48795

Анализ и синтез цифровых комбинационных схем

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Напишем, применяя правила де Моргана, логические функции для управления входами Di триггеров в базисе 2И-НЕ: Нарисуйте принципиальную схему проектируемого устройства самостоятельно, пользуясь его блок-схемой: Протестируйте схему в подходящей программе моделирования и убедитесь в ее работоспособности

Русский

2013-12-15

3.49 MB

8 чел.

КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»

Анализ и синтез цифровых комбинационных схем

Дана комбинационная схема (КС):

1. Установим функциональную связь между входами и выходами КС:

2. Упростим эту функциональную зависимость. Для этого ко второму слагаемому выражения для y применим правило де Моргана и закон двойного отрицания:

Упрощая эту формулу, окончательно получим:

3. Составим таблицу истинности:

x1

x2

x3

y

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

Следовательно, совершенная дизъюнктивная нормальная форма (СДНФ) для функциональной зависимости между входами и выходом КС имеет вид:

4. Минимизируем СДНФ, применяя операции склеивания и поглощения:

5. Для проверки минимизируем СДНФ еще раз, используя карту Карно:

Полученный результат содержит лишний член.

6. Для перехода к минимальной форме строим импликантную таблицу:

Термы\СДНФ

x

x

x

x

x

x

Импликанты  и  составляют ядро (занимают все столбцы импликантной таблицы), поэтому они не могут быть исключены. Лишней является импликанта . Отбрасывая ее, получаем:

7. Другой, более экономный вариант использования карты Карно:

Таким образом, все минимальные формы искомой функциональной зависимости, полученные разными способами, совпадают.

8. По полученной минимальной форме строим структурную схему устройства:

Видим, что структурная схема содержит только четыре логических элемента вместо шести в первоначальной схеме. Однако в схеме использованы три разных логических элемента: НЕ, 2И и 2ИЛИ.

9. Синтезируем схему в базисе 2И-НЕ. Для этого, применяя правила де Моргана и закон двойного отрицания, преобразуем минимальную форму следующим образом:

где .

10. Строим структурную схему комбинационного устройства в базисе 2И-НЕ:

11. Строим принципиальную электрическую схему комбинационного устройства:

12. Реализуем комбинационное устройство на базе микросхемы К555ЛА3:

13. В программе Elecronic Workbanch или в MATLAB моделируем созданное комбинационное устройство. На входы x1, x2, x3 подаем стандартные сигналы 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110. 111 и на выходе y проверяем логические уровни на соответствие таблице истинности проектируемого устройства.

14. Для построения комбинационного устройства в базисе 2ИЛИ-НЕ составляем совершенную конъюнктивную форму (см. таблицу истинности):

Каждому члену СКНФ в таблице истинности соответствует нулевое значение функции y.

15. Упростим СКНФ, сгруппировав попарно члены (1,4) и (2,3). Для первой пары членов имеем:

Упрощая аналогично вторую пару членов, получим:

Таким образом

16. Строим импликативную таблицу:

Термы\СКНФ

x

x

x

x

Импликанты  и  составляют ядро (занимают все столбцы импликантной таблицы), поэтому они не могут быть исключены. Следовательно, минимальная конъюнктивная форма найдена.

17. Проверка с помощью карты Карно:

18. Структурная схема комбинационного устройства:

19. Синтезируем схему в базисе 2ИЛИ-НЕ:

20. Строим принципиальную электрическую схему комбинационного устройства:

21. Реализуем комбинационное устройство на базе микросхемы К555ЛЕ1:

22. В программе Elecronic Workbanch или в MATLAB моделируем созданное комбинационное устройство. На входы x1, x2, x3 подаем стандартные сигналы 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110. 111 и на выходе y проверяем логические уровни на соответствие таблице истинности проектируемого устройства.


Анализ и синтез цифровых последовательных схем

Проектирование синхронного сдвигающего регистра

Спроектировать кольцевой 8-разрядный синхронный сдвигающий регистр на 2 бита влево и 3 бита вправо.

1. Проектируемый регистр выполняет две операции (k=2):

  •  сдвиг на два разряда влево;
  •  сдвиг на три разряда вправо.

