ĆWICZENIE nr 8
ZASTOSOWANIE UKŁADÓW
CYFROWYCH
1.1 Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z możliwościami wykorzystania
elementów cyfrowych do tworzenia funkcjonalnych układów elektronicznych.
1.2 Wprowadzenie
Cyfrowe przetwarzanie i przechowywanie informacji wyróżnia się
wieloma zaletami w porównaniu z techniką analogową. Są to przede wszystkim
następujące właściwości:
- duża dokładność przetwarzania;
- łatwość przechowywania informacji wyrażonej w postaci dwójkowej;
- łatwość realizacji systemów cyfrowych.
Systemy cyfrowe w odróżnieniu od analogowych charakteryzują się dużą
regularnością budowy, tj. zawierają dużą liczbę powtarzających się podzespołów,
które są dostępne w postaci układów scalonych lub tworzą powtarzalną strukturę
wewnętrzną układów scalonych o większym stopniu scalenia. Konstruktor
systemu cyfrowego dysponuje bogatym asortymentem układów cyfrowych
scalonych, począwszy od podstawowych bramek logicznych, a skończywszy
na pamięciach i układach mikroprocesorowych. Zapewnia to dużą elastyczność
projektowania.
Na Rys. 1.1 przedstawiono schemat
Sygnały
cyfrowe analogowe
blokowy
typowego
urządzenia cyfrowego.
Składa się ono z układów przetwarzania
A/C
i przechowywania informacji oraz wejściowych
i wyjściowych układów sprzęgających. Sygnały
Wejściowe układy
wejściowe mogą pochodzić z różnych obiektów,
sprzęgające
na przykład z przekaźnika w aparaturze
kontrolnej (sygnał cyfrowy o dwóch poziomach
Układy przetwarzania,
przechowywania informacji
dyskretnych) lub z termoelementu (sygnał
analogowy), czy też z układów i urządzeń
Wyjściowe układy
sprzęgające
przeznaczonych do wprowadzania informacji.
Sygnały wejściowe mogą mieć postać analogową
lub cyfrow
C/A
ą, przy czym w przypadku sygnałów
analogowych
zachodzi
konieczność
ich
Sygnały
przetwarzania do postaci cyfrowej za pomocą
cyfrowe analogowe
przetwornika a/c.
Rys. 1.1. Schemat blokowy
Następny etap wprowadzania informacji
typowego urz
to
standaryzacja
wszystkich
sygnałów
ądzenia
cyfrowego.
wejściowych do postaci akceptowanej przez
układy przetwarzania i przechowywania tych
informacji. Standaryzacja ta odbywa się za pośrednictwem wejściowych układów
sprzęgających i może przykładowo dotyczyć translacji poziomów napięć
sygnałów, separacji galwanicznej itp.
Układ przetwarzania i przechowywania informacji może mieć sztywną
konfigurację układową lub też może być układem programowanym. Wytworzone
- 2 -
w tym układzie sygnały cyfrowe są podawane, przez wyjściowe układy
sprzęgające, do wskaźników i układów wykonawczych. W wyjściowych
układach sprzęgających następuje przetworzenie sygnałów cyfrowych do postaci
akceptowanej przez odbiorniki tych sygnałów. Jeżeli odbiornik wymaga sygnału
w postaci analogowej, to konieczne jest włączenie na wyjściu przetwornika c/a.
1.2.1 Transmisja szeregowa
Konwertery umożliwiające równoległe wprowadzanie informacji i jej
szeregowe wyprowadzenie lub szeregowe wprowadzanie i równoległe
wyprowadzanie znajdują zastosowanie w wielu układach elektronicznych.
Na przykład mogą być stosowane do zmiany informacji równoległej z klawiatury
na postać szeregową lub do szeregowej transmisji informacji pomiędzy
systemami cyfrowymi.
Układ
Układ
taktowania
taktowania
Rejestr
Linia zegarowa
Rejestr
PISO
SIPO
Wejścia
Wyjścia
Linia transmisyjna
Nadajnik
Odbiornik
Rys. 1.2. Schemat blokowy realizacji transmisji szeregowej.
