Моделирование схем цифровых устройств. Шифратор и дешифратор
Понятие, внутреннее устройство дешифратора, расширение его разрядности, применение и функциональные особенности. Моделирование схем дешифратора и шифратора, элементы их программной среды. Измерительные приборы, источники питания, устройства визуализации.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.01.2018 |
| Размер файла | 760,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Моделирование схем цифровых устройств. Шифратор и дешифратор
Введение
дешифратор программный схема цифровой
Электронные аналоговые и цифровые устройства находят свое применение практически во всех областях современной науки и техники. Таким образом, в современном мире полезно, а порой и необходимо, особенно в случае инженерных специальностей, знать азы электроники для работы с электронным и цифровым оборудованием. С этой точки зрения, выбранная тема выпускной квалификационной работы (ВКР) является актуальной.
Для успешного понимания принципа работы цифровых электронных устройств недостаточно только теоретического изложения этих вопросов. Значительную роль в этом играют лабораторные исследования электронных схем.
Поэтому целью ВКР является компьютерное моделирование схем шифратора и дешифратора и анализ принципов их работы.
Задачи работы:
? изучить специализированную литературу по теме ВКР
? провести анализ существующих видов дешифраторов и шифраторов
? изучить области применения дешифраторов и шифраторов
? познакомиться со средой MS 10, позволяющей моделировать схемы и процесс работы электронных и цифровых устройств
? разработать лабораторную работу, в которой будет смоделирован принцип действия дешифратора и шифратора
Структура дипломной работы.
Работа состоит из введения, двух глав и заключения.
Во введении показана актуальность исследования, сформулированы цель и задачи ВКР.
Первая глава ВКР посвящена сущности электронных устройств дешифратора и шифратора, рассмотрены виды, на которые они разделены, принципы их работы и области применения. Рассмотрены такие вопросы как: общие сведения о дешифраторах и шифраторах, структура дешифратора,
расширение разрядности дешифратора, применение дешифраторов, структура шифратора, применение шифраторов и приоритетные шифраторы.
Во второй главе проанализирована программная среда NI Multisim 10 (MS10), с помощью которой будет моделироваться лабораторная работа по изучению дешифратора и шифратора. В этой главе рассмотрены следующие вопросы: установка среды, инструментальная линейка, измерительные приборы и процесс сборки схем. Опираясь на возможности компьютерной среды MS10 смоделирована лабораторная работа по изучению электронных устройств шифратора и дешифратора.
Работа включает:
? перечисление основных компонентов устройств
? выделение из содержания библиотеки среды MS10 необходимых элементов и описание механизма их подключения
? описание процесса моделирования схем дешифратора и шифратора
? проверка работы устройств
В заключении приведены основные результаты работы.
1. Дешифраторы и шифраторы
1.1 Общие сведения о дешифраторах и шифраторах
Дешифраторы и шифраторы по сути своей являются основными комбинационными устройствами.
К комбинационным в свою очередь относятся такие цифровые устройства, выходные сигналы которых зависят только от текущего значения входных сигналов. Такие устройства, в отличие от последовательностных, не обладают памятью. После завершения переходных процессов в этих устройствах на их выходах устанавливаются выходные величины, на которые характер переходных процессов влияния не оказывает.
Дешифраторы и шифраторы по существу принадлежат к числу преобразователей кодов. С понятием шифрации связано представление о сжатии данных, с понятием дешифрации - обратное преобразование.
В условных обозначениях дешифраторов и шифраторов используются буквы DC и CD (от слов decoder и coder соответственно).
Дешифраторы
Дешифратор (decoder) - это комбинационное устройство, позволяющее распознавать числа, представленные позиционным n-разрядным кодом. Если на входе дешифратора n-разрядный двоичный код, то на его выходе код «1 из N». В кодовой комбинации этого кода только одна позиция занята единицей, а все остальные - нулевые. Например, код «1 из N», содержащий 4 кодовые комбинации, будет представлен следующим образом:
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Такой код называют унитарным, поэтому дешифратор является преобразователем позиционного двоичного кода в унитарный. Так как возможное количество чисел, закодированных n-разрядным двоичным кодом, равно количеству наборов из n аргументов (N = 2n), то дешифратор, имеющий n входов, должен иметь 2n выходов и будет называться полным. Если часть входных наборов не используется, то дешифратор называют неполным, и у него число меньше 2n. В зависимости от входного двоичного кода на выходе дешифратора возбуждается только одна из выходных цепей, по номеру которой можно распознать входное число.
Проиллюстрируем реализацию дешифраторов на примере полного дешифратора трехразрядных чисел. Таблица истинности дешифратора представлена в табл. 1.
Табл. 1
Как видно, каждый выход yi равен единице только на одном наборе, поэтому работа дешифратора описывается восемью функциями - по числу выходов дешифратора, каждая из которых является конъюнкцией (логическим И) трех аргументов:
Схема трехразрядного полного дешифратора показана на рис. 1 (а - логическая схема; б - условное обозначение дешифратора с входами синхронизации и разрешения). Трехвходовый конъюнктор требуется чтобы реализовать одну функцию yi. Так как на входах конъюнкторов присутствуют как прямые значения аргументов, так и инверсные, в схеме дешифратора необходимы три инвертора (см. рис. 1, а).
Часто дешифраторы выполняют с управляемой синхронизацией, при которой дешифрация кода будет произведена во время подачи синхронизирующего импульса, поступившего на вход С, лишь при условии, что на вход EN подан разрешающий единичный сигнал (см. рис. 1, б). Для реализации такого условия необходимы конъюнкторы с четырьмя входами, на четвертый вход которых поступает сигнал разрешения. Этот сигнал формируется двухвходовым конъюнктором при совпадении сигналов C и EN.
Рис. 1. Логическая схема (а) и условное обозначение (б) дешифратора
В общем случае схема двоичного дешифратора может быть описана с помощью системы переключательных функций переменных следующего вида:
;
; ; (1)
;
,
где x0, x1,…, xn-1 - двоичные переменные на соответствующих входах дешифратора, F0, F1, F2…, F2n-1 - переключательные функции выходов дешифратора.
