Лабораторная работа № 2. Исследование последовательностных логических схем

Цель работы.

• Изучить функционирование триггеров различных типов. Ознакомиться со способами реализации триггеров на ТТЛ микросхемах (элемент "И-НЕ"), Экспериментально исследовать свойства триггеров.

• Изучить работу двоичных счетчиков, экспериментально исследовать графы переходов счетчиков. Изучить способы построения счетчиков с заданным графом переходов.

• Изучить работу регистров сдвига и счетчиков на их основе.

Домашнее задание.

1. Ознакомиться с заданием на проведение эксперимента.

2. Изучить работу триггеров, подлежащих исследованию. Зарисовать в тетради для отчетов таблицы переходов триггеров. При составлении таблицы переходов для выходной величины триггера Q рисовать две колонки, оставляя одну из них незаполненной. Она заполняется при проведении эксперимента. Вывести логические уравнения триггеров (первая минимальная форма). Нарисовать схемы, соответствующие полученным логическим уравнениям и выполненные на элементах стенда.

3. Изучить принципы построения счетчиков. Изобразить в тетради для отчетов схемы изучаемых счетчиков.

4. Изучить работу регистра сдвига и описание работы регистра с помощью графа переходов. Ознакомиться с работой счетчиков, построенных на основе регистров сдвига. Изобразить в тетради для отчетов схемы вышеупомянутых устройств, продумать методику их экспериментального исследования.

Задание на проведение эксперимента.

1. Исследование RS-триггера.

1.1. Собрать схему асинхронного RS-триггера на микросхеме 74HC00с инверсными входами (рис.1) и экспериментально проверить таблицу переходов. При проверке следует помнить, что S=R=1 – запрещенная комбинация. Ее установка может привести к перегрузке и выходу из строя микросхемы. Сигналы S и R формировать с помощью выводов DO0…7 стенда. Выход триггера Q, для проверки его состояния, подключить к светодиоду.

1.2. Собрать схему синхронного RS-триггера на микросхеме 74HC00(рис. 2) и экспериментально проверить таблицу переходов.

Рис.1. Асинхронный RS-триггер Рис.2. Синхронный RS-триггер

2. Исследование двухступенчатого универсального JK-триггера.

2.1. Для одного из JK-триггеров микросхемы 74HC109 экспериментально проверить таблицу переходов. На выводмикросхемы74HC109можно подать сигнал через инвертор, чтобы упростить запись таблицы переходов.

Для проверки таблицы переходов необходимо: подвести питание к микросхеме, подключить выводы K ( _{через инвертор)}, J, R, S, C к выходам стенда DO4, DO3, DO2, DO1, DO0 соответственно (данная последовательность не обязательна, но наиболее удобна). Перевести вывода S и R в неактивное состояние. Установка триггера в состояние 0 или 1 производится переводом вывода R или S соответственно в “0”. После установки вывод необходимо снова перевести в неактивное состояние. Затем двойной посылкой синхроимпульса производится переключения триггера из состояние Q_nв состояние Q_n+1. Функция перехода зависит от состояния выводов J и K.

2.2. Собрать схему формирователя сигналов на микросхеме 74HC4040(U1). На вход формирователя подать меандр с частотой 5кГц. Используя двулучевой осциллограф, снять эпюры напряжений на выходахDIV4иCLK.

2.3. Подать на вход синхронизации JK-триггера сигналCLKформирователя. Зарисовать осциллограммы на входеCи на выходеQ при условии, чтоJ=K=1. Определить, как в этом случае повлияют на триггер сигналы предустановкиR иS.

Рис. 3. Схема формирователя сигналов.

3. Исследование D-триггера.

3.1. Собрать однотактный D-триггер, используя микросхему74HC00(U1) по схеме рис.4,a. Проверить экспериментально таблицу переходовD-триггера. Затем на входC подать сигнал с выходаCLKформирователя, а на входD - с выходаDIV4формирователя, зарисовать эпюры напряженийD-QиC-Q.