Na Rys. 1.2. przedstawiono schemat blokowy realizacji transmisji
szeregowej jednokierunkowej. Jeżeli założymy, że sygnałem wejściowym jest
słowo 8-bitowe to jako rejestr typu PISO można wykorzystać uniwersalny rejestr
przesuwający 74198. Spełnia on wszystkie funkcje potrzebne do projektowania
urządzeń lub systemów cyfrowych, a mianowicie:
- wprowadzanie równoległe,
- przesuwanie w prawo,
- przesuwanie w lewo,
- blokada zegara.
Rejestr ma równoległe wejścia i wyjścia, szeregowe wejścia dla przesuwania
w prawo i w lewo, wejścia rodzaju pracy oraz asynchroniczne i niezależne
od innych wejść - wejście zerowania.
Transmisja szeregowa wymaga w zasadzie jedynie linii dwuprzewodowej,
lecz problemy jakie wynikają z synchronizacji układów taktowania części
nadawczej i części odbiorczej, skłaniają projektantów do wyprowadzenia jeszcze
jednego przewodu - przewodu zegarowego (Rys. 1.2). W tym wypadku wystarczy
działanie tylko jednego układu taktowania, nadajnika lub odbiornika.
Informacja przesyłana w postaci sygnału cyfrowego między układami
lub urządzeniami jest narażona na zakłócenia. Zakłócenia mogą pochodzić
ze źródeł zewnętrznych emitujących falę elektromagnetyczną lub powodujących
stany nieustalone. Przyczyną zakłóceń mogą być też przesłuchy powstające
- 3 -
między przewodami przenoszącymi sygnały użytkowe lub odbicia w torach
przesyłania. Przy przesyłaniu sygnałów cyfrowych na krótkie odległości tor
przesyłowy ma charakter linii niesymetrycznej w postaci ścieżki drukowanej
lub przewodu. W celu zminimalizowania wpływu zakłóceń, takie połączenia
powinny być w miarę możliwości jak najkrótsze. Przy większych odległościach
występują zjawiska charakterystyczne dla linii długich.
Zmniejszenie wpływu zakłóceń w liniach niesymetrycznych, a taki
charakter ma większość połączeń w układach elektronicznych, można uzyskać
przez zastosowanie częściowego ich ekranowania, przez skręcenie pary
przewodów lub pełne ekranowanie z wykorzystaniem przewodu współosiowego.
Dodatkowe zmniejszenie zakłóceń uzyskuje się przez galwaniczną
separację obwodów nadajnika i odbiornika – brak wspólnej masy.
1.3 Pytania sprawdzające.
1. Wymień wady i zalety cyfrowego przetwarzania informacji.
2. Przeanalizuj schemat blokowy typowego urządzenia cyfrowego.
3. Omów sposób realizacji transmisji szeregowej jednokierunkowej.
4. Wymień sposoby eliminacji zakłóceń w linii transmisyjnej.
1.4 Opis układu pomiarowego.
Ćwiczenie składa się z dwóch osobnych części. Na stanowisko
laboratoryjne należy nałożyć płytę czołową zatytułowaną „Zastosowanie układów
cyfrowych cz. I”, Część pierwsza ćwiczenia służy do prezentacji transmisji
szeregowej jedno i dwukierunkowej. Na każdym stanowisku do wykorzystania
jest układ nadajnika i układ odbiornika.
Nadajnik składa się z rejestru uniwersalnego typu 74198, układu wyboru
zegara oraz układy zegarowego. Przełącznik WA służy do wybierania źródła
taktowania (zegar nadajnika lub zegar zewnętrzny), przełącznik RODZ_A
ustawia sposób taktowania (ręczne przełącznikiem TAKT_A lub automatyczne
1Hz z impulsem startowym START_A). Do wpisywania danych do rejestru służy
przełącznik WPIS.
