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

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ Методические указания

Ульяновск 2006

1

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ 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”», канд. техн. наук А. А. Тарасов. Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета. Исследование цифровых автоматов: методические указания к И89 лабораторной работе по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» для студентов специальности 160201 «Самолетои вертолетостроение» / сост. В. П. Туробов, С. Н. Ларин. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 20 с. Методические указания содержат сведения о проведении лабораторной работы «Исследование цифровых автоматов» 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 Учебное издание ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ Методические указания Составители: ТУРОБОВ Валерий Павлович ЛАРИН Сергей Николаевич Редактор О. А. Фирсова Подписано в печать 23.03.2006. 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.

© 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.................................

8

Состав оборудования для проведения лабораторной работы ..........................

9

Описание лабораторного стенда.......................................................................... 10 Порядок выполнения лабораторной работы ...................................................... 10 Требования к отчету по лабораторной работе ................................................... 11 Защита работы и использование отчетов............................................................ 12 Контрольные вопросы........................................................................................... 12 Библиографический список.................................................................................. 13 Приложение 1 ........................................................................................................ 14 Приложение 2 ........................................................................................................ 15 Приложение 3 ........................................................................................................ 15 Приложение 4 ........................................................................................................ 16 Приложение 5 ........................................................................................................ 17 Приложение 6 ........................................................................................................ 18 Приложение 7 ........................................................................................................ 19 Приложение 8 ........................................................................................................ 20

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 формированием таблиц функционирования; − экспериментальным исследованием функционирования цифровых автоматов; − 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. Более сложный класс преобразователей дискретной информации составляют цифровые автоматы. Цифровой автомат, в отличие от комбинационной схемы, имеет некоторое конечное число различных внутренних состояний. Под воздействием входного слова цифровой автомат переходит из одного состояния в другое и выдает выходное слово. Выходное слово на выходе цифрового автомата в такте определяется в общем случае входным словом, поступившим в этот такт на вход автомата, и внутренним состоянием автомата, которое явилось результатом воздействия на автомат входных слов в предыдущие такты. Комбинация входного слова и текущего состояния автомата в данном такте определяет не только выходное слово, но и то состояние, в котором автомат перейдет к началу следующего такта. Цифровой автомат содержит память, состоящую из запоминающих элементов (ЗЭ) – триггеров, элементов задержки и других элементов, фиксирующих состояние, в котором он находится. Триггеры Элементарный цифровой автомат, имеющий два устойчивых состояния равновесия (0 или 1), называется триггером. Под действием соответствующего входного сигнала триггер переходит из одного состояния в противоположное,

5

при этом скачкообразно изменяется уровень его выходного сигнала. Обычно в триггерах имеются два выхода: прямой или единичный, выход Q и инверсный или нулевой. На выходе Q триггера в состоянии «1» имеется высокий уровень напряжения, а в состоянии «0» – низкий. На выходе Q – наоборот. Для установки триггера в то или иное состояние имеется соответствующие входы R – для установки в «0», S – для установки в «1». При R=S=0 триггер сохраняет состояние, в котором находился он до прихода нулевых сигналов. При R=1 и S=0 триггер устанавливается в «0», а при R=1 и S=1 – в «1». Состояние при котором R=S=1 недопустимо, так как после прекращения сигналов (R=S=0) триггер может установиться в любое состояние. Если хотя бы одному из выходов информация в триггер заносится принудительно с приходом синхронизирующего сигнала, то триггер называется асинхронным. По функциональному построению различают схемы RS-, Т-, D- и JK- триггеров. Асинхронный RS-триггер (рис. 1, а, б) может быть образован из двух комбинационных логических схем ИЛИ-НЕ, соединенных между собой положительными обратными связями, благодаря которым выходной транзистор одной из схем ИЛИ-НЕ находится в закрытом состоянии, а другой в открытом. При смене состояний триггера функции названных транзисторов меняются. Более устойчивую работу обеспечивает двухтактный RS-триггер (рис. 1, в), состоящий из двух однотактных триггеров. Занесение информации в триггер производиться после того, как информация о прежнем состоянии передана во второй триггер. Причем в первый триггер она заносится по фронту сигнала С, а во второй по его срезу. Для асинхронной установки триггера в состояние «0» или «1» могут использоваться дополнительные входы, на которые поступают инверсные значения входных сигналов – R и S. R 1