Следовательно, всего требуется my=]log2k[ сигналов управления, где скобки ][ означают операцию округления до ближайшего целого вверх. В нашем случае:

my=]log22[=1

т.е. требуется один сигнал управления регистром y.

Договоримся, что значение сигнала управления

y=1 - определяет операцию сдвига на три разряда вправо;

y=0 - определяет операцию сдвига на два разряда влево.

2. Поведение сдвигающего регистра является регулярным, поэтому описание его триггеров можно свести к описанию только одного, i-го триггера (разряда регистра):

3. Условные обозначения типов переходов:

Тип перехода
QiQi+1

Условное обозначение
φ(
Qi)

00

0

01

α

10

β

11

1


4. Описание поведения
i-го разряда в терминах типов переходов:

№ п/п

y

Q(t)i-3

Q(t)i

Q(t)i+2

Q(t+1)i

φ(Qi)

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

α

2

0

0

1

0

0

β

3

0

0

1

1

1

1

4

0

1

0

0

0

0

5

0

1

0

1

1

α

6

0

1

1

0

0

β

7

0

1

1

1

1

1

8

1

0

0

0

0

0

9

1

0

0

1

0

0

10

1

0

1

0

0

β

11

1

0

1

1

0

β

12

1

1

0

0

1

α

13

1

1

0

1

1

α

14

1

1

1

0

1

1

15

1

1

1

1

1

1

5. Описание регистра с использованием карты Карно:

QiQi+2

yQi-3

00

01

11

10

00

0

0

α

0

01

α

α

α

0

11

1

1

1

β

10

β

β

1

β


6. Словарное описание триггеров различных типов:

φ(Qi)

T-триггер

D-триггер

RS-триггер

JK-триггер

T

D

R

S

J

K

0

0

0

x

0

0

x

1

0

1

0

x

x

0

α

1

1

0

1

1

x

β

1

0

1

0

x

1

7. Реализация регистра на базе T-триггеров. В карте Карно из пункта 5 заменим значения по правилу: 00, 10, α1, β1 (см. словарное описание T-триггера в пункте 6):

После упрощения с использованием карты Карно получаем:

8. Реализация регистра на базе JK-триггеров. Для получения Ji-карты в карте Карно из п.5 заменим значения по правилу: 00, 1x, α1, βx (см. словарное описание JK-триггера в пункте 6):


J
i – карта

После упрощения с использованием карты Карно получаем:

Для получения Ki-карты в карте Карно из п.5 заменим значения по правилу: 0x, 10, αx, β1 (см. словарное описание JK-триггера в пункте 6):

Ki – карта

После упрощения с использованием карты Карно получаем:

Выражение для Ki можно упростить, если заметить, что

Следовательно

Поэтому при построении схемы управления JK-триггером достаточно разработать только схему для входа J, а на вход K триггера подать сигнал .

9. Оценка сложности комбинационной схемы управления по Квайну:

где N – число логических входов во всей оцениваемой схеме, Ei=1 – прямой вход, Ei=2 – инверсный вход.

Сложность комбинационной схемы для управления входом Ji:

Сложность комбинационной схемы для управления входом Ti:

Здесь сложность для логического входа  берется равной 1, т.к. любой триггер всегда имеет и прямой, и инверсный выходы.

Сравнивая сложности комбинационных схем, видим, что SJ<ST, поэтому сдвигающий регистр будем реализовывать на основе JK-триггеров.

10. Для построения схемы сдвигающего регистра требуется определить выражения, отражающие логику формирования входных сигналов Ji для каждого разряда регистра. Из формулы

имеем:

11. Фрагмент принципиальной схемы для 2-го разряда сдвигающего регистра (для других разрядов регистра схемы аналогичны):

12. Протестируйте схему в подходящей программе моделирования и убедитесь в ее работоспособности.

Обратите внимание на то, что спроектированный сдвигающий регистр является циклическим, поэтому требуется предварительная запись в регистр сдвигаемой информации, используя асинхронные входы Si, Ri начальной установки его JK-триггеров.