В зависимости от способа структурной реализации этих функций различают матричные и пирамидальные дешифраторы. Быстродействие дешифратора определяется суммарным временем задержки последовательно включенных логических элементов и зависит от количества его ступеней.
Схема матричного дешифратора строится на основании выражений (1), так что каждое уравнение системы реализуется отдельным логическим элементом. При построении неполных матричных дешифраторов возможно упрощение отдельных переключательных функций.
При построении матричного дешифратора на большое число входных переменных могут возникнуть трудности с реализацией схемы из-за ограничения числа входов у логических элементов, количества логических элементов на кристалле внутри корпуса ИС, а также количества внешних выводов ИС.
На рис. 2 приведены условные графические изображения ИС дешифратора по нормам ГОСТ: с прямыми выходами и прямым сигналом разрешения (а) и с инверсными выходными сигналами и инверсным сигналом разрешения (б).
Рис. 2. УГО ИС дешифратора
Структура дешифратора
Каждому цифровому коду на входах дешифратора (рис. 3) соответствует логическая 1 (или логический 0) на соответствующем выходе. Иначе говоря, каждый входной код адресует соответствующий выход, который при этом возбуждается. Поэтому входы дешифратора часто называют адресными. Стоящие возле них цифры (1, 2, 4…) показывают как соотносятся веса разрядов поступающего двоичного числа.
Рис. 3. Дешифратор «4к16»
Выходы дешифратора оцифрованы десятичными числами.
Возбуждается тот выход, номер которого равен весу входного кода, разряды которого имеют обозначенные веса (рис. 3), т.е. дешифратор расшифровывает (дешифрирует) число, записанное в двоичном коде, представляя его логической 1 (логическим 0) на соответствующем выходе.
Так, выход 5 возбуждается при входном коде 101, выход 6 - при входном коде 110 и т.д. Удобно представлять, что выход дешифратора отображает возбудивший его входной код.
Вход V является входом разрешения работы. Если он является инверсным (обозначен кружком как на рис. 3), то для функционирования дешифратора на нем должен быть логический 0 (достаточно этот вход соединить с общим проводом - Їземлей?). Прямой вход V через резистор соединяется с источником питания. Наличие входа разрешения расширяет функциональные возможности микросхемы.
Дешифратор выбирается так, чтобы число его входов соответствовало разрядности поступающих на него двоичных кодов. Число его выходов равно количеству различных кодов этой разрядности. Так как каждый разряд двоичного кода принимает два значения, то полное количество n-разрядных n комбинаций (n-разрядных двоичных кодов) равно 2. Как уже было сказано ранее такое число выходов имеет полный дешифратор.
Неполный дешифратор выбирается, когда некоторые значения адресных кодов не отражают физической реальности. Для примера, дешифратор, предназначенный для фиксации двоичных кодов десятичного разряда (в нем могут быть цифры 0,1,2…9), должен иметь четыре входа (9 отображается как 1001). Однако комбинации, больше 10012 отображают не цифру, а число, и поэтому (хотя и могут появляться на входах) не должны фиксироваться на выходах, число которых может не превышать десяти.
Основу структуры дешифратора могут составлять элементы И; выход каждого из них является выходом дешифратора. Если этот выход должен быть возбужден, то на входах элемента И должны собираться логические единицы. При этом разряды входного кода, в которых присутствуют логические единицы, должны поступать на входы элемента И непосредственно, а нулевые разряды должны инвертироваться.
Изложенный принцип положен в основу построения схемы, изображенной на рис. 4. Логическая 1 на выходе Y0 должна появляться, когда на входах Х3, X2, X1 присутствует двоичный код 000 десятичного числа 0. Поэтому входы верхнего (по схеме) конъюнктора должны быть соединены с линиями X3, X2, X1, на каждой из которых присутствует логическая 1, когда на входах Х3=Х2=Х1=0. Логическая 1, к примеру, на выходе Y2 должна появиться, когда на входах Х3, X2, X1 устанавливается код 010 десятичного числа 2, поэтому входы соответствующего конъюнктора должны быть соединены с линиями X3, Х2, X1, на каждой из которых имеется логическая 1, когда Х3=0, Х2=1, X1=0. Аналогично соединяются с линиями входы других конъюнкторов.
Рис. 4. Логическая схема дешифратора Некоторые типы дешифраторов имеют инверсные выходы: на возбужденном (активизированном) выходе присутствует логический 0, в то время как на всех других - логические 1. Такие дешифраторы удобно использовать, когда активным сигналом для выбора (ввода в действие, инициализации) устройства с выхода дешифратора является логический 0.
1.2 Расширение разрядности дешифратора
Для наращивания разрядности малоразрядных дешифраторов применяются схемы пирамидального типа. Особенностью такого схемотехнического построения является то, что входное многоразрядное слово делится на два Їполя?. Поле младших разрядов соответствует числу входов имеющихся дешифраторов. Оставшееся поле разрядов используется для формирования сигналов разрешения работы одного из дешифраторов, декодирующих поле младших разрядов.
Общий случай расширения разрядности дешифраторов иллюстрирует рис. 5. Левый (по схеме) дешифратор постоянно активизирован логической 1 на входе V. Кодами на его адресных входах может быть активизирован (выбран) любой из дешифраторов DC0…DC15. Выбор одного из выходов 0…15 каждого из них определяется кодом на объединенных входах 1, 2, 4, 8.
Таким образом, любой из 256 (2) выходов может быть активизирован восьмиразрядным кодом, четыре разряда которого выбирают номер дешифратора, а четыре - номер его выхода.
Рис. 5. Расширение разрядности дешифратора
1.3 Применение дешифраторов
Основное назначение дешифратора состоит в том, чтобы выбрать (адресовать, инициализировать) один объект из множества находящихся в устройстве. Рис. 6 иллюстрирует это применение. Каждому объекту присваивают определенный адрес (номер). Когда на входы дешифратора поступает двоичный код адреса, соответствующий элемент активизируется за счет появления логического 0 на связанном с ним выходе дешифратора, а остальные элементы остаются заблокированными.
Рис. 6. Инициализация объекта в устройстве
Можно предусмотреть, чтобы с одного из выходов дешифратора на определенный блок поступал управляющий сигнал, когда на входах дешифратора появляется определенный код, соответствующий, например, превышению какого-либо параметра (температуры, напряжения и т.д.), который должен быть приведен к нормальному уровню указанным блоком.
