skriptum

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Impulzová a číslicová technika
Počítačové cvičení
Verze 05-2

Garant předmětu:
Doc. Ing. Jaromír Kolouch, CSc.


Autoři textu:
Doc. Ing. Jaromír Kolouch, CSc.
Dr. Ing. Zdeněk Kolka





Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 1
Obsah
1 NÁVRH DIODOVÉHO TVAROVAČE ........................................................................7
1.1 TEORETICKÉ POZNATKY..............................................................................................7
1.2 ZADÁNÍ .......................................................................................................................9
1.3 POKYNY K ZADÁNÍ ......................................................................................................9
1.4 SHRNUTÍ ...................................................................................................................10
1.5 KONTROLNÍ OTÁZKY.................................................................................................10
2 PŘENOS IMPULSOVÉHO SIGNÁLU LINEÁRNÍ A NELINEÁRNÍ
SOUSTAVOU................................................................................................................11
2.1 TEORETICKÉ POZNATKY............................................................................................11
2.2 ZADÁNÍ .....................................................................................................................13
2.3 POKYNY K ZADÁNÍ ....................................................................................................13
2.4 SHRNUTÍ ...................................................................................................................14
2.5 KONTROLNÍ OTÁZKY.................................................................................................14
3 NÁVRH A SIMULACE TRANZISTOROVÉHO SPÍNAČE ....................................15
3.1 FORMULACE PROBLÉMU............................................................................................15
3.2 TEORETICKÉ POZNATKY............................................................................................15
3.3 ZADÁNÍ .....................................................................................................................16
3.4 POKYNY K ZADÁNÍ ....................................................................................................17
3.5 SHRNUTÍ ...................................................................................................................17
3.6 KONTROLNÍ OTÁZKY.................................................................................................17
4 NÁVRH KOMPARÁTORU..........................................................................................18
4.1 FORMULACE PROBLÉMU............................................................................................18
4.2 TEORETICKÉ POZNATKY............................................................................................18
4.3 ZADÁNÍ .....................................................................................................................19
4.4 POKYNY K ZADÁNÍ ....................................................................................................20
4.5 SHRNUTÍ ...................................................................................................................22
4.6 KONTROLNÍ OTÁZKY.................................................................................................22
5 OŠETŘENÍ SIGNÁLU ZÍSKANÉHO Z MECHANICKÉHO KONTAKTU .........23
5.1 FORMULACE PROBLÉMU............................................................................................23
5.2 TEORETICKÉ POZNATKY............................................................................................23
5.3 ZADÁNÍ .....................................................................................................................25
5.4 POKYNY K ZADÁNÍ ....................................................................................................26
5.5 SHRNUTÍ ...................................................................................................................27
5.6 KONTROLNÍ OTÁZKY.................................................................................................27
6 PŘEVODNÍK KÓDU REALIZOVANÝ V OBVODU PLD ......................................28
6.1 FORMULACE PROBLÉMU............................................................................................28
6.2 TEORETICKÉ POZNATKY............................................................................................28
6.3 ZADÁNÍ .....................................................................................................................30
6.4 POKYNY K ZADÁNÍ ....................................................................................................30
6.5 SHRNUTÍ ...................................................................................................................30
6.6 KONTROLNÍ OTÁZKY.................................................................................................31
7 OBVODY PRO REALIZACI ARITMETICKÝCH OPERACÍ ...............................32
7.1 TEORETICKÉ POZNATKY............................................................................................32
2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
7.2 ZADÁNÍ .................................................................................................................... 34
7.3 POKYNY K ZADÁNÍ ................................................................................................... 34
7.4 SHRNUTÍ................................................................................................................... 34
7.5 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................ 35
8 ŘADIČ KÓDOVÉHO ZÁMKU S KLOPNÝMI OBVODY TYPU RS.................... 36
8.1 FORMULACE ÚLOHY ................................................................................................. 36
8.2 ROZBOR ÚLOHY A TEORETICKÉ POZNATKY............................................................... 36
