Ćwiczenie 1 – Program Electronics Workbench

Systemy teleinformatyczne
Ćwiczenie 1 – Program Electronics Workbench
Symulacja układów logicznych
Program Electronics Workbench służy do symulacji działania prostych i bardziej złożonych układów
elektrycznych i elektronicznych. Praca jest prosta i intuicyjna. Należy w sposób graficzny skonstruować
obwód (zasilanie, elementy pasywne, połączenia galwaniczne, mierniki) a następnie uruchomić symulację i obserwować działanie (oscyloskop, indykatory sygnałów itp.).
Interfejs programu zawiera menu komponentów, zgrupowanych według ich charakteru:
Bramki Cyfrowe Indykatory Sterowanie Różne Mierniki
Wymuszenia Podstawowe Diody Tranzystory Analogowe Mieszane Scalone
Skonstruujmy i zasymulujmy działanie prostego obwodu prostowniczego z diodą:
Umieszczamy na schemacie źródło napięcia sinusoidalnie zmiennego, diodę, rezystor i oscyloskop (z
grupy „mierniki”). Z menu kontekstowego elementów można ustawić dodatkowe właściwości (Component properties), np. napięcie źródła w woltach i jego częstotliwość, rezystancję opornika w omach itp.
Łączymy węzły elementów „kabelkami” metodą drag-and-drop, tworząc ewentualnie potrzebne nowe
węzły. Dodajemy uziemienie układu. Końcówkę „ground” oscyloskopu łączymy z uziemieniem, na wejście
A oscyloskopu podajemy napięcie źródłowe (z drugiej końcówki zasilania) a na wejście B sygnał napięciowy z rezystora. Klikamy dwukrotnie w oscyloskop i ustawiamy odpowiednie zakresy jak na rysunku
(wyjaśnić dlaczego takie, próbując zmieniać ich wartości w trakcie symulacji).
Uruchamiamy symulację przyciskiem
. Powinniśmy otrzymać dwa przebiegi – napięcia sinusoidalnego i napięcia wyprostowanego przez diodę (górne połówki sinusoidy):
Zadanie
1. Zasymulować działanie bramki AND. Na wejścia bramki podawać sygnały z uziemionego
źródła napięcia stałego, włączając je ręcznie wyłącznikami (we właściwościach wyłączników podać klawisze załączania, np. A i B).
Na wyjściu bramki badać sygnał przy pomocy indykatora lampkowego:
2. Identyczny układ zbudować w oparciu o gotową bramkę AND. Zbadać również działanie
układów OR i XOR.
Tablica prawdy i wyrażenie logiczne
Dowolny układ logiczny może mieć n wejść i co najmniej jedno wyjście. Może realizować podstawowe,
czy też bardziej złożone funkcje algebry Boole’a. Niezależnie od konstrukcji wewnętrznej układu zależność pomiędzy stanem wyjścia układu, a stanami wejść można opisać:
•
•
za pomocą tablicy prawdy
analitycznie za pomocą wyrażenia algebraicznego-logicznego
Układy kombinacyjne to takie układy, w których sygnały (stany) wyjściowe są zdeterminowanymi funkcjami sygnałów (stanów) wejściowych.
Y=A*B
Y= A
A
0
1
Y
1
0
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y=A+B
Y
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
Y= A ⊕ B
Y= A + B
Y= A*B
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
Realizacja układów elementarnych
Przykładowo dla bramki OR układ elementarny można wykonać korzystając z wyłączników:
AND
OR
W praktyce buduje się elementy logiczne z tranzystorów , na przykład bramka OR:
Zadania
1. Wykonać symulację obydwu układów na wyłącznikach i dokonać próby symulacji układu z tranzystorami, dobierając napięcia i wartości rezystancji. Uwaga: w przypadku błę-
dów symulacji w programie EWB należy zmniejszyć parametr RELTOL (relative error tolerance) do wartości 0,01 (menu Analysis – Options…).
2. Wykonać symulację prostego układu, złożonego z pojedynczej, dowolnej bramki logicznej reprezentowanej układem scalonym z narzędzia Logic Gates – pojedynczej lub reprezentowanej układem scalonym, np. poczwórna bramka AND (4081):
Opis końcówek: I1 i I2 to wejścia a O1 to wyjście bramki pierwszej itd.
Na węzeł VDD należy podać napięcie ze źródła stałego.
3. Podawać na wejście zestawy impulsów z elementu Word Generator. Zapoznać się z generatorem i wykonać próby indykatorami żarówkowymi jak działa i w jaki sposób podawać zestawy sygnałów (wskazówka – system jest szesnastkowy). Badać stan wyjść
przy pomocy indykatora (żarówki kontrolnej).
Układy złożone
Układy złożone o n wejściach i m wyjściach realizuje się w oparciu o metody analizy układów przełączających:
• tablice (siatki) Karnaugha
• metoda Quine’a - McCluskeya
Jeśli mamy do czynienia z układem 1-wyjściowym i znamy wyrażenie algebraiczne opisujące układ, to
jest on łatwy do realizacji. Przykładowo układ opisany równaniem:
posiada następujący schemat:
Zadania
1. Wykonać symulację powyższego układu. Utworzyć tablicę prawdy.
2. Zaprojektować i zanalizować układ 4-wejściowy i 4-wyjściowy, realizujący kod Gray‘a opisany wyrażeniami algebraicznymi:
Wykonać schemat i analizę układu. Utworzyć tablicę prawdy.
3. Wypróbować instrument Logic converter, który na postawie tablicy prawdy lub równań
algebraicznych, potrafi zaprojektować układ (nieoptymalny).