Когда число адресуемых устройств невелико, многие выходы дешифратора остаются незадействованными. При этом может оказаться целесообразным (в частности, по экономическим соображениям) использовать не микросхему дешифратора, а реализовать ее фрагмент логическими элементами. На рис. 7 представлена схема, составленная с таким расчетом, чтобы устройство DD1 реагировало на код 101, а устройство DD2 - на код 010.
Рис. 7. Реализация дешифратора с помощью логических элементов
Аналогичный прием можно использовать, если адрес устройства имеет большее число разрядов, чем число входов дешифратора. Рис. 8 иллюстрирует случай, когда устройство DD1 адресуется кодом 1011, при этом три старших разряда кода заводятся на дешифратор, активизируя выход №5, а младший разряд кода объединяется с ним конъюнкцией.
Рис. 8. Дешифратор в случае если адрес устройства имеет большее число разрядов, чем число входов дешифратора
На дешифраторе могут быть реализованы логические функции. Пусть, к примеру, y = x3 x2 x1 + x3 x2 x 1 + x3 x2 x 1. Логические переменные подаются на адресные входы дешифратора (рис. 9). Первая конъюнкция (ее вес равен
2) возбуждает выход №2, вторая - выход №3, третья - выход №5. Так как условие y = 1 должно иметь место при наличии любой из этих конъюнкций, то выходы 2, 3 и 5 надо объединить дизъюнкцией.
3)
Рис. 9. Реализация логических функций
Дешифраторы широко применяются в системах управления технологическими процессами. Многие исполнительные устройства, такие, как электродвигатель, исполнительный механизм на основе электромагнита, могут управляться всего двумя командами: «включить» и «выключить». При этом команде «включить» удобно сопоставить логическую «1», а команде «выключить» - логический «0». Для управления такими устройствами используют унитарные коды, в которых каждый разряд жестко связан с конкретным устройством. Количество управляемых устройств может составлять несколько десятков, и дешифратор должен иметь соответствующее число выходов.
На рис. 10 показана схема управления восемью исполнительными устройствами на основе дешифратора. Схема содержит восемь аналогичных цепей, обеспечивающих включение / отключение исполнительного устройства. Состояние исполнительного устройства фиксируется элементом памяти, в качестве которого чаще всего используется триггер. Верхний вход обеспечивает включение элемента, а нижний - выключение. Сигнал, определяющий включенное или выключенное состояние, поступает на соответствующие схемы И (верхние или нижние) всех элементов памяти, но воспринимается этот сигнал только тем элементом, который выбирается дешифратором. Для этого на схему управления вместе с сигналами ВКЛ/ВЫКЛ одновременно подается код, поступающий на дешифратор и
определяющий номер исполнительного устройства. Сигнал с выхода элемента памяти усиливается и поступает в цепь включения исполнительного устройства. Здесь возможна установка оптронной гальванической развязки, электромагнитного реле, обеспечивающего подачу высокого включающего напряжения, например ?220 В, электромагнитного пускателя, подающего трехфазное напряжение на электродвигатель.
Также интегральные микросхемы дешифраторов можно использовать в качестве демультиплексоров. При этом входы являются адресными (сигналы на них определяют номер активного выхода), сигнал (или один из сигналов) разрешения работы используется как информационный вход.
Рис. 10. Схема управления восемью исполнительными устройствами на основе дешифратора
1.4 Шифраторы
Шифратор (coder) - это комбинационное устройство, выполняющее функции, обратные дешифратору. При подаче сигнала на один из его входов (унитарный код) на выходе должен образоваться соответствующий двоичный код.
Если число входов шифратора равно 2n, то число выходов, очевидно,
должно быть равным n, т.е. числу разрядов двоичного кода, которым можно закодировать 2n ситуаций.
Проиллюстрируем синтез схемы шифратора при n=3. Таблица истинности имеет вид, приведенный в табл. 2.
Табл. 2
Работа шифратора описывается тремя функциями y3, y2, y1, каждая из которых равна единице на четырех наборах (номер набора соответствует номеру входа). Сов ДНФ функций выхода равны:
Три функции реализуются тремя дизъюнкторами (рис. 11), на выходах которых формируется трехразрядный двоичных код.
При этом аргумент x0 не входит ни в одну из логических функций и шина x0 остается незадействованной. Действительно, входному сигналу x0 должен соответствовать код «000», который все равно будет на выходе шифратора, если все остальные аргументы равны нулю.
Рис. 11. Схема шифратора
Структура шифратора
При построении шифратора для получения на выходе натурального двоичного кода учитывают, что единицу в младшем разряде такого кода имеют нечетные десятичные цифры 1, 3, 5, 7,…, т.е. на выходе младшего разряда должна быть 1, если она есть на входе №1 или на входе №3 и т.д. Поэтому входы под указанными номерами через элемент ИЛИ соединяются с выходом младшего разряда. Единицу во втором разряде двоичного кода имеют десятичные цифры 2, 3, 6, 7,…; входы с этими номерами через элемент ИЛИ должны подключаться к выходу шифратора, на котором устанавливается второй разряд кода. Аналогично, входы 4, 5, 6, 7,… через элемент ИЛИ должны быть соединены с выходом, на котором устанавливается третий разряд, так как их коды имеют в этом разряде единицу, и т.д.
Схема шифратора, построенная в соответствии с изложенным принципом, приведена на рис. 12, а, а условное изображение - на рис. 12, б, где E - вход разрешения работы, а Е0 - выход, логический 0 на котором свидетельствует о том, что ни один информационный вход не возбужден.
Для расширения разрядности (каскадирования) шифраторов вход E последующего шифратора соединяют с выходом E0.предыдущего. Если информационные входы предыдущего шифратора не возбуждены (E0=0), то последующий шифратор получает разрешение работать.
а) б)
Рис. 12. Схема шифратора (а) и условное изображение (б)
Применение шифраторов
Шифратор может быть организован не только для представления (кодирования) десятичного числа двоичным кодом, но и для выдачи определенного кода (его значение заранее выбирается), например, при нажатии клавиши с соответствующим символом. При появлении этого кода система оповещается о том, что нажата определенная клавиша клавиатуры.
