Министерство образования и науки РК
Актюбинский филиал Казахской Академии транспорта и коммуникаций
«Основы микропроцессорной техники»
Методические указания к лабораторной работе №2
"Проверка таблиц истинности базовых вентилей"
АКТОБЕ-2006
22
Список используемой литературы
1. Балашов Е. П., Григорьев В. Л., Петров Г. А. Микро — и миниЭВМ. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 376с.
2. Микропроцессоры: В 3-х кн. / Под ред. Преснухина. М.: Высшая школа, 1986. Кн.1. 495 с. Кн. 2. 383 с. Кн. 3. 351с.
3. Токхайм Р. Микропроцессоры: Курс и упражнения /Пер. с англ. Под ред. Грасевича. М.: Энергоатомиздат, 1987. 338с.
4. Казагачев В.Н. Основы микропроцессорной техники. Актюбинск, 2005г. – 363с.
5. Морисита И. Аппаратные средства микроЭВМ / Пер. с япон. М.: Мир, 1988. 279с.
6. Соучек Б. Микропроцессоры и микроЭВМ / Пер. с англ. Под ред. А. И. Петренко. М.: Сов. радио, 1979. 517с.
7. Гибсон Г., Лю Ю.-Ч. Аппаратные и программные средства микроЭВМ / Пер. с англ. В. Л. Григорьева, Под ред. В. В. Сташина. М.: Финансы и статистика, 1983. 255с.
8. Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем. — 1987.
9. Гивоне Д., Россер Р. Микропроцессоры и микрокомпьютеры: Вводный курс / Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 463с.
10. Эмулятор Emu8086. Справочная система.
11. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. Издание 2-е, дополненное и переработанное. Издательство «Солон-Р», Москва, 2001- 736с.
12. Сборник задач по вычислительным машинам и программированию. Учебное пособие. М., «Статистика», 1975г. – 280 с, с ил.
Казагачев В.Н. Методические указания к лабораторной работе №2 "Проверка таблиц истинности базовых вентилей" по дисциплине «Основы микропроцессорной техники». АФ КазАТК, Актобе-2006, 22с.
В качестве специфичных задач автоматизации железнодорожного транспорта можно отметить такие, как создание систем автоведения поезда, автоматизация сортировочных горок и др. Решение перечисленных задач невозможно без использования микропроцессорной техники. Поэтому выпускники железнодорожных вузов должны хорошо ориентироваться в вопросах, связанных с микропроцессорами: хорошо представлять каким образом функционирует микропроцессорная система, как организуется взаимодействие программных и аппаратных средств.
В методических указаниях рассматриваются вопросы преобразования схемы в таблицу истинности.
Предназначены для студентов дневного курса обучения специальности «АТС» и других электротехнических специальностей, изучающих основы микропроцессорной техники и микропроцессорные системы управления.
Рецензенты:
Рассмотрено и одобрено методическим бюро Актюбинского
21
Контрольные вопросы и задания
1. Известно, что единицей измерения информации является бит. Какие значения может принимать эта единица?
2. Что является математической основой применения логических элементов?
3. Какое общее название имеют устройства на базе логических элементов?
4. Какие логические элементы принято считать основными и какими булевыми выражениями они описываются?
5. Перечислите основные законы булевой алгебры.
6. Что такое положительная и отрицательная логика и на каком законе при этом основывается взаимное преобразование логических элементов?
7. Проведите моделирование оставшихся без рассмотрения двухвходовых логических элементов с использованием логического преобразователя и установите для каждого из них соответствие таблицы истинности и булева выражения.
8. Разработайте схемы электромеханических имитаторов двухвходовых логических элементов (за исключением элемента И).
9. Проведите синтез трехвходового логического устройства с выходной комбинацией 10011110 в таблице истинности.
10. Проведите проверку основных аксиом и законов булевой алгебры.