Q S R

1

Q

S

T

R

Q

S

Q

S

TT Q

C

S

Q

R

а)

б)

R

в) Рис 1. Функциональная схема асинхронного RS-триггера (а) и условные обозначения синхронного (б) и синхронизируемого двухтактного (в) RS-триггеров

6

Триггер со счетным входом Т называется Т-триггером. На рис. 2, б приведена схема и условное обозначение двухтактного Т-триггера. В его основе лежит двухтактный RS-триггер, выходы которого Q и Q соединены соответственно с нулевым R и единичным S входами. На выходе Т-триггера формируются сигналы Q с частотой в два раза меньшей частоты входных счетных импульсов Т. При этом перепады напряжений на выходах происходят в моменты срезов импульсов С. Триггер D (рис. 2, в) устанавливается в момент срезов в положение, соответствующее уровню его входа D.

S Т

ТT

С

Q Q

ТT Т

D D

ТT

Q

S Q

R

а)

Q

б)

C

Q

C

в)

Рис. 2. Функциональная схема Т-триггера (а) и условные обозначения Т (б) и D (в)триггеров

Универсальным является JK-триггер. В зависимости от соединения его входов он может работать как синхронный двухтактный RS-, Т- или D- триггер. Регистры Функциональный узел ЭВМ, предназначенный для запоминания многоразрядных кодов и выполнения над ними некоторых логических преобразований, называется регистром. Он включает в себя отдельные триггеры, количество которых соответствует числу разрядов двоичного кода, а также вспомогательные схемы, обеспечивающие прием кода в регистр, передачу кода в другой регистр, сдвиг кода вправо или влево на требуемое число разрядов, преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот и т. д. Выполнение операций приема кода и передачи его в другой регистр реализуется схемой на рис. 3, а. Она содержит регистр Pr1 для приема nразрядного кода, который затем передается в регистр Pr2. Информация поступает в Pr2 парафазным, кодом при котором на одном из входов (R или S) любого триггера всегда присутствует сигнал «1», устанавливающий его в требуемое состояние независимо от того, в каком состоянии этот триггер находился. Под действием сигнала Пр Pr1 n-разрядный код принимается в регистр Pr1, а сигналом Пр Pr2 передается в Pr2.

7

S

X1

S

ТT

C

C

X1

R

R

Xn

S

Xn

S

ТT

C

C

R

R

Пр Pr1

ТT

ТT

Пр Pr2

а) Q0

D

ТT

Q1

Qn-1

D

ТT

Qn

C

C

Рис. 3. Схемы передачиб) (а) и сдвига (б) кодов регистрации

В регистре можно реализовать также операцию сдвига кода путем перемещения его разрядов влево и вправо. Сдвиг кодов используется при выполнении операций умножения и деления. На рис. 3, б приведена схема сдвигающего регистра, выполненного на двухтактных D-триггерах. С приходом каждого сигнала Сдв хранящийся в регистре код перемещается вправо разряд за разрядом. При этом разряды, вышедшие за пределы разрядной сетки, теряются, а в освобождающиеся в процессе сдвига левые разряды записываются нули. Счетчики Функциональный узел, предназначенный для подсчета числа входных сигналов и запоминания кода этого числа соответствующими триггерами, называется счетчиком. Число разрядов счетчика определяет его количество его различных устойчивых состояний, которое называется коэффициентом пересчета Ксч. В зависимости от значения Ксч счетчики бывают двоичные и с

8

произвольным коэффициентом пересчета. В n-разрядном двоичном счетчике коэффициент пересчета равен 2n . По назначению счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующий счетчик работает по принципу суммирования сигналов, поступающих на его вход (рис. 4, а, б) S С

TT S

R

S

TT

C R

а)

Уст0

t Сч t Q1

б) Q2

t Р

ис 4. Функциональная схема (а)

и временные диаграммы работы (б) двухразрядного суммирующего t счетчика

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.

9

Выполнять работу можно только бригадой состоящей не менее, чем из двух человек. Собирать и изменять схему можно только при полностью снятом напряжении и 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 разрешение на подачу питания для дальнейших исследований. 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 5–8). Описание лабораторного стенда

10

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. 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 производится 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.