Шифраторы применяются в устройствах, преобразующих один вид кода в другой. При этом вначале дешифрируется комбинация исходного кода, в результате чего на соответствующем выходе дешифратора появляется логическая 1. Это отображение входного кода, значение которого определено номером возбужденного выхода дешифратора, подается на шифратор, организованный с таким расчетом, чтобы каждый входной код вызывал появление заданного выходного кода.
Шифраторы используются для построения устройств ввода первичной информации - клавиатур. Для этого необходимо активные уровни сигнала унитарного входного кода формировать с помощью ключей-кнопок клавиатуры. Аналогично можно реализовывать устройства вывода информации с использованием дешифраторов, например индикаторы или исполнительные механизмы.
На рис. 13 показан пример построения линейной и матричной клавиатур на 8 и 64 клавиш соответственно.
Рис. 13. Пример построения линейной (а) и матричной (б) клавиатур
В схеме рис. 13, а входной логический ноль формируется путем нажатия соответствующей кнопки и замыкания входной цепи на нулевой потенциал общего провода. При отсутствии воздействия на кнопки входные потенциалы шифратора через резисторы R1…R8 подтянуты к напряжению питания, т.е. имеют пассивные уровни логических единиц. Соответствующий двоичный код номера нажатой кнопки с выхода шифратора поступает в цифровую часть схемы измерительного устройства для последующей обработки. Признаком того, что хотя бы одна из кнопок нажата, является активный уровень сигнала «кнопка нажата», сформированный выводом G микросхемы шифратора. Этот сигнал может служить командой цифровому устройству, к которому подключена клавиатура, на то, чтобы оно приступило к считыванию кода нажатой кнопки. Такой сигнал может быть подан, например, на линию прерывания микропроцессорной системы.
Линейные клавиатуры имеют ограничения по количеству кнопок, определяемые разрядностью шифратора. Поскольку многие современные измерительные устройства имеют широкую функциональность и могут требовать наличия большого количества управляемых органов, линейная организации в таком случае может оказаться недостаточной. Когда требуется формировать клавиатуры с большим количеством кнопок, конструктивно и схемотехнически оптимальной является матричная организация, пример которой показан на рис. 13, б. В такой схеме кнопки SA1…SA64 устанавливаются в пересечениях строк и столбцов прямоугольной матрицы размерностью 8х8. Опрос кнопок осуществляется путем сканирования их в матрице. Цифровое устройство вырабатывает двоичный код, который преобразуется дешифратором DD2 (дешифратор в схеме изображен в зеркальном отображении, т.е. его входы в УГО показаны справа, а выходы слева) в унитарный инверсный код, в результате чего выбранный столбец матрицы приобретает потенциал уровня логического нуля. Это эквивалентно подключению к земле одного из контактов кнопок SA1…SA8 в схеме рис. 10, а. Далее, если в выбранном столбце нажата кнопка, то на выходе шифратора DD1 сформируется ее двоичный код, а также станет активным сигнал «кнопка нажата». В противном случае сигнал «кнопка нажата» будет иметь пассивный уровень. С определенной периодичностью цифровое устройство будет менять двоичный код активизируемого столбца матрицы, в результате чего циклически будет производиться опрос всех столбцов. Таким образом, двоичный код активизируемого столбца будет выходным для цифрового устройства, к которому данная клавиатура подключена, а код номера кнопки в столбце - входным. При такой организации от цифрового устройства требуется, чтобы оно постоянно опрашивало клавиатуру, формируя двоичный код столбца на дешифратор столбцов. Часто подобным цифровым устройством является микропроцессорная система. Возложение на нее задачи постоянного формирования и чередования кодов столбцов матрицы приводит ее к загрузке этим процессом, что снижает производительность системы. Поэтому для разгрузки микропроцессорной системы в схеме клавиатуры используют устройство, автономно формирующее и чередующее коды столбцов матрицы. Таким устройством является счетчик DD3, на входы которого подается последовательность импульсов с генератора импульсов GN. В схеме подключение счетчика к входам дешифратора показано пунктирными линиями. В общем случае счетчик формирует на выходе двоичный код количества импульсов, поступающих на его вход. Таким образом, код с выхода счетчика будет постоянно увеличиваться на единицу, что повлечет за собой активизацию соседних столбцов в матрице. Этот же код будет поступать в цифровое устройство уже как входной код для идентификации им номера активного столбца матрицы. Признаком того, что хотя бы одна кнопка нажата, будет наличие на выходе «кнопка нажата» активного уровня сигнала, являющегося для цифрового устройства командой на считывания кодов номеров столбца и нажатой кнопки в столбце.
Приоритетные шифраторы
Кроме обычных шифраторов существуют также приоритетные шифраторы. Такие шифраторы выполняют более сложную операцию. При работе ЭВМ и других устройств часто решается задача определения приоритетного претендента на обслуживание. Несколько конкурентов выставляют свои запросы на обслуживание, которые не могут быть удовлетворены одновременно. Нужно выбрать, кому предоставляется право первоочередного обслуживания. Простейший вариант задачи - присвоение каждому источнику запросов фиксированного приоритета. Например, группа из восьми запросов R7,…, R0 (R - от англ. request - запрос) формируется так, что высший приоритет уменьшается от номера к номеру. Самый младший приоритет у нулевого источника - он будет обслуживаться только при отсутствии всех других запросов. Если имеются одновременно несколько запросов, обслуживается запрос с наибольшим номером.
Приоритетный шифратор вырабатывает на выходе двоичный номер старшего запроса. При наличии всего одного возбужденного входа приоритетный шифратор работает так же, как и двоичный. Поэтому в сериях ИС двоичный шифратор как самостоятельный элемент может отсутствовать. Режим его работы - частный случай работы приоритетного шифратора.
2. Моделирование схем цифровых электронных устройств дешифратора и шифратора
2.1 Структура и свойства среды моделирования
Общие положения
Помимо практических экспериментов сейчас популярно компьютерное проектирование и анализ электронных схем в таких средах схемотехнического моделирования как ElectronicsWorkbenсh, DesignLab, LabVIEW, NIMultisim, Matlab и др.
