Проектирование комбинационных цифровых устройств (120
..pdfCopyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
А.Б. Красовский, В.А. Соболев
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Методические указания к практическому занятию в компьютерном классе
по курсу «Электротехника и электроника»
Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.3 ББК 31.27-02
К78
Рецензент В.Ф. Судаков
Красовский А.Б.
К78 Проектирование комбинационных цифровых устройств : метод. указания / А.Б. Красовский, В.А. Соболев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 27, [5] с. : ил.
В работе рассмотрены основные этапы проектирования цифрового комбинационного устройства для трех входных переменных, алгоритм работы которого задан таблицей истинности в соответствии с технологическим процессом. Проектирование проводится с помощью логического преобразователя программой среды Multisim 10.1, который сразу по таблице истинности выдает модель требуемого устройства в разных базисах.
Приведены описание интерфейса, технологии сборки схем цифровых устройств, устройств визуализации и инструментарии данной среды.
На полученных моделях студенты проверяют работу данного устройства в программной среде моделирования цифровых устройств Multisim 10.1, которая установлена на персональных компьютерах в компьютерном классе кафедры ФН-7. Такое моделирование позволяет студентам наглядно проверить правильность проведенных расчетов и получить навыки работы с данной программой.
Для студентов 4-го курса факультета «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника».
Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК ФН МГТУ им. Н.Э. Баумана.
УДК 621.3 ББК 31.27-02
c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Комбинационные цифровые электронные устройства (шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и т. п.) широко применяются в различных системах цифровой обработки информации. Современные компьютерные средства схемотехнического моделирования существенно изменили и в значительной степени упростили процедуру их проектирования. Стало возможным в кратчайшие сроки и практически без материальных затрат создавать различные варианты исполнения таких устройств и проверять их работоспособность, что существенно повышает эффективность творческой деятельности инженеров.
В настоящее время при проектировании электронных устройств наиболее широкое распространение получила специализированная программная среда Multisim 10.1 корпорации National Instruments. Она проста в использовании, наглядна и обладает обширной библиотекой стандартных электронных компонентов и модулей. Она также имеет большое количество виртуальных контрольноизмерительных приборов, по виду и интерфейсу максимально приближенных к их реальным аналогам.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цель практического занятия — получение практических навыков проектирования комбинационных цифровых электронных устройств с использованием программной среды Multisim 10.1.
1. ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Спроектировать многофункциональное комбинационное устройство цифровой электроники для автомата управления технологической операцией сортировки термореле в соответствии с полученным вариантом задания из табл. 1. Проектирование провести с использованием программной среды Multisim 10.1.
На вход проектируемого устройства одновременно поступают одноразрядные сигналы Х1, Х2 и Х3 от датчиков контроля параметров термореле, определяющие:
•X1 — диапазон срабатывания по температуре;
•X2 — значение активного сопротивления контактов;
•X3 — значение сопротивления изоляции.
Каждый датчик обеспечивает на своем выходе логическую единицу — 1(+(2,5 . . . 5,0) В), если измеряемая величина находится в допустимом диапазоне, если же она находится вне допустимого диапазона, то соответствующий датчик выдает логический нуль — 0. На выходе устройства формируются сигналы четырех логических функций F1, F2, F3 и F4 для управления исполнительным механизмом сортировки термореле. Значения 1 они принимают при сочетаниях входных сигналов (наборах) Х1, Х2, Х3, десятичные коды которых указаны в табл. 1 вариантов практических
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
F1 |
F2 |
F3 |
F4 |
|
варианта |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
0, 3, 6, 7 |
1, 5 |
2, 4 |
7 |
|
2 |
0, 1, 3, 6 |
1, 4 |
2 |
7 |
|
3 |
0, 1, 3, 4, 7 |
2 |
5 |
6 |
|
4 |
1, 3, 4, 7 |
0, 2 |
5 |
6 |
|
5 |
1, 2, 3, 5, 6 |
0 |
4 |
7 |
|
6 |
0, 1, 3, 6, 7 |
2 |
5 |
4 |
|
7 |
1, 2, 3, 4 |
0, 5 |
6 |
7 |
|
8 |
0, 1, 2, 7 |
3, 4 |
5 |
6 |
|
9 |
0, 2, 3, 5, 7 |
1, 2 |
4 |
6 |
|
10 |
1, 3, 5, 6, |
0, 2 |
4 |
7 |
|
11 |
0, 2, 3, 4, 7 |
1 |
5 |
6 |
|
12 |
0, 1, 2, 6, 7 |
3 |
4 |
5 |
|
13 |
2, 4, 5, 7 |
0, 1 |
3 |
6 |
|
14 |
0, 3, 4, 5 |
2 |
1, 6 |
7 |
|
15 |
1, 2, 5, 6, 7 |
0 |
3 |
4 |
|
16 |
0, 3, 5, 7 |
1, 2 |
4 |
6 |
|
17 |
1, 3, 4, 6, 7 |
0 |
2 |
5 |
|
18 |
1, 2, 3, 4, 5 |
0 |
6 |
7 |
|
19 |
0, 1, 5, 6 |
2, 4 |
3 |
7 |
|
20 |
1, 2, 4, 5 |
0, 3 |
6 |
7 |
|
|
|
|
|
|
заданий. Для остальных сочетаний входных сигналов эти функции принимают нулевые значения.
При выполнении практического задания необходимо выполнить следующее.
1.Изобразить блок-схему проектируемого устройства с указанием входных и выходных сигналов.
2.Составить таблицу истинности функционирования этого
цифрового комбинационного устройства для своего варианта задания.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.По заданной таблице истинности с помощью блока Logic Conventer составить для каждой функции логическое уравнение в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ), минимизировать их.