11. Установите различия в булевых выражениях и графических обозначений логических элементов программы EWBот принятых в отечественной научно-технической литературе.
12. Проведите испытания ИМС 7400 (155ЛАЗ, 4 элемента 2И-НЕ), 7432 (155ЛЛ1, 4 элемента 2ИЛИ) и 7486 (155ЛП5, 4 элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ). Входы в этих ИМС обозначаются буквами А, В; выход — Y.
филиала Казахской Академии транспорта и коммуникаций
протокол №____ от "____"_________________2006г.
Лабораторная работа № 2
«Знакомство с EWB»
Цель: Знакомство с программой ElectronicsWorkbehch. Проверка таблиц истинности базовых вентилей.
Краткое теоретическое введение.
ElectronicsWorkbench канадской фирмы Interactive Image Technologies разработана достаточно давно и известны версии 3.0, 4.0, 4.1, 5.0, 5.12 ProfessionalEdition. Программа непрерывно развивается, совершенствуется. Растет библиотека компонент, измерительных приборов, моделирующих функций. Версии 3.0, 4.0 были 16 разрядные, а начиная с Electronics Workbench 4.1 — 32-разрядные. И хотя в последней версии занимаемый объем на диске вырос с 1.4 Мбайт в версии 3.0 до 16 Мбайт в версии 5.12, однако эта программа остается одной из компактных программ (обычные требования подобных программ 80 -150 Мбайт). Во всех версиях остается неизменным (почти) дружественный интуитивный интерфейс, простой мощный графический редактор электрических схем, прекрасная интеграция с Windowsсистемой.
Программа Electronics Workbench 4.1 рассчитана для работы в среде Windows3.xxили 95/98, а Electronics Workbench 5.0. – в среде Windows95/98 и WindowsNT3.51.
Этот пакет представляет законченную среду (shell) разработки электронных схем с интуитивным простым интерфейсом, близким для электронщика. Название пакету выбрано точно — в переводе — рабочий стол электронщика.
У этого пакета имеется целый ряд достоинств, привлекающих внимание:
1. Оригинальный простой графический редактор, позволяющий достаточно просто рисовать на экране практически любые электронные схемы в привычном изображении.
2. Большая библиотека современных электронных компонент, дискретных, интегральных аналоговых, цифровых и смешанных аналогово-цифровых. Библиотека открытая, легко может пополняться новыми элементами, в том числе и отечественными.
3. Богатая библиотека электронных схем, позволяющая использовать готовые практические разработки и легко модернизировать под конкретную задачу. Библиотека открытая, позволяет производить пополнение, как за счет новых разработок, так и за счет подключения библиотек более ранних версий. 4. Великолепный набор виртуальных измерительных приборов, позволяющих выполнить любое электрическое (и не только электрическое измерение). Работа с этими измерительными приборами максимально приближена к работе с реальными приборами. Подключив виртуальный прибор к любой точке схемы можно получить исчерпывающую
2
20
3
кнопке и получим:
В крайне правом столбце получим таблицу истинности. Сравните с таблицей 3.2.
Запустим программу — калькулятор LogiTable. Вычислим ИЛИ, заметим, что логические операции выглядят иначе, Чем предыдущей программе. Таблица истинности одинакова, у обоих программ.
Проверить самостоятельно остальные логические элементы, (см. табл.3.2. [4]).
информацию о процессах в данном узле.
5. Простой по интерфейсу набор моделирующих средств, позволяющий помимо традиционного моделирования электронной схемы по постоянному и переменному току, повести моделирование спектральных, нелинейных, амплитудно-частотных, фазо-частотных характеристик, влияние температуры на отдельные компоненты и на схему в целом, возможность сканирования (sweep) любых параметров компонентов, параметров источников сигналов и питания. Достаточно просто можно выполнить вероятностный анализ работы схемы с различными законами распределения параметров.