8.3 ZADÁNÍ .................................................................................................................... 38
8.4 POKYNY K ZADÁNÍ ................................................................................................... 39
8.5 SHRNUTÍ................................................................................................................... 39
8.6 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................ 39
9 SYNCHRONNÍ SUBSYSTÉM: BINÁRNÍ ČÍTAČ ................................................... 40
9.1 FORMULACE ÚLOHY ................................................................................................. 40
9.2 TEORETICKÉ POZNATKY ........................................................................................... 40
9.3 ZADÁNÍ .................................................................................................................... 43
9.4 POKYNY K ZADÁNÍ ................................................................................................... 43
9.5 SHRNUTÍ................................................................................................................... 43
9.6 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................ 44
10 STAVOVÝ AUTOMAT ................................................................................................ 45
10.1 TEORETICKÉ POZNATKY ........................................................................................... 45
10.2 ZADÁNÍ .................................................................................................................... 49
10.3 POKYNY K ZADÁNÍ ................................................................................................... 49
10.4 SHRNUTÍ................................................................................................................... 49
10.5 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................ 49
11 PROGRAMOVATELNÉ LOGICKÉ OBVODY A JEJICH POUŽITÍ .................. 50
11.1 ZÁKLADNÍ SYNTAKTICKÁ PRAVIDLA JAZYKA ABEL................................................ 51
11.2 TEČKOVÉ ROZŠÍŘENÍ A JEHO POUŽITÍ K OZNAČENÍ SIGNÁLŮ..................................... 54
11.3 ZPŮSOBY LOGICKÉHO POPISU ................................................................................... 54
11.3.1 Přiřazovací příkazy.......................................................................................... 55
11.3.2 Příkaz WHEN-THEN-ELSE............................................................................ 57
11.3.3 Pravdivostní tabulky ........................................................................................ 58
11.3.4 Stavové diagramy............................................................................................. 61
11.4 VNITŘNÍ STRUKTURA OBVODŮ SPLD....................................................................... 66
11.4.1 Obvody GAL 16V8 a GAL 20V8 ...................................................................... 66
11.4.2 Obvod GAL 22V10........................................................................................... 69
12 VÝSLEDKY TESTŮ PŘEDCHOZÍCH ZNALOSTÍ ................................................ 72
12.1 KAPITOLA 1.............................................................................................................. 72
12.2 KAPITOLA 2.............................................................................................................. 72
12.3 KAPITOLA 3.............................................................................................................. 72
12.4 KAPITOLA 4.............................................................................................................. 73
12.5 KAPITOLA 5.............................................................................................................. 73
12.6 KAPITOLA 6.............................................................................................................. 74
12.7 KAPITOLA 7.............................................................................................................. 75
12.8 KAPITOLA 8.............................................................................................................. 75
12.9 KAPITOLA 9.............................................................................................................. 75
12.10 KAPITOLA 10............................................................................................................ 76
Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 3
13 ODPOVĚDI NA KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................77
13.1 KAPITOLA 1 ..............................................................................................................77
13.2 KAPITOLA 2 ..............................................................................................................77
13.3 KAPITOLA 3 ..............................................................................................................77
13.4 KAPITOLA 4 ..............................................................................................................77
13.5 KAPITOLA 5 ..............................................................................................................78
13.6 KAPITOLA 6 ..............................................................................................................78
13.7 KAPITOLA 7 ..............................................................................................................79
13.8 KAPITOLA 8 ..............................................................................................................80
13.9 KAPITOLA 9 ..............................................................................................................80
13.10 KAPITOLA 10 ............................................................................................................80
14 LITERATURA ...............................................................................................................82

