Лабораторная работа №2
ШИФРАТОРЫи ДЕШИФРАТОРЫ
Для простого объяснения работы пары шифратора и дешифратора приведем такой пример.
Допустим, необходимо установить управление освещением из здания 1 в здании 2. Если в здании 2 нужно включить одну лампочку, достаточно протянуть только один провод управления (кроме "земляного")
Рис.1.
Для двух лампочек, управляемых независимо друг от друга, протянем уже два провода. Для пяти лампочек – пять проводов и т. д. Нужно отметить, что лампочки включаются не одновременно, а поочередно, то есть горит только одна из всех лампочек.
Включим знание цифровой техники: на передающей стороне (в здании 1) установим шифратор – устройство, преобразующее десятичное число в двоичный код (Рис.2,а.), а на приемной стороне – дешифратор (Рис.2,б.) – устройство, преобразующее двоичный код в унитарный код. Унитарным называется двоичный код, содержащий одну и только одну единицу, например 00100000.
а б
Рис. 2.
Для объяснения сущности унитарного кода приведем пример работы клавишного переключателя (Рис. 3). Клавишный переключатель в данном случае работает так, что при утопленной любой одной клавише остальные клавиши выскакивают в верхнее положение. В первом случае (рис.3.а) код, описывающий положение переключателя – 010000, во втором (рис. 3.б) - 000010
А б
Рис.3
Теперь понятно, почему на выходе дешифратора будет включаться только одна лампочка.
В приведенном примере (Рис.2) видно, что с увеличением количества лампочек значительно уменьшается (относительно) количество проводов, связывающих оба здания.
Схема на Рис.2 не является рабочей, а представлена только для объяснения принципа работы рассматриваемых устройств – никакой дешифратор, выполненный на интегральной схеме, не способен включать лампочки (не хватит мощности).
ШИФРАТОРЫ
Шифратор (называемый также кодером) - устройство, осуществляющее преобразование десятичных чисел в двоичную систему счисления. Пусть в шифраторе имеется m входов, последовательно пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2, 3,......, m - 1), и n выходов. Подача сигнала на один из входов приводит к появлению на его выходах n -разрядного двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа.
Очевидно, трудно строить шифраторы с очень большим числом входов m, поэтому они используются для преобразования в двоичную систему счисления относительно небольших десятичных чисел.
Шифраторы широко используются в разнообразных устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут снабжаться клавиатурой, каждая клавиша которой связана с определенным входом шифратора. При нажатии выбранной клавиши подается сигнал на определенный вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.
Рис. 4.
На рис. 4 приведено символическое изображение шифратора, преобразующего десятичные числа 0, 1, 2,..., 9 в двоичную форму. Символ CD в обозначении устройства образован из букв, входящих в английское слово CODER. Слева показано 10 входов, обозначенных десятичными цифрами 0, 1,..., 9. Справа показаны выходы шифратора: цифрами 1, 2, 4, 8 обозначены весовые коэффициенты двоичных разрядов, соответствующих отдельным выходам.
Из приведенной в качестве возможного примера таблицы истинности (табл. 1) следует, что переменная х1 на выходной шине 1 имеет уровень логической единицы, если возбуждается один из нечетных входов. Следовательно:
X1 = y1 + y3 + y5 + y7 + y9.
Аналогично для остальных выходов:
x2 = y2 + y3 + y6 +y7,
x4 = y4 + y5 + y6 + y7,
x8 = y8 + y9.
Этой системе логических выражений соответствует схема на рис. 5,а), собранная на элементах ИЛИ. На рис. 5,б) изображена схема шифратора на элементах ИЛИ-НЕ; в этом случае мы получаем инверсные значения выходных сигналов.
При выполнении шифратора на элементах И-НЕ предусмотрена подача на входы инверсных значений, т. е. для получения на выходе двоичного представления некоторой десятичной цифры необходимо на соответствующий вход подать логический 0, а на остальные входы - логическую 1. Схема шифратора, выполненная на элементах И-НЕ, приведена на рис. 5,в).
а) б) в)
Рис.5.
Изложенным способом могут быть построены шифраторы, выполняющие преобразование десятичных чисел в двоичное представление с использованием любого двоичного кода.
ДЕШИФРАТОРЫ
Для обратного преобразования двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа используются дешифраторы (называемые также декодерами). Входы дешифратора предназначаются для подачи двоичных чисел, выходы последовательно нумеруются десятичными числами. При подаче на входы двоичного числа появляется сигнал на одном определенном выходе, номер которого соответствует входному числу.
Дешифраторы имеют широкое применение. В частности, они используются в устройствах, печатающих на бумаге выводимые из цифрового устройства числа или текст. В таких устройствах двоичное число, поступая на вход дешифратора, вызывает появление сигнала на определенном его выходе. С помощью этого сигнала производится печать символа, соответствующего входному двоичному числу.
На рис. 6,а) приведено символическое изображение дешифратора. Символ DC образован из букв английского слова DECODER. Слева показаны входы, на которых отмечены весовые коэффициенты двоичного кода. Справа - выходы, пронумерованные десятичными числами, соответствующими отдельным комбинациям входного двоичного кода. На каждом выходе образуется уровень логической 1 при строго определенной комбинации входного кода.
Дешифратор может иметь парафазные входы (для подачи наряду с входными переменными их инверсий), как показано на рис. 6,б).