Odbiornik składa się z rejestru przesuwającego typu 74164, układu
wyboru zegara oraz układy zegarowego. Przełącznik WB służy do wybierania
źródła taktowania (zegar odbiornika lub zegar zewnętrzny), przełącznik
RODZ_B ustawia sposób taktowania (ręczne przełącznikiem TAKT_B
lub automatyczne 1Hz z impulsem startowym START_B). Do realizacji
transmisji dwukierunkowej służy przełącznik TRAN_C, który powoduje
podłączenie wyjścia nadajnika oraz wejścia odbiornika na jednym stanowisku
laboratoryjnym z dwukierunkowym buforem C. Diody LED, wyświetlacze oraz
zadajniki zostały wykorzystane zgodnie z opisem na płycie czołowej.
1.5 rzebieg ćwiczenia.
- 4 -
Przed rozpoczęciem ćwiczenia prowadzący nakłada płytę czołową
na stanowisko laboratoryjne oraz ustawia kod ćwiczenia na przełączniku
ćwiczeń. Podłącza zasilanie.
1.5.1 Transmisja szeregowa jednokierunkowa.
Zmontować układ według Rys. 1.3, wyzerować układ (RESET).
Przełączniki WA, WB, TRAN_C ustawić w stan niski. Dla stanowiska
nadawczego ustawić na zadajniku ZA=10101010. Wcisnąć przełącznik WPIS
i podać jeden impuls zegarowy (TAKT_A). Następnie wcisnąć ponownie WPIS
i podawać impulsy zegarowe przy pomocy przełącznika TAKT_A. Odbiornik
stanowiska odbiorczego powinien być taktowany przełącznikiem TAKT_B tuż
po każdym przełączeniu taktu w nadajniku. Wyniki należy wpisać do Tabela 1.1
(A- zadajnik, A - W3,W2 hex, B- W1, W0 hex). Następnie powtórzyć badanie
dla pięciu różnych liczb A.
Nadajnik
Odbiornik
ZEGA
ZEGB
WEA
WEB
Zegar
Wybór zegara
Wybór zegara
Zegar
WA
TRANC
TRANC
WB
NA
A
NB
B
A7-0
Rejestr
Out
In
Rejestr
C
C
W1, W0
WPIS
Rys. 1.3. Transmisja szeregowa jednokierunkowa z osobnymi zegarami.
Tabela 1.1.
Nadajnik
Odbiornik
A bin
A hex
B hex
B bin
Ilość błędów
10101010
...
Nadajnik
Odbiornik
ZEGA
ZEGB
WEA
WEB
Zegar
Wybór zegara
Wybór zegara
Zegar
WA
TRANC
TRANC
WB
NA
A
NB
B
A7-0
Rejestr
Out
In
Rejestr
C
C
W1, W0
WPIS
Rys. 1.4. Transmisja jednokierunkowa ze wspólnym zegarem nadajnika.
Zmontować układ według Rys. 1.4, wyzerować układ (RESET).
Przełączniki odbiornika WA, TRAN_C ustawić w stan niski, a WB w stan
wysoki, natomiast przełączniki nadajnika WA, WB, TRAN_C ustawić w stan
- 5 -
niski. Dla stanowiska nadawczego ustawić na zadajniku A=10101010. Wcisnąć
przełącznik WPIS i podać jeden impuls zegarowy (TAKT_A). Następnie wcisnąć
ponownie WPIS i podawać impulsy zegarowe przy pomocy przełącznika
TAKT_A. Wyniki należy wpisać do Tabela 1.1 (A- zadajnik, A - W3,W2 hex,
B-W1, W0 hex). Następnie powtórzyć badanie dla pięciu różnych liczb A.
Nadajnik
Odbiornik
ZEGA
ZEGB
WEA
WEB
Zegar
Wybór zegara
Wybór zegara
Zegar
WA
TRANC
TRANC
WB
NA
A
NB
B
A7-0
Rejestr
Out
In
Rejestr
C
C
W1, W0
WPIS
Rys. 1.5. Transmisja jednokierunkowa ze wspólnym zegarem odbiornika.