11

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. 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 цифровых автоматов Исследование функционирования цифровых автоматов заключается в изучении функций цифровых автоматов, составления таблицы функционирования и экспериментального исследования функционирования цифровых автоматов. Проведите ее в следующем порядке. 1. Получите задание от преподавателя о типах исследуемых схем. 2. Изучите их функции и составьте схему подключения согласно приложению 2. 3. Составьте таблицу функционирования согласно приложению 3. 4. Соберите схему и установите исследуемую микросхему в соответствующий разъем. 5. Покажите собранную схему преподавателю и после его разрешения подайте питание. 6. Манипулируя тумблерами соответствующей линейки в соответствии с таблицей функционирования, проверьте по соответствующей индикации правильность всех операций цифровым автоматом. 7. Выключите питание стенда. 8. Сделайте вывод о выполняемых цифровым автоматом функций и о правильности составленной таблицы. При расхождениях внесите поправки с отражением в выводах. 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);

12

2. разделы работы; 3. общие выводы о работе; 4. подпись студента, составившего отчет. Все разделы отчета должны иметь нумерацию, наименование и оканчиваться выводами. 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 цифровой автомат и чем определяется его функционирование? 2. Как влияет на функционирование 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 триггеров, регистров, счетчиков?

Библиографический список

13

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.

Приложение 1 В

14

ЛИ «1-4 р»

ЛТг1

«Вх4» ТКЛ1

ЛТг2

«Вх7» ТКЛ2

«Х12»

«Х10»

«Х3»

«Х9»

«Х8»

«Х7»

«Х2»

«Х6»

«Х5»

«Х4»

«Х1»

«1-4 р»

«Х11»

«1-4 р»

ЛТг3

«Вх10» ТКЛ3

Структурная схема лабораторного стенда

Приложение 2

15

X4 Назначен.

№ Конт. Х5

Вх. 1 (1)

1

14

Вх. 2 (1)

2

1

Вх. 1 (2)

3

2

Вх. 2 (2)

4

Вх. 1 (3)

Q1

С2

СТ 2\10

6

1

Вых. 1

2

Вых. 2

3

Вых. 3

4

Вых. 4

8

Q3 &

7

Назначен.

Q2

R0

6

№ Конт.

9

&

3

5

Вх. 2 (3)

С1

Х6

12

11

R9

Q4

Схема подключения микросхемы Приложение 3 Таблица функционирования микросхемы 133 ТМ2 Входы 4

13

12

2

3

4

0

1

0

1

Уст «0»

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

№слова-№ Конт.

1

2

9

3

1

2

9

3

1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

2

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

Х4

11

8

1

N

3

9

№ ввода МС Разъем

….

2

Выходы

Наименование операции

Вх-Вых

10

5

6

Х7

Х6

Хранени е «0» …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. Уст С(1)1

Приложение 4

16

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

Лабораторная работа «Исследование типовых устройств цифровых электронных управляющих систем»

Составил студент ___________________________ (подпись, ФИО)

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

/________/_____________2006

Ульяновск 2006 Приложение 5

17

Микросхема 133 ТМ2 «2 D-Триггера» 1

R

2

D

3

C

4

S

1

R

2

D

3

C

4

S

5 ТМ2 6

9 ТМ2 8

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

– вход «сброс» триггера 1 – вход «данные» триггера 1 – вход «занесения данных» триггера 1 – вход элемента триггера 1 – выход в прямом ходе триггера 1 – выход в инверсном ходе триггера 1 – общий – выход в инверсном ходе триггера 2 – выход в прямом ходе триггера 2 – вход «установка» триггера 2 – вход «занесение данных» триггера 2 – вход «данные» триггера 2 – вход «сброс» триггера 2 – питание 5 В Приложение 6

18

Микросхема 133 ИР1 «Четырехразрядный сдвигающий регистр»

1

S0 D1

2 3 4 5

D2 D3 D4

6 8 9

RG

Q1 Q2 Q3 Q4

E C1

13 12 11 10

C2

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

– вход «последовательный ввод данных» – вход 1р данных – вход 2р данных – вход 3р данных – вход 4р данных – вход «режим работы» – общий – вход «тактовый сдвиг вправо» – вход «тактовый сдвиг влево» – выход 4р данных – выход 3р данных – выход 2р данных – выход 1р данных – питание 5В режим загрузки – «1», режим сдвига –«0»

Приложение 7

19

Микросхема 133 ИЕ7 «Четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик»

15

D1 D2

1 10 9 11 14

D3 D4 C R0

5 4

+1

СТ2

Q1 Q2 Q3 Q4

3 2 6 7

>15