Самым подходящим средством является программная среда NI Multisim 10 (MS10) компании ElectronicsWorkbenсhGroup, в чьей библиотеке более электронных компонентов, сопровождаемых аналитическими моделями, пригодными для быстрого моделирования. Особенностью среды MS10 в контрольно-измерительных приборах, которые приближены к их промышленным аналогам, в первую очередь по характеристикам.
Большое разнообразие моделей аналоговых, цифровых или смешанных аналого-цифровых устройств, а также средств анализа и виртуальных приборов делает среду MS10 удобным инструментом для визуализации и демонстрации проявления многих фундаментальных явлений и процессов аналоговой и цифровой электроники.
При построении сложных аналоговых и цифровых устройств, здесь используется модульный принцип: т.е. устройства собираются из более простых схем, состоящих из резисторов, конденсаторов, транзисторов, логических элементов, операционных усилителей и цифровых микросхем.
Установка Multisim 10
Скачать и установить на сво?м компьютере программную среду NI Multisim 10 с ограниченным сроком использования для операционной системы MS Windows, а также скачать описание среды (MultisimТМUserGuide) и е? компонентов (MultisimТМComponentReferenceGuide) можно с сайта electronicsworkbenсh.com.
При установке среды MS10 в открывшемся экране выберите пункт InstallMultisim 10, который запускает процесс установки. На следующих страницах предлагается документ для ознакомления и принятия лицензионного соглашения NationalInstrumentsSoftwareLicenseAgreement и End-UserAgreementforMicrosoftSoftware.
После принятия соглашения необходимо подтвердить выбор папки, куда будет установлено программное обеспечение MS10. После установки среды программа предложит перегрузить компьютер. После перезагрузки, в меню Пуск появится пункт multisim.exe. С этого момента программа полностью готова к использованию.
Также, можно работать и с готовыми моделями электронных устройств. Для этого их нужно скачать с сайта издательства www.dmk-press.ru и перенести в папку CircuitDesign Suite10.1, находящуюся в папке NationalInstruments. Останется только запустить среду MS10 выбрать в меню опцию Файл пункт Открыт, и в открывшимся окне выбрать нужный схемный файл. Выбранная схема будет выведена на рабочее поле среды.
Основные элементы программной среды MS10
Программная среда MS10 имеет простой и ясный пользовательский интерфейс, состоящий из:
?из строки заголовка, расположенной в верхней части экрана;
?строки главного меню;
?командных строк инструментальной линейки (управляющих кнопок - пиктограмм) библиотек электронных элементов, узлов и приборов.
Но его можно изменить, если выбрать в меню Установки пункт Модифицировать интерфейс (Настроить пользовательский интерфейс). Также, с помощью диалогового окна Customize(Настройка) можно настроить систему под себя, а именно:
?назначить горячие клавиши клавиатуры любой его команде,
?изменить или создать новые панели инструментов и закрепить их в любом месте.
С помощью опции Установка / Настройка свойств листа и е? закладок Схема, Рабочее место, Соединение, Печатная плата и Доступность можно изменить свойства каждого схемного документа (листа): размер и цвет схемы, шрифт текста описания схемы, настройки печатной платы, отображение или сокрытие сло?в комментариев и другие параметры листа.
Глобальные настройки управления свойствами среды МS10 выполняются с помощью опции Глобальные настройки той же команды Опции с закладками:
?Путь. Здесь указывается путь к файлам баз данных;
?Сохранить. В этом окне можно задать период автоматического сохранения и выполнить другие настройки;
?Компоненты. Здесь выбирается режим размещения компонентов и стандарт символов (ANSI или DIN).
?Общее. Можно изменить конфигурацию компонентов, колеса мыши и инструментов соединения компонентов.
Кроме команды Установки, строка главного меню (рис. 14) содержит команды, каждая из которых содержит больше десятка опций со своими закладками и кнопками. Для команд характерны как общеизвестные опции, такие как Открыть, Сохранить, Копировать, Вставить и другие, так и опции, типичные лишь для среды MS10. Подробное описание команд, опций и моделей компонентов схем дано в меню Справка.
Также, нельзя не отметить назначение отдельных меню и их опций, наиболее часто используемых при проектировании схем.
Рис. 14. Строка главного меню
Опции меню Файл предназначены для открытия, закрытия, сохранения и печати с моделированных электронных схем. Опции меню Редактор можно использовать для изменения объектов схем на лицевой панели или в самом блоке программы.
Опции команды Вид предназначены для вывода по краям рабочего поля размерных полос и точечной сетки на рабочем поле (Координатные полосы, Граничные линии, Сетка), пиктограмм библиотек в инструментальной линейке Панель инструментов (рис. 15), и других пиктограмм и панелей. Так, при выборе опции Виртуальный в инструментальной линейке библиотек добавляется панель Виртуальных приборов.
Рис. 15. Библиотека виртуальных компонентов
В меню Вставить после щелчка мышью на опции А Текст можно вносить (с помощью кнопок клавиатуры) на рабочее поле программы текстовую информацию, в том числе на русском языке.
В меню Трансляция (или Обмен данными) размещены опции, позволяющие экспортировать разработанные схемы устройств в другие приложения (рис. 16).
Рис. 16. Опции меню «Трансляция»
При помощи опций команды Инструментарий можно конвертировать схемы, спроектированные в средах MS8 и MS9, а среду MS10, выводить на экран из библиотеки MS10 (Инструменты / Мастер схем) средства разработки усилителей, фильтров, устройств на базе таймера 555 и выводить готовые схемы на операционном усилителе.
Опция Вид анализа в команде Моделирование нужна для выбора методов анализа и установки параметров моделирования (рис. 17). Перед моделированием схемы необходимо убедиться, что в схеме есть источник энергии и заземление.
Рис. 17. Виды анализа при моделировании
В среду Multisim 10 встроено множество средств анализа данных моделирования, результаты которых отображаются на графиках программ Postprocessor и Grapher. Также в среду встроен эмулятор моделей компонентов SPICE и эмулятор XSPICE, использующиеся для эмулирования цифровых компонентов, а также конструктор моделей, он автоматически сгенерирует модель на основании данных Книги данных.