6. Большие возможности документирования исследования, получение твердой копии как электрической схемы, параметров моделирования, информации с экрана измерительной аппаратуры, хорошо оформленных графических результатов исследования.
7. Поразительно низкие требования, предъявляемые к компьютеру. Возможна работа начиная с 386 модели.
8. Не требует знаний по программированию. Требуется лишь знакомство со средой Windows. Интуитивный интерфейс позволяет быстро даже неподготовленному пользователю (буквально за полчаса) познакомится с основами и приступить непосредственно к электронным исследованиям.
9. Нельзя не упомянуть обширный, тщательно подготовленный Help, обеспечивающий как контекстную помощь по меню, компонентам, опциям моделирования, так и общие вопросы моделирования, возможные ошибки.
Достоинств в этом пакете больше, чем перечислено и о них еще будет говориться в процессе разработки лабораторного практикума. Однако то, что перечислено, позволило среди множества известных пакетов электронных CAD'ов (Computer Aided Design) выбрать именно Electronics Workbench как наиболее подходящий для использования в лабораторном практикуме.
Экран программы Electronics Workbench, показанный на (рис.2.1), напоминает рабочий стол регулировщика аппаратуры, что вполне соответствует названию (Electronics Workbench — дословно — рабочий стол электронщика). В отличие от других программ схемотехнического моделирования, на нем изображаются измерительные приборы с органами управления, максимально приближенными к реальности. Пользователю не надо изучать довольно абстрактные (хотя и не очень сложные) правила составления заданий на моделирование. Достаточно в схему ввести двухканальный осциллограф и генератор сигналов – и программа сама сообразит, что нужно анализировать переходные процессы. Если же на схеме разместить анализатор частотных характеристик, то будет рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов и затем проведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер оцифровки данных (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливают на
19
4
Элемент ИЛИ.
1. Запустим ElectronicsWorkbench, щелкнув по ярлыку, расположенного на рабочем столе.
2. Щелкнем по кнопке и Выберем логический элемент ИЛИ и поместим (перенесем) на рабочее поле
3. анель универсальных измерительных приборов
4. Выберем логический конвертор
5. Соединим логический элемент с логически конвертером — линиями, как описано выше. 6. Дважды щелкнем по значку логического конвертора, а затем по
лицевой панели с помощью мыши.
Чтобы начать моделирование, достаточно щелкнуть на переключателе, расположенном в верхнем правом углу экрана. После этого на устройствах индикации цифровых вольтметров и амперметров будет зафиксирован режим по постоянному току, на экране измерителя нарисованы частотные характеристики (амплитудно — или фазочастотные), а на экране осциллографа будут непрерывно изображаться эпюры напряжений до тех пор, пока не заполнится буферная память, а затем можно прекратить моделирование или обнулить память и продолжить наблюдения.
Ниже приведены характерные особенности программы Electronics Workbench.
1) Схема изображается в графическом виде привычным образом. Из горизонтально расположенного меню выбирают библиотеку компонентов, состав которой изображается слева от рабочего экрана. Движением мыши символы компонентов переносят на схемы и выполняют электрические соединения. Достаточно указать начальный и конечный вывод цепи, как цепь будет проложена автоматически (правда, не всегда удачно, так что ее приходится немножко корректировать).
2) Полностью поддерживается текстовый формат программы моделирования SPICE, причем при загрузке текстового файла в формате SPICE на экране будет нарисована принципиальная схема с подключенными измерительными приборами (топология сложных схем синтезируется не вполне удачно, но моделируются такие схемы без ошибок).
3) Предусмотрен вывод списка соединений в формате программы OrCAD PCB (в файлах с расширением имени .NET) для разработки печатных плат.
4) Поддерживается стандартный набор компонентов: резисторы, конденсаторы, индуктивности, управляемые линейные и нелинейные источники, линии задержки без потерь и с потерями, диоды, тиристоры, различные транзисторы, операционные усилители, цифровые интегральные схемы и др., а также светодиоды, цифровые индикаторы, резистивные матрицы, плавкие предохранители, лампочки накаливания и ключи. Имеется механизм создания макромоделей.