3.2. Собрать D-триггер на микросхеме74HC109(U1) из универсального JK-триггера (рис.4,б). Подать на входыCиDсоответственно сигналыCLKиDIV4формирователя. Зарисовать эпюры напряженийD-QиC-Q. Обратить внимание на отличие от эпюрD-триггера, исследованного ранее. Соединить инверсный выход триггера с его входомD. После этого подать на входC сигналCLKформирователя и зарисовать эпюры напряженияC-Q. Убедиться в том, что триггер работает в счетном режиме.

а)

б)

Рис. 4. Разновидность D-триггеров.

4. Исследование схем счетчиков.

4.1. Собрать двоичный счетчик с последовательным переносом, используя 2 микросхемы 74HC109(U1,2) (рис.5). Экспериментально проверить граф перехода счетчика.

4.2. Собрать недвоичный счетчик на базе собранного в п. 4.1. двоичного счетчика и микросхемы 74HC20(U1) и 74HC00(U2) (рис.6) и записать его граф переходов. Определить коэффициент пересчета счетчика. Как нужно изменить схему, чтобы получить десятичный счетчик?

Рис. 5. Двоичный счетчик с последовательным переносом.

Рис. 6. Схема счетчика с произвольным коэффициентом пересчета.

5. Исследование регистров сдвига

5.1. Собрать регистр сдвига по схеме рис.7, используя две микросхемы 74HC109(U1,2). Обнулить регистр. Сигналы на входахC,D,Rформировать выводами DO0…7 стенда. На входD подать логическую единицу. Сформировав в датчике тактов рабочий перепад (1→0), записать логическую единицу в триггерU1:1, после чего на входD подать логический ноль. Подавая на входCрегистра рабочие перепады, наблюдать перемещение в регистре логической единицы. Изобразить граф переходов.

5.2. Проделать эксперимент предыдущего пункта, сохраняя на входе D в течение всего эксперимента логическую единицу. Наблюдать заполнение регистра логическими единицами. Изобразить граф переходов.

6. Исследование кольцевых счетчиков

6.1. Собрать кольцевой счетчик, соединив выход регистра с его входом D=Q₄ (рис. 8, a). Используя входS триггераU1:1, записать в него логическую единицу. После этого подавать на вход счетчика (входС) сдвигающие импульсы с датчика тактов и наблюдать изменение состояний счетчика. Зарисовать граф переходов. Оценить емкость счетчика (коэффициент пересчета).

6.2. Собрать самовосстанавливающийся счетчик (рис. 8, б) на базе предыдущей схемы и микросхем74HC20(U1) и74HC00(U2). С помощьюS-входов триггеров записать в счетчик неверную комбинацию (например, несколько логических единиц). На вход счетчика Cподавать сигналы с датчика тактов. Зарисовать соответствующий граф переходов. Убедиться в восстановлении нормальной работы счетчика.

Рис. 7. Схема регистра сдвига.

а)

б)

Рис. 8. Кольцевые счетчики

6.3. Собрать счетчик Джонсона (рис.9), исследовать его работу, зарисовать граф перехода.

Рис. 9. Счетчик Джонсона.

Требования к отчету.Отчет должен содержать схемы исследуемых триггеров, счетчиков и регистров, таблицы переходов и логические уравнения триггеров, графы переходов счетчиков. Отчет должен включать в себя весь материал, полученный в результате эксперимента, объяснение основных результатов эксперимента, выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. Нарисовать схему и пояснить принцип действия асинхронного RS-триггера с инверсной установкой и синхронного RS-триггера.

2. В чем состоит универсальность JK-триггера?

3. Нарисовать схему и пояснить принцип действия одноступенчатого и двухступенчатого D-триггера. Чем отличаются одноступенчатые и двухступенчатые триггеры?

4. Пояснить, как реализуется работа D-триггера в счетном режиме.

5. Чем определяется быстродействие счетчика? Какие способы повышения быстродействия счетчиков вы знаете?

6. Что такое граф перехода и емкость счетчика?

7. Как работает регистр сдвига?

8. Что такое кольцевой счетчик и как он работает? Как работает счетчик Джонсона?

9. Сравните характеристики счетчиков: двоичного, кольцевого и Джонсона. Каковы их достоинства и недостатки?