Zmontować układ według Rys. 1.5, wyzerować układ (RESET).
Przełączniki nadajnika WB, TRAN_C ustawić w stan niski, a WA w stan wysoki,
natomiast przełączniki odbiornika WA, WB, TRAN_C ustawić w stan niski..
Dla stanowiska nadawczego ustawić na zadajniku A=10101010. Wcisnąć
przełącznik WPIS i podać jeden impuls zegarowy (TAKT_A). Następnie wcisnąć
ponownie WPIS. Odbiornik stanowiska odbiorczego powinien być taktowany
przełącznikiem TAKT_B. Wyniki należy wpisać do Tabela 1.1 (A- zadajnik,
A - W3,W2 hex, B - W1, W0 hex). Następnie powtórzyć badanie dla pięciu
różnych liczb A.
1.5.2 Transmisja szeregowa dwukierunkowa.
Stanowisko I
Stanowisko II
Nadajnik
ZEGA
ZEGB
Odbiornik
WEA
WEB
Zegar
Wybór zegara
Wybór zegara
Zegar
WA
TRANC
TRANC
WB
NA
A
NB
B
A7-0
Rejestr
Out
In
Rejestr
W1, W0
WPIS
C
C
WPIS
W1, W0
Rejestr
In
Out
Rejestr
A7-0
B
A
NB
NA
WB
TRANC
TRANC
WA
Wybór zegara
Zegar
Wybór zegara
Zegar
WEB
WEA
Odbiornik
ZEGB
ZEGA
Nadajnik
Rys. 1.6. Transmisja dwukierunkowa rozdzielna z osobnymi zegarami.
Zmontować układ według Rys. 1.6, wyzerować układ (RESET).
Przełączniki WA, WB, TRAN_C ustawić w stan niski. Dla każdego stanowiska
nadawczego ustawić na zadajniku A=10101010. Wcisnąć przełącznik WPIS
- 6 -
i podać jeden impuls zegarowy (TAKT_A). Następnie wcisnąć ponownie WPIS
i podawać impulsy zegarowe przy pomocy przełącznika TAKT_A. Odbiornik
stanowiska każdego odbiorczego powinien być taktowany przełącznikiem
TAKT_B tuż po każdym przełączeniu taktu w nadajniku. Wyniki należy wpisać
do Tabela 1.1 osobno dla każdego kierunku (A- zadajnik, A - W3,W2 hex,
B - W1, W0 hex). Następnie powtórzyć badanie dla pięciu różnych liczb ZA.
Stanowisko I
Stanowisko II
Nadajnik
ZEGA
ZEGB
Odbiornik
WEA
WEB
Zegar
Wybór zegara
Wybór zegara
Zegar
WA
TRANC
TRANC
WB
NA
A
NB
B
A7-0
Rejestr
Out
In
Rejestr
W1, W0
WPIS
C
C
WPIS
W1, W0
Rejestr
In
Out
Rejestr
A7-0
B
A
NB
NA
WB
TRANC
TRANC
WA
Wybór zegara
Zegar
Wybór zegara
Zegar
WEB
WEA
Odbiornik
ZEGB
ZEGA
Nadajnik
Rys. 1.7. Transmisja dwukierunkowa rozdzielna
ze wspólnymi zegarami nadajników.
Zmontować układ według Rys. 1.7, wyzerować układ (RESET).
Przełączniki WA, TRAN_C ustawić w stan niski, a WB w stan wysoki.
Dla każdego stanowiska nadawczego ustawić na zadajniku A=10101010.