18
5
рабочее поле
4. анель универсальных измерительных приборов
5. Выберем логический конвертор
6. Соединим логический элемент с логически конвертером — линиями, как описано выше.
7. Дважды щелкнем по значку логического конвертора, а затем по кнопке и получим:
В крайне правом столбце получим таблицу истинности. Сравните с таблицей 3.2.
Запустим программу — калькулятор LogiTable. Вычислим И, заметим, что логические операции выглядят иначе, Чем предыдущей программе. Таблица истинности одинакова, у обоих программ.
Рис.2.1 Экран Electronics Workbench.
5) Предусмотрена возможность изменения параметров компонентов нажатием клавиш. Есть кнопочные переключатели, управляемые с клавиатуры. При этом параметры можно изменять, не прерывая моделирования, как в реальном эксперименте.
6) Имеются следующие измерительные приборы: мультиметры (измерения постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, результаты выводятся в относительных единицах и децибелах); двухлучевые осциллографы (регулируются усиления каналов, частота развертки, смещение лучей по координатам X, Y, имеются открытый и закрытый входы, предусмотрен ввод сигналов синхронизации); измерители частотных характеристик (Bode Plotter); генератор цифровых сигналов (Word Generator); цифровой логический анализатор и логический преобразователь. На схеме можно разместить только по одному из приборов каждого типа. При развертывании изображения лицевой панели прибора на весь экран с помощью двух электронных курсоров проводят точные измерения характеристик.
7) Различные цепи можно окрашивать в разные цвета для улучшения восприятия схемы. При этом временные диаграммы на экране двухлучевого осциллографа и многоканального логического анализатора окрашиваются в те же цвета.
8) Возможен ввод дискретных отсчетов сигналов из файлов.
9) На периферийные устройства можно вывести принципиальную схему, ее текстовое описание, перечень компонентов. Для измерительных инструментов рисуется лицевая панель с
17
6
В крайне правом столбце получим таблицу истинности. Сравните с таблицей 3.2.
Запустим программу — калькулятор LogiTable. Вычислим НЕ-И, заметим, что логические операции выглядят иначе, Чем предыдущей программе. Таблица истинности одинакова, у обоих программ.
Элемент И.
1. Запустим ElectronicsWorkbench, щелкнув по ярлыку, расположенного на рабочем столе.
2. Щелкнем по кнопке 3. Выберем логический элемент И и поместим (перенесем) на
изображением характеристик и положением органов управления, а для осциллографа изображаются также эпюры напряжений неограниченной длины.
Интерфейс Electronics Workbench
Как видно из рис.2.1. интерфейс Electronics Workbench по своему построению очень похож на стандартный интерфейс Windows.
Прежде чем создавать чертеж принципиальной схемы средствами программы EWB, необходимо на листе бумаги подготовить ее эскиз с примерным расположением компонентов и с учетом возможности оформления отдельных фрагментов в виде подсхем. Целесообразно также ознакомиться с библиотекой готовых схем программы для выбора аналога (прототипа) или использования имеющихся решений в качестве подсхем.
В общем случае процесс создания схемы начинается с размещением на рабочем поле EWBкомпонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Одиннадцать разделов библиотеки программы EBWпоочередно могут быть вызваны с помощью меню Windowили с помощью иконок, расположенные под линейкой контрольно-измерительных приборов (см. рис. 2.1). Описать процесс вызова схемы из библиотеки.
Вывести схему на рабочее поле Electronics Workbench можно 2-мя способами:
— 1-й способ — вызов готовой схемы из библиотеки. Делается это посредством команды Open из меню File.