В среде имеется 3 базы данных:
? Основная База данных
? Индивидуальная База данных
? Корпоративная База данных
Основная База Данных позволяет содержать компоненты, из которых можно только считывать информацию.
Пользовательская БД используется для хранения компонентов на персональном компьютере.
Корпоративная БД содержит компоненты, которые можно просматривать только будучи пользователем корпоративной сети.
Командные строки инструментальной линейки
Строки инструментальной линейки содержат управляющие кнопки, часть из которых используется для запуска / выключения программы (кнопка / Запуск моделирования) или е? остановки (кнопка Пауза), а другая часть (кнопки библиотек инструментов и приборов, масштабирования и др.) - при, непосредственно, проектировании схем.
На экран выводится столько панелей библиотек с соответствующим набором пиктограмм компонентов в инструментальной линейке, сколько их выберет сам пользователь в диалоговом окне.
Стоит отметить, что в среде имеется несколько типов библиотек компонентов:
? Стандартные компоненты - библиотеки с номинальными значениями параметров компонентов фирм-производителей.
? Виртуальные компоненты - библиотеки виртуальных компонентов, где сам пользователь устанавливает параметры.
? Компоненты с ограничениями - виртуальные компоненты с ограничениями, которые могут «сгореть», если при моделировании схемы на них подадутся сигналы с превышающими установленными ранее пользователем значениями параметры.
? Трёхмерные компоненты - тр?хмерные виртуальные компоненты, отображающиеся с использованием элементов трехмерной графики, вместо стандартных условных обозначений.
Использование этих библиотек целесообразно на завершающем этапе разработки и испытания схем электронных устройств с формированием таблиц с параметрами компонентов фирм-производителей.
При сборке и испытании схем, испытании базовых узлов и исследованиях влияния различных параметров компонентов на характеристики устройств используются библиотеки виртуальных компонентов (рис. 18): Аналоговые компоненты, Пассивные компоненты, Диодные компоненты, Транзисторы, Измерительные компоненты, Аналого - цифровые компоненты, Источники питания С ограничениями, Источники сигналов
Рис. 18. Библиотеки виртуальных компонентов
2.2 Измерительные приборы, источники питания, устройства визуализации
Справа от рабочего окна (поля) программы MS10 после выбора на пиктограммах команд Моделирование / Приборы выводится вертикальная линейка кнопок-пиктограмм источников питания, измерительных приборов и осциллографов (рис. 19).
Для подключения прибора к схеме нужно щелкнуть мышью на пиктограмме прибора, затем на рабочем поле программы MS10 и подключить выводы прибора к узлам схемы. Некоторые приборы нужно подключить к общей точке, в противном случае их показания будут неверными. Расширенное изображение прибора выводится на рабочее поле после двойного клика на его уменьшенном изображении или после выполнения команд Инструменты / Масштабирование. Закрыть увеличенное окно прибора можно одним кликом на кнопке Закрыть, расположенной в правом верхнем углу окна.
Рис. 19. Приборы моделирования
Моделирование схем цифровых электронных устройств дешифратора и шифратора
Лабораторная работа.
Изучение принципа работы электронных устройств дешифратора и шифратора.
Цель работы: научиться моделировать компьютерную схему цифровых электронных устройств дешифратора и шифратора с помощью среды NI Multisim 10.
Порядок выполнения работы
1. Запустить среду MS10.
Чтобы запустить среду нужно два раза кликнуть левой кнопкой мыши на значке программы. После запуска программой будет автоматически создано рабочее поле среды MS10 (Рис. 20).
Рис. 20. Рабочее поле среды MS10
2. Используя библиотеку среды MS10, найти необходимые виртуальные компоненты.
Для этого нам потребуется выбрать пункт меню Вставить и далее нажать Компонент либо воспользоваться сочетанием клавиш Ctrl+W (рис. 21). Откроется окно Выбор компонента (рис. 22) используя которое с
помощью встроенного в него поиска мы найдем необходимые для моделирования схемы компоненты:
- интегральный дешифратор (decoder - DC) 3to8
- источник VCC (5 В)
- инвертор NOT
- инверторы NC7S04_5V
- логические пробники PROBE
- шифратор (coder - CD) 8to3
- индикатор DCD
Рис. 21. Меню Вставить
Рис. 22. Окно Выбор компонента
Рис. 23. Боковое меню Приборы
3. Разместить на рабочем поле среды MS10 нужные компоненты и приборы. Для размещения компонентов в окне Выбор компонента (рис. 22) выбираем поочередно каждый необходимый компонент, нажимаем OK, выбираем место рабочего поля, куда необходимо его поместить и левым кликом мыши (ЛКМ) размещаем компонент в выбранной области рабочего поля.
В свою очередь приборы расположены в боковом меню Приборы, находящемся справа (рис. 23). Требуется кликнуть ЛКМ на изображении прибора, затем выбрать место рабочего поля, куда необходимо его поместить и еще раз кликнуть ЛКМ для размещения. Для работы потребуются:
- генератор слов XWG1
- логический анализатор XLA1
4. Соединить проводниками элементы виртуальной схемы.
Чтобы соединить проводниками компоненты и / или приборы, необходимо навести курсор мыши на конец нужного вывода, нажать ЛКМ и переместить тянущуюся за курсором линию к нужному выводу другого компонента или прибора. На его конце должна будет появиться точка и после щелчка мышью на этой точке, два вывода будут соединены «проводником».
Ход выполнения работы
Смоделируем логическую комбинационную схему дешифратора (рис. 24), имеющую 3 информационных входа A, B и C и 8 выходов (Y0…Y7)
Рис. 24. Схема дешифратора 3 в 8
Схема дешифратора содержит:
1. интегральный дешифратор (decoder - DC) 3х8, преобразующий позиционный 3-разрядный двоичный код в унитарный «1 из 8»: в выходной 8-разрядной кодовой комбинации только одна позиция занята единицей, а все остальные - нулевые. В зависимости от входного двоичного кода, например, 001 на выходе DС появляется сигнал 1 только на одной (второй, см. рис. 24) из 8-ми выходных линий, к которым подключены пробники Х0…Х7. Данный тип шифратора относится к шифраторам с разным уровнем входных и выходных сигналов: активные входные уровни соответствуют уровню логической единицы, а активные выходные сигналы - уровню логического нуля;
2. логический генератор слова XWG1;
3. логический анализатор XLA1, на экране которого записаны временные диаграммы как входных (A, B и C), так и восемь (Y0, Y1,…, Y7) инвертированных выходных сигналов, полученных при пошаговом режиме Пошагово генератора;
4. источник VCC (5 В), напряжение с выхода которого подано на инвертор NOT. Логический ноль с инвертора подается на управляющий вход дешифратора: при G = 0 дешифратор находится в активном состоянии.