Stanowisko I
Stanowisko II
Nadajnik
ZEGA
ZEGB
Odbiornik
WEA
WEB
Zegar
Wybór zegara
Wybór zegara
Zegar
WA
TRANC
TRANC
WB
NA
A
NB
B
A7-0
Rejestr
Out
In
Rejestr
W1, W0
WPIS
C
C
WPIS
W1, W0
Rejestr
In
Out
Rejestr
A7-0
B
A
NB
NA
WB
TRANC
TRANC
WA
Wybór zegara
Zegar
Wybór zegara
Zegar
WEB
WEA
Odbiornik
ZEGB
ZEGA
Nadajnik
Rys. 1.8. Transmisja dwukierunkowa rozdzielna
ze wspólnym zegarem nadajnika.
Wcisnąć przełącznik WPIS i podać jeden impuls zegarowy (TAKT_A).
Następnie wcisnąć ponownie WPIS i podawać impulsy zegarowe przy pomocy
przełącznika TAKT_A.. Wyniki należy wpisać do Tabela 1.1 osobno dla każdego
- 7 -
kierunku (A- zadajnik, A - W3,W2 hex b - W1, W0 hex). Następnie powtórzyć
badanie dla pięciu różnych liczb A.
Zmontować układ według Rys. 1.8, wyzerować układ (RESET).
Przełączniki stanowiska I WA, TRAN_C ustawić w stan niski, a WB w stan
wysoki, natomiast przełączniki stanowiska II WA, WB ustawić w stan wysoki,
a TRAN_C w stan niski. Dla każdego stanowiska nadawczego ustawić
na zadajniku A=10101010. Wcisnąć przełącznik WPIS i podać jeden impuls
zegarowy (TAKT_A). Następnie wcisnąć ponownie WPIS i podawać impulsy
zegarowe przy pomocy przełącznika TAKT_A na stanowisku I. Wyniki należy
wpisać do Tabela 1.1 osobno dla każdego kierunku (A- zadajnik, A - W3,W2 hex
B - W1, W0 hex). Następnie powtórzyć badanie dla pięciu różnych liczb A.
Stanowisko I
Stanowisko II
Nadajnik
ZEGA
ZEGB
Odbiornik
WEA
WEB
Zegar
Wybór zegara
Wybór zegara
Zegar
WA
TRANC
TRANC
WB
NA
A
NB
B
A7-0
Rejestr
Out
In
Rejestr
W1, W0
WPIS
C
C
WPIS
W1, W0
Rejestr
In
Out
Rejestr
A7-0
B
A
NB
NA
WB
TRANC
TRANC
WA
Wybór zegara
Zegar
Wybór zegara
Zegar
WEB
WEA
Odbiornik
ZEGB
ZEGA
Nadajnik
Rys. 1.9. Transmisja dwukierunkowa wspólna.
Zmontować układ według Rys. 1.9, wyzerować układ (RESET).
Przełączniki stanowiska I WB, TRAN_C ustawić w stan wysoki, a WA w stan
niski, natomiast przełączniki stanowiska II WA, WB, TRAN_C ustawić w stan
wysoki. Dla każdego stanowiska nadawczego ustawić na zadajniku A=10101010.
Wcisnąć przełącznik WPIS i podać jeden impuls zegarowy (TAKT_A).
Następnie wcisnąć ponownie WPIS i podawać impulsy zegarowe przy pomocy
przełącznika TAKT_A na stanowisku I. Wyniki należy wpisać do Tabela 1.1
osobno dla każdego kierunku (A- zadajnik, A - W3,W2 hex b - W1, W0 hex).
Następnie powtórzyć badanie dla pięciu różnych liczb A.
Przyciski Start_A i Start_B służą do uruchamiania i zatrzymywania zegarów A i
B.
1.6 Opracowanie ćwiczenia.
Przeanalizować uzyskane wyniki transmisji szeregowej. Zaproponować
schemat układu cyfrowego realizującego transmisję szeregową jednokierunkową
słów 16 i 32 bitowych (zastosować odpowiednie rejestry serii 74xx).
Zaprojektować schemat układu cyfrowego realizującego transmisję szeregową
- 8 -
dwukierunkową słów 64-bitowych. Opracować zastosowanie scalonych
nadajników i odbiorników linii.
- 9 -