного подальшого тестування схем.

Multisim 9 також підтримує взаємодію з LabVIEW і SignalExpress виробництва National Instruments для тісної інтеграції засобів розробки та тестування.

Ultiboard - це засіб, розроблений спеціально для збільшення продуктивності. Завдяки автоматизації найбільш популярних послідовностей дій, наприклад, розміщення та з'єднання компонентів, кількість клацань мишею і натискань клавіш під час розробки можна буквально перерахувати на пальцях.

Завдяки технології обмежень схеми (Constraint Drive Layout) Ultiboard легко підтримує сучасну швидку розробку схем. Найновіші функції, наприклад оперативна перевірка схеми, засоби розміщення та з'єднання компонентів "Push & Shove", еластичне з'єднання, просунуті засоби редагування ("Follow-me") і автоматичне з'єднання забезпечують швидке і безпомилкове створення плати [2].

Рисунок 4.1 - Схема дешифратора

Рисунок 4.2 - Схема дешифратора у робочому режимі

Експеримент 1. Дослідження перевірки роботи дешифратора 3x8.

Зберемо схему відповідно завданню. Подамо на вхід G рівень логічної оцінки (Н). Для цієї кнопки G ключ G встановимо у верхнє положення (Рис 4.1, 4.2). Визначимо рівні сигналів на виходах Y0...Y7 у таблицю істинності при G = 1.

Подамо на вхід G рівень логічного нуля (L). Для цього ключ G встановлюємо в нижнє положення. Переконуємось, що дешифратор перейшов у неробочий режим (Рис 4.3)

Рисунок 4.3 - Схема дешифратора у робочому режимі з поданням “1” на один з входів

Експеримент 2. Дослідження пріоритетного шифратора (Рис 4.4 - 4.6)

При цьому будь яке змінення логічного рівня на інших входах ні до чого не призведе, поки на вхід EI буде подаватися “1” результат буде незмінним.



Рисунок 4.4 - Схема приорітетного дешифратора

Рисунок 4.5 - Схема роботи приорітетного дешифратора з поданням на входи п'яти “1”

5. Дослідження мультиплексорів і демультиплексорів

Ознайомитися з принципом роботи мультиплексора та демультиплексора, дослідити їх роботу.



Рисунок 4.6 - Схема роботи приорітетного дешифратора з поданням “1” на пріоритетний вхід.

Мультиплексор -- пристрій, що має кілька сигнальних входів, один або більше входів, що управляють, і один вихід. Мультиплексор дозволяє передавати сигнал з однієї з кількох входів однією вихід; при цьому вибір бажаного входу здійснюється подачею відповідної комбінації сигналів керування.

Демультиплексор - це логічний пристрій, призначений для перемикання сигналу з одного інформаційного входу на один із інформаційних виходів. Таким чином, демультиплексор у функціональному відношенні протилежний мультиплексору [3].

Експеримент 1. Вивчення принципу роботи мультиплексора (Рис 5.1-5.3).

1 Зберемо мультиплексор відповідно до завдання.

2 Увімкнімо схему. Подаючи різні комбінації вхідних сигналів, дослідимо принцип роботи мультиплексора. Результати оформлено у вигляді скриншотів з коментарями.



Рисунок 5.1 - Схема мультиплексора на логічних елементах.

Рисунок 5.2 - Схема роботи мультиплексора на логічних елементах з поданням на входи двох “1”

Рисунок 5.3 - Схема роботи мультиплексора на логічних елементах з поданням на один вхід “1”

Експеримент 2. Вивчення принципу роботи демультиплексора (Рис 5.4 - 5.6).

1. Зберемо демультиплексор відповідно до завдання. Увімкнімо схему.

2. Увімкнімо схему. Подаючи різні комбінації вхідних сигналів, дослідимо принцип роботи мультиплексора. Результати оформлено у вигляді скриншотів з коментарями.

3 Експеримент Зберемо мультиплексор відповідно до завдання. Увімкнімо схему (Рис 5.7 - 5.9).

Рисунок 5.4 - Схема демультиплексора на логічних елементах

Рисунок 5.5 - Схема роботи демультиплексора на логічних елементах з поданням на один з входів “1”



Рисунок 5.6 - Схема роботи демультиплексора на логічних елементах з поданням на входи двох “1”

Рисунок 5.7 - Схема роботи демультиплексора з поданням на всі входи низького рівня сигналу.

2 На керуючий вхід G подаємо логічний 0. На інформаційні входи D0, D1, D2…D7 у схемі подані сигнали 1,0,1,0,1,0,1,0. Подаючи різні комбінації сигналів на адресні входи А,В,С, спостерігаємо проходження інформаційних сигналів на вихід мультиплексора з відповідного адресою АВС інформаційного входу.



Рисунок 5.8 - Схема роботи демультиплексора з поданням на вхід G “0”, а на інші входи високого рівня сигналу.

Повторимо дослідження за G=1.