5. восемь инверторов С0_С7 включены в схему для наблюдения при помощи логических пробников уровней сигналов на выходах инверторов.
Задание 1.
Ввести в логический генератор слова XWG1 данные, которые будут эквивалентны числам от 0 до 7 (рис. 25), для этого необходимо дважды кликнуть по генератору на рабочем поле, чтобы открылись его параметры. Установить режим Пошагово и ввести данные в ячейки в двоичном виде.
Рис. 25. Генератор слова XWG1
Запустить программу моделирования дешифратора. Щ?лкая мышью на кнопке Пошагово генератора XWG1, последовательно подавать на вход дешифратора логические слова. Убедиться, что при подаче на вход дешифратора каждой новой двоичной кодовой комбинации засвечивается только один пробник, который «распозна?т» свой входной код.
Проанализировать временные диаграммы входных и выходных сигналов дешифратора (рис. 26).
Рис. 26. Логический анализатор XLA1
Для выполнения следующего задания необходимо пересобрать схему, чтобы получить шифратор.
Шифратор (coder - CD) по отношению к дешифратору выполняет обратную функцию: он преобразовывает m-разрядный код в n-разрядный двоичный код. Если подключить выходы Y0…Y7 дешифратора DC (см. рис. 24) к входам D0…D7 шифратора CD, то на выходе СD получим 3-разрядные двоичные коды A0 = A, A1 = B и A2 = C, т.е. получим шифратор 8 в 3 (рис. 27).
Рис. 27. Схема шифратора 8 в 3
Полученный интегральный шифратор CD 8х3 (из 8 в 3) имеет 8 входов D0, D1, …, D7, подключенных к выходам Y0, Y1, …, Y7 дешифратора DC, и три инверсных выхода А0, А1, А2, к которым через инверторы С0, С1, С2 подключены логические пробники Х0, Х1, Х2 и семисегментный индикатор Ind. Содержимое ячеек памяти генератора слова XWG1: 000, 001, …, 111 (см. рис. 25).
Задание 2
Запустить программу моделирования шифратора. Щ?лкая мышью на кнопке Пошагово генератора XWG1, последовательно подавать на вход дешифратора логические слова. Убедиться, что при подаче с выхода DC на вход шифратора СD 8-разрядной последовательности, в которой только одна позиция занята единицей, а остальные ??нулями, на выходе шифратора формируются 3-разрядные двоичные коды A0A1A2, где А0 = А, А1 = В и А2 = С, соответствующие двоичным кодовым комбинациям на входе дешифратора DC.
По результатам моделирования (по засвечиванию логических пробников Х0, Х1, Х2 и показаниям индикатора Ind) составить и заполнить таблицу переключений на выходе шифратора CD 8х3.
Заключение
Таким образом, в ВКР была изучена специализированная литература и проанализированы существующие виды дешифраторов и шифраторов. Этот анализ наглядно показал разницу между дешифратором и шифратором. В простейшем представлении шифратор осуществляет преобразование десятичного кода в двоичный, а дешифраторы требуются для обратного преобразования двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа.
В первой главе подробно проанализированы разновидности и принципы работы дешифраторов и шифраторов, изучены сферы применения устройств.
Во второй главе была описана программная среда разработки и моделирования аналоговых и цифровых электронных устройств NI Multistim 10, позволяющая конструировать электронные схемы и моделировать процесс работы электронных цифровых устройств. Были описаны основные элементы программной среды MS10, инструментальная линейка, измерительные приборы, компоненты и их библиотеки, процесс сборки схем. Проиллюстрированы скриншоты из программной среды.
Также, в ВКР была разработана лабораторная работа, в ходе которой был смоделирован и изучен принцип действия дешифратора и шифратора. В ходе моделирования на дешифратор и шифратор подавались сигналы, результаты которых были описаны и приведены в виде временных диаграмм сигналов. Смоделированные в работе схемы работоспособны.
Таким образом, все поставленные в ВКР задачи выполнены полностью.
Список литературы
1. Аверченков О.Е. Основы схемотехники аналого-цифровых устройств. М.: ДМК Пресс, 2012. 80 с.
2. Амосов В.В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. СПб.: БХВ Петербург, 2007. 542 с.
3. Банная В.Ф., Курова Ф.А. Основы электроники: Методическое пособие для студентов факультета точных наук и инновационных технологий. М.: РИЦ МГГУ им. М.А. Шолохова, 2013. 253 с.
4. Берикашвили В.Ш. Основы электроники. М.: Издательский центр Академия, 2013. 208 с.
5. Бишоп О. Электронные схемы и системы. М.: ДМК Пресс, 2016. 576 с.
6. Бладыко Ю.В. Сборник задач по электротехнике и электронике. Минск: Вышэйшая школа, 2012. 489 с.
7. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Техносфера, 2009. 712 с.
8. Джонс М.Х. Электроника - практический курс. М.: Техносфера, 2013. 512 с.
9. Китаев Ю.В. Основы цифровой техники: Учебное пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. 87 с.
10. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. М.: Гелиос APB, 2011. 336 с.
11. Марченко А.Л. Основы электроники: Учебное пособие для вузов. М.: ДМК Пресс, 2008. 296 с.
12. Марченко А.Л., Освальд С.В. Лабораторный практикум по
электротехнике и электронике в среде Multisim. М.: ДМК Пресс, 2009. 1000 с.
13. Миленина С.А. Электротехника, электроника и схемотехника. М.: Юрайт, 2016. 400 с.
14. Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника: Учебник для бакалавров. М.: Юрайт, 2013. 408 с.
15. Муханин Л.Г. Схемотехника измерительных устройств: Учебное пособие. СПб.: Лань, 2009. 288 с.