4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Seznam obrázků

OBR. 2.1. PRINCIPIÁLNÍ ZAPOJENÍ DĚLIČE ................................................................................... 7
OBR. 2.2. PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA TVAROVAČE Z OBR. 2.1.................................................... 8
OBR. 2.3. ZAPOJENÍ TVAROVACÍHO OBVODU ................................................................................. 9
OBR. 3.1. MODEL KASKÁDY LINEÁRNÍCH PŘENOSOVÝCH ČLÁNKŮ................................................. 11
OBR. 3.2. MODEL KASKÁDY PŘENOSOVÝCH ČLÁNKŮ TYPU ZESILOVAČ S OMEZENÍM....................... 12
OBR. 4.1. ZAPOJENÍ SPÍNAČE...................................................................................................... 16
OBR. 5.1. PRINCIPIÁLNÍ NÁČRT USPOŘÁDÁNÍ SNÍMAČE ................................................................ 18
OBR. 5.2. PRINCIPIÁLNÍ ZAPOJENÍ KOMPARÁTORU ...................................................................... 19
OBR. 5.3. OVĚŘENÍ VLIVU RUŠIVÝCH NAPĚTÍ NA NEURČITOST OKAMŽIKU PŘERUŠENÍ .................... 21
OBR. 6.1. ZAPOJENÍ OBVODU K OŠETŘENÍ SIGNÁLU VYTVOŘENÉHO MECHANICKÝMI KONTAKTY ..... 24
OBR. 6.2. VNITŘNÍ STRUKTURA ČASOVAČE 555 (A) A JEHO SCHEMATICKÁ ZNAČKA (B) .................. 25
OBR. 6.3. KOMPARÁTOR S ČASOVAČEM 555 ................................................................................ 25
OBR. 6.4. MODEL SPÍNAČE A PRŮBĚH SIGNÁLU ODPOVÍDAJÍCÍ SOUBORU WCASE.VZ...................... 26
OBR. 9.1. BLOKOVÉ SCHÉMA ZÁMKU .......................................................................................... 36
OBR. 9.2. ZAPOJENÍ ŘADIČE KÓDOVÉHO ZÁMKU ......................................................................... 37
OBR. 9.3. KLOPNÝ OBVOD S PŘEDNOSTNÍM NASTAVENÍM (A) A S PŘEDNOSTNÍM NULOVÁNÍM (B) .... 38
OBR. 10.1. BLOKOVÉ SCHÉMA SYNCHRONNÍHO SUBSYSTÉMU ....................................................... 40
OBR. 11.1. BLOKOVÉ SCHÉMA STAVOVÉHO AUTOMATU ............................................................... 45
OBR. 11.2. BLOKOVÉ SCHÉMA ČÍTAČE SE ZOBRAZOVAČEM STAVU ................................................ 46
OBR. 11.3. STAVOVÝ DIAGRAM ČÍTAČE........................................................................................ 46
OBR. 11.4. BLOKOVÉ SCHÉMA ČÍTAČE SE SYNCHRONNÍM NULOVÁNÍM A SE ZOBRAZOVAČEM STAVU 47
OBR. 11.5. STAVOVÝ DIAGRAM ČÍTAČE Z OBR. 11.4 .................................................................... 47
OBR. 12.1. DETEKTOR POSLOUPNOSTI BITŮ VE TVARU MOOROVA AUTOMATU............................. 63
OBR. 12.2. DETEKTOR POSLOUPNOSTI BITŮ VE TVARU MEALYHO AUTOMATU ............................. 64
OBR. 12.3. ROZLOŽENÍ VÝVODŮ U OBVODU GAL 16V8 V POUZDRU DIL 20 ................................ 67
OBR. 12.4. ROZLOŽENÍ VÝVODŮ U OBVODU GAL 20V8 V POUZDRU DIL 20 ................................ 67
OBR. 12.5. MOŽNÉ KONFIGURACE VÝSTUPNÍCH MAKROBUNĚK U OBVODŮ GAL 16V8 A 20V8 ..... 68
OBR. 12.6. ROZLOŽENÍ VÝVODŮ U OBVODU GAL 22V10 A JEJICH FUNKCE.................................. 69
OBR. 12.7. MOŽNÉ KONFIGURACE VÝSTUPNÍCH MAKROBUNĚK OBVODU GAL 22V10................... 70
OBR. 12.8. CELKOVÁ STRUKTURA OBVODU GAL 22V10 (POUZDRO PLCC28) ............................ 71

Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 5
Seznam tabulek

TAB. 10.1. STAVY BINÁRNÍHO ČÍTAČE....................................................................................... ...40
TAB. 12.1. PLATNÉ OPERACE SE SADAMI......................................................................................53
TAB. 13.1.TABULKA GRAYOVA KÓDU...................................... ....................................................73
TAB. 13.2.TABULKA ČTYŘBITOVÉHO JOHNSONOVA KÓDU.............................................................73
6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Úvod
Tento text má sloužit jako pomůcka pro studenty v počítačovém cvičení v předmětu
Impulzová a číslicová technika. Úkoly počítačového cvičení v tomto předmětu jsou zejména:
ƒ dát studentům příklady použití počítačových programů (zde konkrétně programu PSpice
pro simulaci analogových obvodů, a programu ispLEVER pro syntézu a simulaci
číslicových obvodů) při řešení konstrukčních úloh, zejména při navrhování elektronických
obvodů a při ověřování jejich funkce simulací;
ƒ na příkladech upevnit jejich znalosti získané v dalších formách výuky tohoto předmětu
(přednášky, laboratorní a početní cvičení);
ƒ upevnit a prohloubit dovednosti studentů související s prací na počítači.
Počet úloh a jejich rozsah odpovídá časovému fondu pro počítačové cvičení
v uvedeném předmětu.
Součástí textu je stručný popis syntaxe jazyka ABEL, který se používá pro syntézu a
pro simulaci číslicových obvodů v programu ispLEVER, a jsou zde uvedeny nejdůležitější
vlastnosti obvodů SPLD, s nimž se ve cvičení pracuje. Tato část skript může sloužit jako
podklad k práci v dalším studiu, zejména při zpracovávání ročníkových a diplomových
projektů. Informace o programu PSPICE byly z tohoto vydání skript vypuštěny, protože se
očekává změna v uvedeném programu, která bude popsána ve zvláštním textu.
Zařazení předmětu ve studijním programu
Předmět Impulzová a číslicová technika navazuje na předměty vyučované v nižších
semestrech, zejména na předměty s tématikou elektronických součástek (polovodičové diody,
tranzistory, integrované obvody, operační zesilovače a podobně). V počítačovém cvičení
z tohoto předmětu se předpokládá, že student je seznámen se základy práce s počítačem typu
PC, že zná základní pravidla pro práci se soubory (vytváření, kopírování, mazání, práce se
složkami, spouštění programů).
Testy předchozích znalostí:
Jednotlivé úlohy popsané v tomto textu mají značně různorodý charakter, a mohou být
jednotlivě využity při zpracovávání podobných problémů. Proto se autoři domnívají, že není
účelné uvádět zde globální vstupní test. Místo toho jsou u každé úlohy uvedeny v odstavci
Test předchozích znalostí otázky, které jsou specifické pro každou úlohu. Je to podle autorů
účelnější i z toho důvodu, že se studenti budou připravovat na každé cvičení podle
odpovídající kapitoly a lze očekávat, že test znalostí u této kapitoly nepřehlédnou, zatímco
test umístěný na začátku celého textu může snadno pozornosti ujít.
Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 7
1 Návrh diodového tvarovače
Cíle úlohy:
Cílem úlohy je návrh pasívního diodového tvarovače a ukázka použití programu PSpice
k vyhodnocení správnosti návrhu, případně k jeho úpravě.
Test předchozích znalostí
Otázka 1.1: Načrtněte typickou voltampérovou charakteristiku polovodičové diody!
Otázka 1.2: Jaká je funkce operačního zesilovače v Obr. 1.3?
1.1 Teoretické poznatky
Pasívní diodový tvarovač patří z hlediska principu funkce k nejjednodušším obvodům,
jimiž můžeme vytvářet různé průběhy signálu. Jeho funkce spočívá ve využití nelineární cha-
rakteristiky diody (nebo skupiny diod), která je zapojena jako jeden z prvků v děliči napětí.
V tomto cvičení bude navržen tvarovač trojúhelníkového napětí na sinusové. Zapojení
děliče (pasívní části tvarovače) pro kladnou půlvlnu napětí je nakresleno na Obr. 1.1.
Výstupní napětí děliče u ’
2
je označeno ča