Рисунок 5.9 - Схема роботи демультиплексора з поданням на вхід G “1”, а на інші входи низького рівня сигналу.

6. Дослідження лічильників

Вивчення структури та дослідження роботи підсумовують та віднімають лічильників, вивчення способів зміни коефіцієнта перерахунку лічильників.

Лічильник -- це пристрій для підрахунку кількості сигналів, які надходять на його вхід. Двійкові лічильники реалізують лічбу вхідних імпульсів у двійковій системі числення [3].

Експеримент 1. Дослідження підсумовуючого лічильника (Рис 6.1-6.3).

Зберемо лічильник відповідно до завдання. Увімкнемо схему. Подаючи на вхід схеми тактові імпульси за допомогою ключа Т і спостерігаючи стан виходів лічильника за допомогою логічних пробників, складіть часові діаграми роботи підсумовуючого лічильника. Звернімо увагу на числа, що формуються на інверсних виходах лічильника.

Рисунок 6.1 - Схема роботи лічильника при увімненні схеми.

Як ми можемо бачити принцип роботи зібраної схеми в зчитуванні вхідних імпульсів з подальшим додаванням та виводом на вихідні ніжки.



Рисунок 6.2 - Результат зміни інформації на 7-сегментних дисплеях після подання першого імпульсу на вхід.

Рисунок 6.3 - Результат зміни інформації на 7-сегментних дисплеях після подання другого імпульсу на вхід.

Експеримент 2. Дослідження лічильника, що віднімає (Рис 6.4 - 6.6)..

Зберемо лічильник відповідно до завдання (Рис. 6.4). Увімкнемо схему. Подамо на вхід схеми тактові імпульси за допомогою ключа Т. Замалюйте часові діаграми роботи лічильника, що віднімає, у звіт. Порівняйте їх із діаграмами, отриманими в експерименті 1.

Рисунок 6.4 - Схема роботи лічильника при увімненні схеми.

Рисунок 6.5 - Результат зміни інформації на 7-сегментних дисплеях після подання першого імпульсу на вхід.

Рисунок 6.6 - Результат зміни інформації на 7-сегментних дисплеях після подання другого імпульсу на вхід. Як бачимо принцип роботи схожий з принципом роботи у інверсних виходів з попереднього експерименту.

7. Помножувач

Принцип дії схем з множенням напруги ґрунтується на використанні процесу розряду кількох конденсаторів, заряджених через випрямляч, на одне навантаження. Найбільш часто на практиці використовуються схеми подвоєння (Рис. 7.1, 7.3) та потроєння напруги. Результати моделювання схеми подвоєння напруги подано на Рис. 7.2, 7.4.

Рисунок 7.1 - Схема подвоєння напруги

Схема подвоєння напруги є з'єднання двох однонапівперіодних випрямлячів.

Застосовується при високих напругах (до 1...2 кВ) та невеликих струмах навантаження.

Пульсації напруги

Наближена формула коефіцієнта пульсацій збігається з виразом [3]. Пульсації на кожному конденсаторі схеми подвоєння вдвічі більше пульсацій на її виході.



Рисунок 7.2 - Напруга на вході та виході схеми подвоєння напруги

Рисунок 7.3 - Увімкнена схема помножувача напруги

Рисунок 7.4 - Напруга на вході та виході схеми подвоєння напруги за наступними замірами.

Висновки

В ході виконання першої частини роботи ознайомився з роботою в середовищі MATLAB Simulink, отримав певні навички для подальшого виконання завдання з складань логічних схем.

В ході виконання другої частини роботи були проведені виміри ШИМ сигналів з мікроконтролеру Attiny13 за допомогою осцилографу.

В ході виконання третьої частини роботи ознайомився з роботою регістрів за допомогою інструментальних засобів цифрової частини пакету Proteus, закріплено теоретичний матеріал, придбано навички створення та моделювання цифрових пристроїв.

В ході виконання четвертої частини роботи ознайомився з принципом роботи дешифраторів та шифраторів, дослідивши вплив керуючих сигналів на їх роботу.

В ході виконання п'ятої частини роботи ознайомився принципом роботи мультиплексора та демультиплексора, дослідивши на практиці принцип їх роботи.

В ході виконання шостої частини роботи вивчив структури та дослідження роботи лічильників, які підсумовують та віднімають, також вивчено способи зміни коефіцієнта перерахунку лічильників.

В ході виконання сьомої частини роботи вивчив принципи роботи помножувача напруги та зібрав його схему.

Список використаної літератури

1. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. Пособие для вузов.- 3 - е издание., перераб. и доп.- СПб.: БХВ - Петербург, 2010.- 816 с.: ил.

2. Хоровец П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ.- Изд.7-е.- М.: Мир, Бином, 2011.-704 с.,ил.

3. Медведев Б.Л., Пирогов Л.Г. Практическое пособие по цифровой схемотехнике - М.: Мир, 2004.- 408 с., ил.

4. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap8.- М.: Горячая линия - Телеком, 2007 - 464 с.,ил.

Размещено на Allbest.ru