Рис. 6.
Живая (рабочая) микросхема дешифратора представлена на Рис. 7. Её можно найти в пакете Electronics Workbench в базе элементов Digital в разделе Dec/Demux под именем 4028
Рис. 7. Дешифратор "Один из десяти".
Здесь входы обозначены А0, А1, А2, А3; выходы – 00, 01, …, 09; питание микросхемы подается на выводы VSS (земля), VDD (+5 В).
Работа дешифратора на семисегментный индикатор
В лабораторной работе используем дешифратор для управления семисегметным индикатором (рис. 8,а):
|
Рис. 8.
а, б - семисегментный индикатор, в - схема управления, г - таблица соответствия.
Как видим из рис.8,б), для воспроизведения некоторых цифр используются одни и те же элементы (сегменты), то есть при различных комбинациях кода на входе (A, B, C, D) должен включаться один и тот же сегмент. Так, например, у цифр 0, 2, 6, 8 одним из общих является сегмент е.
Рассмотрим таблицу соответствия (Рис. 8,г), в которой выясним, при каких кодах должны включаться соответствующие сегменты.
Сегмент е (смотрим по вертикали в таблице на рис. 8,г) включается при кодах на входе (выделено в Таблице 2):
Таблица 2.
| Десятичное число | A B C D |
| 0 0 0 0 | |
| 0 0 1 0 | |
| 0 1 1 0 | |
| 1 0 0 0 |
Для того, чтобы сегмент е включался только тогда, когда формируются числа "0", "2", "6", "8" и не включался в остальных случаях, необходимо создать функциональное устройство, выполняющее такой алгоритм:
е = A'CD'+B'C'D'.
Схемотехнически это будет выглядеть так (Рис. 9):
Рис. 9. Схема дешифратора для сегмента е.
Аналогично формируются дешифраторы для остальных сегментов. Каждый из дешифраторов имеет по четыре одинаковых входа (A, B, C, D) и один выход, подсоединенный к соответствующему сегменту индикатора. Таким образом, можно представить полный дешифратор (работающий на весь индикатор) в виде схемы:
Рис. 10. Дешифратор для семисегментного индикатора.
Объединив все дешифраторы, работающие на отдельные сегменты, получим блок дешифраторов (Рис. 11,а), выполняющий функцию, показанную на Рис. 8,в:
а) б)
Рис. 11.
Теперь, соединив схемы Рис. 11,а и 11,б, получим преобразователь двоичного кода в изображение десятичного числа (0, 1, 2, 3,..., 9), соответствующего этому двоичному коду.
Программа работы
1. Собрать схему исследования дешифратора "Один из десяти" на микросхеме 4028 (Рис. 12):
Рис. 12.
Составить таблицу соответствия входов и выходов. Код входного сигнала набирать с помощью кнопок Логического конвертора (см. Рис. 13).
2. Спроектировать дешифратор для семисегментного индикатора. Для формирования дешифратора, управляющего одним сегментом, например, е используем возможности программы Electronics Workbench.
Выберем из блока Instruments устройство (Рис. 13) для формирования двоичного кода в виде электрических сигналов - Логический преобразователь (Logic Converter).
Рис. 13. Устройство Logic Converter
После набора кодов входных сигналов (A, B, C, D) и соответствующих им выходов на Поле выходов (см. таблицу на рис. 8,г для сегмента е) можно получить булево выражение в нижней части Logic Converter’а, нажав на кнопку преобразования таблицы в выражение – вторая кнопка сверху в правой части картинки.
Минимизация формулы производится кнопкой SIMP (от англ. simple – простой).
Переход от формулы к реализации в виде набора элементарных ячеек происходит при нажатии второй снизу кнопки. Самая нижняя кнопка выдает схему, набранную на инверсных элементах.
* В том случае, когда схема занимает много места на экране, ее следует минимизировать, свернув ее в один блок. Для этого необходимо поставить на месте будущих входов и выходов точки (клеммы), ограничить сворачиваемую часть схемы (не захватывая точки входов и выходов) прямоугольником маркера, зайти в меню Circuit>CreateSubcircuit>Name>Replace in circuit (назвать ваш блок в соответствии с выполняемыми им функциями, например, е).
3. Проделать те же операции для остальных сегментов, обозначая "свернутые" блоки дешифраторов сегментов их (сегментов) именами – a, b, и т. д.
4. Провести операцию "сворачивания" отдельных блоков дешифратора в один блок по такому же принципу, что описан в п. 2* Программы работ.
5. Объединить входы свернутых блоков (Aa c Ab, с Ac …; Ba с Bb, с Bc … и т. д.).
6. Подсоединить к полному дешифратору семисегментный индикатор (из блока Индикаторы – Indicators) с выводами от каждого сегмента.
7. Убедиться в работе схемы.
Перед началом лабораторной работы знать ответы на вопросы:
1. Что такое шифратор?
2. Что такое дешифратор?
3. Что такое унитарный код?
4. Что такое семисегментный индикатор?
5. Назначение и применение семисегментного индикатора.
6. Как обозначается шифратор и дешифратор на принципиальной схеме?
Оформление отчета.
Титульный лист.
Определения исследуемых элементов и кодов.
Схема дешифратора для семисегментного индикатора.
Подготовил ст. преп. кафедры информационных технологий и программирования В.А. Варфоломеев.