Проектирование синхронной пересчетной схемы

Спроектировать синхронную пересчетную схему, реализующую следующую последовательность двоичных эквивалентов чисел:

Ni = 3, 7, 5, 0, 6, 4, 2

в которой предусмотрена функция реверса, т.е. реализация обратной последовательности чисел:

2, 4, 6, 0, 5, 7, 3

1. Число выполняемых счетчиком пересчетной схемы операций k=2. Следовательно, всего требуется my=]log2k[ сигналов управления, где скобки ][ означают операцию округления до ближайшего целого вверх. В нашем случае:

my=]log22[=1

т.е. требуется один сигнал управления регистром y.

Договоримся, что значение сигнала управления

y=0 - определяет прямой счет;

y=1 - определяет обратный счет.

2. Определим разрядность счетчика пересчетной схемы:

n=]log2(Nmax+1)[=log28=3

Обозначим выходные сигналы счетчика через Q1, Q2, Q3.

3. Табличное описание синхронного реверсивного счетчика:

№ п/п

y

Q3

Q2

Q1

φ(Q3)

φ(Q2)

φ(Q1)

1

0

0

1

1

α

1

1

2

0

1

1

1

1

β

1

3

0

1

0

1

β

0

β

4

0

0

0

0

α

α

0

5

0

1

1

0

1

β

0

6

0

1

0

0

β

α

0

7

0

0

1

0

0

1

α

8

x

x

x

x

x

x

x

1

1

0

1

0

α

β

0

2

1

1

0

0

1

α

0

3

1

1

1

0

β

β

0

4

1

0

0

0

α

0

α

5

1

1

0

1

1

α

1

6

1

1

1

1

β

1

1

7

1

0

1

1

0

1

β

8

x

x

x

x

x

x

x

4. Построение карт Карно:

  Q3-карта     Q2-карта

Q2Q1

yQ3

00

01

11

10

00

α

β

1

α

01

x

β

1

x

11

α

1

β

0

10

0

1

β

α

Q2Q1

yQ3

00

01

11

10

00

α

α

α

0

01

x

0

α

x

11

1

β

1

1

10

1

β

β

β

Q1-карта

Q2Q1

yQ3

00

01

11

10

00

0

0

0

α

01

x

β

1

x

11

1

1

1

β

10

α

0

0

0

5. Словарное описание триггеров различных типов:

φ(Qi)

T-триггер

D-триггер

RS-триггер

JK-триггер

T

D

R

S

J

K

0

0

0

x

0

0

x

1

0

1

0

x

x

0

α

1

1

0

1

1

x

β

1

0

1

0

x

1

6. Карты Карно для пересчетной схемы на базе D-триггеров получаются из Q-карт пункта 4 путем замены 00, 11, α1, β0:

D3-карта

D2-карта

D1-карта

Отсюда получаем:

7. Оценка сложности комбинационной схемы по Квайну:

8. J-карты Карно для пересчетной схемы на базе JK-триггеров получаются из Q-карт пункта 4 путем замены 00, 1x, α1, βx:


J3-карта

J2-карта

J1-карта

Отсюда получаем:

9. J-карты Карно для пересчетной схемы на базе JK-триггеров получаются из Q-карт пункта 4 путем замены 0x, 10, αx, β1:

  K3-карта     K2-карта

Q2Q1

yQ3

00

01

11

10

00

x

1

0

x

01

x

1

1

x

11

x

0

1

x

10

x

0

1

x

Q2Q1

yQ3

00

01

11

10

00

x

x

x

x

01

x

x

x

x

11

0

1

0

0

10

0

1

1

1

K1-карта

Q2Q1

yQ3

00

01

11

10

00

x

x

x

x

01

x

1

0

x

11

0

0

0

1

10

x

0

0

0

K3-карта

K2-карта

K1-карта

Отсюда получаем:

10. Оценка сложности комбинационной схемы по Квайну:

Сравнивая сложности комбинационных схем, видим, что SJSD, но D-триггер проще JK-триггера, поэтому пересчетную схему будем реализовывать на основе D-триггеров.