4.Построить схему цифрового устройства, реализующую минимизированные логические уравнения функций F1, F2, F3 и F4 в базисе И, ИЛИ, НЕ с помощью блока Logic Conventer.
5.Построить схему этого цифрового устройства, реализующую минимизированные логические уравнения функций F1, F2, F3 и F4
вбазисе И—НЕ с помощью блока Logic Conventer.
6.Сравнить булево выражение логической функции F1 в базисе И—НЕ, реализуемое полученной схемой, с булевым выражением этой же функции, полученным путем преобразования минимизированной дизъюнктивной нормальной формы выражения функции F1 в базис И—НЕ.
7.Провести моделирование устройства в базисе И—НЕ. При синтезе модели необходимо минимизировать количество используемых логических элементов путем использования общих логических элементов для разных выходных функций. По результатам моделирования построить таблицу истинности и сравнить ее с исходной таблицей задания. В случае несовпадения таблиц найти ошибки при выполнении пп. 1—6 либо при составлении модели, а
вслучае их совпадения перейти к следующему пункту задания.
8.Из каталога цифровых интегральных микросхем подобрать соответствующие микросхемы для реализации данного устройства.
9.Построить принципиальную электрическую схему разработанного цифрового устройства.
10.Оформить отчет:
•записать исходные данные согласно своему варианту практического задания;
•изобразить блок-схему проектируемого комбинационного устройства;
•составить таблицу истинности для заданных выходных логических функций;
•записать полученные СДНФ для каждой функции и их минимизированные выражения;
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
•изобразить схемы цифрового комбинационного устройства в базисе И, ИЛИ, НЕ и в базисе И—НЕ, полученные с помощью блока Logic Conventer для каждой функции;
•привести результаты сравнения при выполнении п. 6 задания;
•изобразить минимизированную схему комбинационного устройства в базисе И—НЕ путем объединения общих логических элементов для выходных функций;
•сделать копию экрана (Prt Scr) для любого набора входных параметров работы модели, когда функция F1 принимает единичное значение;
•привести таблицу истинности, полученную на модели комбинационного цифрового устройства;
•изобразить принципиальную электрическую схему спроектированного комбинационного цифрового устройства.
2.ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Пример записи исходных данных на проектирование комбина-
ционного устройства приведен в табл. 2.
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
F1 |
F2 |
F3 |
F4 |
|
варианта |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
. . . |
0, 1, 2, 4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
|
|
|
|
Этап 1. Изображаем блок-схему проектируемого комбинационного устройства, как показано на рис. 1.
Рис. 1
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Этап 2. Составляем таблицу истинности комбинационного устройства.
Учитывая, что при трех входных логических переменных X1, X2, X3 можно получить восемь их возможных комбинаций, составляем таблицу истинности функционирования проектируемого устройства (табл. 3).
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
|
|
|
|
|
X3 |
X2 |
X1 |
F4 |
F3 |
F2 |
F1 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Этап 3. Активируем программную среду Multisim 10.1. Запускаем среду Multisim 10.1 с помощью ее Ярлыка на Рабо-
чем столе или из меню Пуск среды Windows: Пуск / Все программы / National Instruments / Circuit Design Suite 10.1 / Multisim10.1 (приложение 2).
Этап 4. Составляем уравнение в СДНФ для каждой логической функции и их минимизированных выражений с помощью блока Logic Conventer.
Блок Logic Conventer из библиотеки Multisim 10.1 применяется для определения логической функции в СДНФ по ее таблице истинности от двух до восьми входных переменных A, B, . . . , H, ее минимизации и синтеза в базисах И, ИЛИ, НЕ и И—НЕ. Он находится на панели инструментов. Устанавливаем его в рабочем окне среды Multisim 10.1. Для этого в рабочее окно программы из панели инструментов перенесем блок Logic Conventer (XLC1) и двойным щелчком левой кнопки мыши откроем его диалоговое окно (рис. 2) и активируем три переменные A, B и С.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2
Составляем заданную таблицу истинности поочередно для каждой функции F1, F2, F3 и F4 и с помощью нажатия кнопки
получаем аналитическую форму этой функции в СДНФ. На рис. 2 приведена таблица истинности для функции F1 и ее СДНФ. Здесь символ С соответствует переменой Х1, символ В — Х2, а символ А — Х3, а апострофы означают отрицание переменной. Таким образом, СДНФ для каждой функции будут иметь следующие выражения:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F1 |
= X3X2X1 + X3X2X1 + X3X2X1 + X3X2X1; |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
(1) |
||||||||||||||||
F2 |
= X3X2X1; |
|||||||||||||||||||
F3 |
= X3X2X1. |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Далее с помощью кнопки 
производим минимизацию этого выражения. Проделываем это поочередно для каждой функции.
Таким образом, минимизированные выражения имеют следующий вид:
F1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= X3X2 + X3X1 + X2X1; |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
(2) |
||||||||||
F2 |
= X3X2X1; |
|||||||||||||
F3 |
= X3X2X1. |
|
||||||||||||
Из формул (2) видно, что в данном случае минимизируется только функция F1.
Этап 5. Синтезируем логические функции в базисе И, ИЛИ и НЕ.
Синтезируем каждую логическую схему в базисе И, ИЛИ, НЕ. Для этого поочередно для каждой логической функции снова заполняем таблицу истинности в блоке Logic Conventer. Построение логической схемы в базисе И, ИЛИ, НЕ осуществляется нажатием
кнопки 
(рис. 3).
Рис. 3
10