16. Новожилов О.П. Основы цифровой техники: Учебное пособие. М.: РадиоСофт, 2013. 528 с.
17. Прошин В.М., Ярочкина Г.В. Сборник задач по электротехнике: Учебное пособие. М.: Academia, 2015. 128 с.
18. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. СПб.: КОРОНА принт, 2004. 416 с.
19. Ревич Ю.В. Занимательная электроника - 2-е издание. СПб.: БХВ Петербург, 2009. 722 с.
20. Сигов А.С., Нефедов В.И., Щука А.А. Электроника. М.: Абрис, 2011. 352 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Описание дешифратора и структурная схема устройства. Расчет потребляемой мощности и времени задержки. Описание мультиплексора и структурная схема коммутатора параллельных кодов. Устройство параллельного ввода слов в регистры. Ждущий мультивибратор.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 27.04.2015Устройства, оперирующие с двоичной информацией. Отсутствие цепей обратной связи с выхода на вход. Число входов и выходов шифратора. Последовательные и параллельные сумматоры. Структура пирамидального дешифратора. Преобразование параллельного кода.
лабораторная работа [1,5 M], добавлен 02.07.2009Основные преимущества цифровых систем связи по сравнению с аналоговыми. Принципы работы дискретных устройств, особенности их построения. Устройство генератора импульсов, синтез счетчика, мультиплексора и дешифратора. Разработка асинхронного автомата.
курсовая работа [552,1 K], добавлен 21.11.2012Анализ работы двоичного интегрального счетчика и двоично-десятичного дешифратора. Подключение неиспользуемых входов к шине питания, "общему" проводу или другому используемому входу. Анализ временной диаграммы дешифратора. Устройство счетчика Джонсона.
лабораторная работа [211,1 K], добавлен 18.06.2015Обзор современных схем построения цифровых радиоприемных устройств (РПУ). Представление сигналов в цифровой форме. Элементы цифровых радиоприемных устройств: цифровые фильтры, детекторы, устройства цифровой индикации и устройства контроля и управления.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 15.12.2009Технология изготовления полупроводниковой микросхемы, ее виды. Электронное устройство для расшифровки сообщений, передаваемых условными сигналами и перевода информации на язык воспринимающей системы. Пример дешифратора для пятиразрядного двоичного кода.
курсовая работа [801,5 K], добавлен 28.04.2015Системи автоматичного проектування ACCEL Schematic, Dr. Spice. Опис роботи в середовищі PCAD-2009: створювання принципових схем для їх подальшого трасування, позначення компонент, бібліотек дискретних елементів. Принципова схема дешифратора сигналів.
реферат [22,5 K], добавлен 09.06.2010Разработка функциональных частей единого цифрового устройства: логического устройства; счетчика, одновибратора, синхронизирующего поступление информации на счетчик; дешифратора для представления результата работы устройства в доступной для человека форме.
курсовая работа [314,9 K], добавлен 31.05.2012Основные сведения о декодере. Принцип работы дешифратора. Двоичные логические операции с цифровыми сигналами. Способ увеличения количества выходов дешифратора. Проектирование электрической схемы для реализации дешифратора. Изготовление печатной платы.
дипломная работа [1015,7 K], добавлен 29.12.2014Автоматизация конструирования. Разработка схем цифровых устройств на основе интегральных схем разной степени интеграции. Требования, методы и средства разработки печатных плат. Редактор АСП DipTrace. Требования нормативно-технической документации.
отчет по практике [2,9 M], добавлен 25.05.2014- Программа виртуального синтеза цифровых схем с учётом особенностей эмуляции процессорного устройства
Технические характеристики, описание тела, структура и принцип работы программы виртуального синтеза цифровых схем, а также возможности ее применения в учебном процессе. Анализ проблем эмуляции рабочей среды для построения и отладки электронных устройств.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 07.09.2010 Схема дешифратора для управления семисегментным индикатором. Таблица истинности для семи логических функций. Кодирование двоичным кодом цифр от 0 до 9. Составление дизъюнктивных нормальных форм логических функций. Заполнение диаграмм Вейча, минимизация.
практическая работа [769,8 K], добавлен 10.06.2013Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.11.2014Синтез цифрового устройства управления в базисах мультиплексоров, логических элементов Шеффера и Пирса. Схемотехническое моделирование синтезированных схем. Оценка работоспособности полученных моделей с индикацией заданных значений логической функции.
курсовая работа [382,8 K], добавлен 29.05.2013Изучение полного дешифратора с прямыми и инверсионными выходами. Общая схема организации контроля по четности. Преобразователь кода Грея в двоичный код. Синтез логической схемы одноразрядного арифметического полного сумматора на основе мультиплексоров.
реферат [28,9 K], добавлен 24.12.2010Характеристика основных компонентов для исследования цифровых схем. Порядок работы с системой моделирования. Особенности структуры компонентов моделирования цифровых схем, исследование платы на безопасность, разработка интерфейсной части и алгоритмов.
курсовая работа [238,9 K], добавлен 12.07.2013Приближенный расчёт электрических параметров двухвходовой КМОП-схемы дешифратора. Определение значений компонентов топологического чертежа схемы. Проведение схемотехнического анализа с помощью программы T-Spice, с соблюдением заданных технических условий.
курсовая работа [352,7 K], добавлен 01.07.2013Дешифратор - комбинационные схемы с несколькими входами и выходами, преобразующие код, подаваемый на входы в сигнал на одном из выходов. Описание функционирования дешифратора с помощью системы конъюнкций. Характеристика микросхем преобразователей кодов.
реферат [3,2 M], добавлен 09.12.2010Разработка и расчет синхронного суммирующего восьмиразрядного счетчика на основе JK-триггера. Моделирование схемы в программе Electronic Work Bench. Дешифрирование входных сигналов. Характеристики цифро-буквенного индикатора АЛС314А и дешифратора 514ИД4А.
дипломная работа [339,4 K], добавлен 13.04.2014Разработка функциональной и принципиальной схем управляющего устройства в виде цифрового автомата. Синтез синхронного счётчика. Минимизация функций входов для триггеров с помощью карт Карно. Синтез дешифратора и тактового генератора, функции выхода.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 23.01.2011