11. Запишем, применяя правила де Моргана, логические функции для управления входами Di триггеров в базисе 2И-НЕ:

12. Нарисуйте принципиальную схему проектируемого устройства самостоятельно, пользуясь его блок-схемой:

13. Протестируйте схему в подходящей программе моделирования и убедитесь в ее работоспособности.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36743. Определение длины волны и частоты электромагнитного колебания с помощью схемы Лехера 203 KB
  Цель работы: исследование распределения амплитуд напряжения и тока вдоль двухпроводной линии при различных режимах её работы на сверхвысоких частотах (СВЧ) и определение длины волны генератора СВЧ волн.
36744. Изучение стоячих волн 45 KB
  Цель работы: изучение стоячих волн и определение скорости распространения волны в натянутом шнуре.
36745. Изучение основных свойств волновых явлений 211 KB
  Измерьте зависимость амплитуды принимаемого приемником сигнала показания микроамперметра от угла поворота приемника относительно его начального положения в пределах от до поворачивая подвижную скамью с приемником вокруг неподвижной оси через . Угол поворота 5 10 15 20 25 30 35 40 45 90 Амплитуда 465 39 23 125 35 1 05 05 05 0 Таблица 2. Угол поворота 5 10 15 20 25 30 35 40 45 90 Амплитуда 40 245 105 15 1 1 1 05 05 0 Рис. Измерьте зависимость показаний микроамперметра от угла поворота детектора влево и вправо от центра...
36746. Работа с электронными каталогами и электронными библиотеками 75.5 KB
  Задание №1 Порядок выполнения: Загрузите файл “домашней†титульной страницы Home Pge: Библиотеки Российской академии наук БАН набрав ее электронный адрес URL: http: www. Задание №2 Работа с электронными каталогами библиотек Понятие электронный каталог сформировалось в США где этот термин имеет несколько значений. Современные электронные каталоги реальных библиотек должны обеспечивать не только быстроту и точность поиска но и сервисность т.
36747. Дискретизация непрерывных сигналов 164.5 KB
  Для этого из бесконечного множества значений этой функции параметра сигнала выбирается их определенное число которое приближенно может характеризовать остальные значения. Область определения функции разбивается точками x1 x2 xn на отрезки равной длины и на каждом из этих отрезков значение функции принимается постоянным и равным например среднему значению на этом отрезке; полученная на этом этапе функция называется в математике ступенчатой. Следующий шаг проецирование значений “ступенек†на ось значений функции ось ординат....
36748. КОНТРОЛЬ РАЗМЕРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ 348 KB
  Лабораторная работа №3 КОНТРОЛЬ РАЗМЕРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Излагается методика измерения размеров цилиндрических деталей с помощью различных универсальных измерительных средств и оценки годности данной детали в соответствии с заданными требованиями по чертежу. Цель работы приобрести первичные практические навыки в выполнении измерений с помощью различных универсальных измерительных средств приобрести навыки в оценке годности детали по линейным размерам I. С помощью выбранных универсальных измерительных средств определить...
36749. Обработка результатов косвенных измерений: классическая задача о методе наименьших квадратов 134.5 KB
  Цель работы: изучение задачи и методов обработки результатов измерений; исследование в системе Mtlb задачи оценивания местоположения объекта по измерениям пеленгов. Результаты измерений показания приборов функционально связаны с параметрами вектором параметров: 3. где известные скалярные функции; ошибки измерений; входные переменные которые измеряются точно или отсутствуют.
36750. Изучение криптографических методов защиты информации 236.5 KB
  Кодирование – это процесс замены элементов открытого текста символов комбинаций символов слов и т. В этом процессе криптографическому преобразованию подвергается каждый символ текста. Алгоритм позволяет использовать сравнительно короткий ключ для шифрования сколь угодно большого текста. Метод замены подстановки основан на том что каждый символ открытого текста заменяется другим символом того же алфавита.
36751. Изучение вращательного движения на маховике Обербека 107.5 KB
  Если на тело, закрепленное на неподвижной оси, действует сила, то тело приобретает угловое ускорение, направленное вдоль этой оси. Величина ускорения зависит не только от величины и направления силы, но и от точки ее приложения. Это отражено в понятии момента силы, который как и сила является векторной величиной. В случае вращения вокруг неподвижной оси угловое ускорение, направленное вдоль этой оси, определяется результирующей проекцией моментов всех сил на эту ось.