Библиотека схем Samples находится в каталоге Wbnch. Она содержит файлы со схемами как в своём корневом каталоге, так и в двух подкаталогах Complex и Tutorial. Расширение файлов содержащих схемы — ewb.
— 2-й способ создание схемы вручную посредством встроенного графического редактора. Этот способ начинается с выбора команды New из меню File. После этой команды рабочее поле очищается и можно приступать к созданию схемы.
Вынос элементов схемы и измерительных приборов:
— навести стрелку на прибор или элемент;
— нажать левую кнопку “мыши” и удерживая её переместить объект на рабочее поле (выделение снимается нажатием правой кнопки “мыши”и производится двойной щелчок по значку компонента. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (сопротивление резистора, тип транзистора и т.д.) и выбор подтверждается нажатием кнопки Acceptили клавиши Enter. На этом этапе необходимо предусмотреть место для размещения контрольных точек и иконок контрольно-измерительных приборов. - Если в схеме используются компоненты одинакового номинала (например, резисторы с одинаковым сопротивлением), то номинал такого компонента рекомендуется задать непосредственно в каталоге
16
7
поэтому их при необходимости можно будет легко перенести в другое место копированием(Copy), вставкой(Paste) или вставкой в подсхему(Subcircuit), (см. соответствующие команды Copy, Paste и Subcircuit).
Для построения схемы в этом случае будет использован базис: И, ИЛИ, НЕ. Если же требуется построить схему в базисе только И-НЕ см.ниже.
7) Конвертация булева выражения в схему в базисе И-НЕ.
Для выполнения этой операции (при имеющемся в окошке булевом выражении) следует “нажать” стрелкой кнопку:
Порядок выполнения
Элемент НЕ-И.
1. Запустим ElectronicsWorkbench, щелкнув по ярлыку, расположенного на рабочем столе.
2. Щелкнем по кнопке
3. Выберем логический элемент НЕ-И и поместим (перенесем) на рабочее поле
4. анель универсальных измерительных приборов
5. Выберем логический конвертор
6. Соединим логический элемент с логически конвертером — линиями, как описано выше.
7. Дважды щелкнем по значку логического конвертора, а затем по кнопке и получим:
библиотеки и затем переносить компоненты в нужном количестве на рабочее поле. Для изменения номинала компонента необходимо два раза щелкнуть мышью по символу его графического изображения и в раскрывающемся после этого окне внести изменения.
Соединения между элементами на рабочем поле выполняются следующим образом:
— установить стрелку на окончание нужного вам вывода элемента:
— нажать левую кнопку “мыши” (на окончании выбранного вывода должна появится крупная чёрная точка) и удерживая её двигать стрелку по направлению к предназначенному для соединения другому выводу (при этом за стрелкой будет тянуться линия);
— навести стрелку на нужный вывод, при этом на нём появится чёрная точка (это означает что соединение установлено) и отпустить кнопку “мыши” на рабочем поле должно появится соединение.
— Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего пол. Если эта точка действительно имеет электрическое соединение с проводником, то она полностью окрашивается черным цветом. Если на ней виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет и точку необходимо установить заново. После удачной установки к точке соединения можно подключить еще два проводника. Если соединение нужно разорвать, курсор подводится к одному из выводов компонентов или точке соединения и при появления площадки нажимается левая кнопка, проводник отводится на свободное место рабочего пол, после чего кнопка отпускается. Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику, то проводник от вывода компонента курсором подводится к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопка мыши отпускается. Следует отметить, что прокладка соединительных проводников производится автоматически, причем препятствия — компоненты и другие проводники — огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).
— Точка соединения может быть использована не только для подключения проводников, но и для введения надписей (например, указания величины тока в проводке, его функционального назначения и т.п.). Для этого необходимо дважды щелкнуть по точке и в раскрывшемся окне ввести необходимую запись (не более 14 символов), причем запись можно смещать вправо путем введения слева нужного количества пробелов. Это свойство может быть использовано и в том случае, когда позиционное обозначение компонента (например C1, R10) накладывается на рядом проходящий проводник или другие элементы схемы.
— Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и после появления в вертикальной или горизонтальной плоскости двойного курсора производится нужные перемещения.
Само соединение можно подкорректировать — навести стрелку на линию соединения нажать левую кнопку “мыши” и удерживая её перемещать линию в нужном направлении.
15
8
конвертора от A до H, расположенные над дисплеем. Затем в столбце OUT присвоить желаемым разрядам 1, 0 или X тем же способом, что и побитный ввод слов в генераторе слов.
3) Конвертирование таблицы истинности в выражение булевой логики.
Чтобы конвертировать таблицу истинности, имеющуюся на дисплее логического конвертора, в выражение булевой логики следует “нажать” стрелкой на кнопку:
Булево выражение появится внизу в окошке под дисплеем и кнопками. Его можно затем упростить (см. 4)Упрощение булева выражения) или конвертировать в схему (см. 6) Конвертация булева выражения в схему).
4) Упрощение (минимизация) булева выражения. Конвертирование таблицы истинности в минимизированное булево выражение.
Чтобы минимизировать имеющееся в окошке под дисплеем и кнопками булево выражение или перевести, расположенную на дисплее панели управления, таблицу истинности в минимизированное булево выражение следует “нажать” стрелкой кнопку:
ElectronicsWorkbench использует метод Квайна-Мак Класки для минимизации булевых выражений. Этот способ обеспечивает упрощение для систем с большим числом входов, чем может быть расчитано вручную с помощью карт Карно.
Примечание:Упрощение требует много памяти (ОЗУ). Если ваш компьютер не имеет достаточно памяти, эта операция не будет вам доступна.
5) Конвертация булева выражения в таблицу истинности.
Булево выражение можно напрямую ввести в окошко предназначенное для него. Т.е. с помощью “мыши” установить туда курсор и набрать выражение с клавиатуры (доступны будут лишь те клавиши, которые имеют смысл в этом выражении), либо получить с помощью предыдущих операций.
Для конвертации булева выражения в таблицу истинности следует “нажать” стрелкой на кнопку:
Если вы хотите минимизировать булево выражение его следует сначала перевести в таблицу истинности.
6) Конвертация булева выражения в схему.
Чтобы выполнить эту операцию(при имеющемся в окошке панели управления булевом выражении) следует “нажать” стрелкой на кнопку: Схема реализованная на логических ключах появится на рабочем столе Electronics Workbench. Компоненты будут в режиме выделения,
Точная корректировка элементов, приборов и узлов на рабочем поле:
— навести стрелку на объект;
— нажатием правой кнопки “мыши” выделить его;
— корректировать положение клавишами управления курсором.
— Причем для таких приборов, как осциллограф или логический анализатор, соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы. Цветные проводники целесообразны не только для обозначения проводников одинакового функционального назначения, но и для проводников, находящихся в разных частях схемы (например, проводники шины данных до и после буферного элемента). Примеры такого оформления можно найти в каталогах готовых схем (см. файл adc-dacl.ca4).
— При обозначении компонентов необходимо придерживаться рекомендаций правил, предусмотренных ЕСКД (единой системой конструкторской документами). Что касается пассивных компонентов, то при выборе их обозначений особых трудностей не возникает. Трудности возникают при выборе активных элементов — микросхем, транзисторов и т.п., особенно при необходимости использования компонентов отечественного производства, когда требуется установить точное соответствие функциональных обозначений выводов и параметров зарубежных Отечественных компонентов. Для облегчения этой задачи можно воспользоваться таблицами соответствия зарубежных и отечественных компонентов.
— При импортировании в создаваемую схему другой схемы или ее фрагментов целесообразно действовать в следующей последовательности:
Командой File>SaveAsзаписать в файл создаваемую схему, указав его им в диалоговом окне (расширение и