Построение временных диаграмм и

требование к их оформлению

Временные диаграммы представляют собой способ иллюстрации функционирования (работы) устройств во времени. Их, в то же самое время, можно рассматривать как способ анализа (процесса) функционирования устройства.

Временные диаграммы строятся (вычерчиваются) в процессе анализа работы устройства по его функциональной или принципиальной схеме. Поэтому диаграммы должны быть «привязаны» названным схемам. То есть нести «информацию» о функциональных элементах (модулях), о назначении и значении сигналов, о выполняемых элементами функциях, о последовательности взаимодействия элементов и т.д. Поскольку дискретные (цифровые) устройства функционируют в дискретном («машинном») времени, то диаграммы вычерчивают, начиная с некоторого момента времени. Затем анализпроводится для каждого последующего момента (и интервала) времени последовательно в течение некоторого периода времени, называемого «интервалом наблюдения».

Значения сигналов и состояния элементов отображают на диаграммах условно, по оси ординат, в виде двух уровней, один из которых соответствует уровню лог.0, а другой уровню лог.1. Если сигал имеет несколько значений по уровню или элемент может оказаться в нескольких состояниях, то на диаграммах это отображают соответствующим числом уровней. При этом уровни показывают без учёта масштаба по оси ординат, но с соблюдением фиксированных соотношений между уровнями. Часто уровень лог.0 показывают совпадающим с осью абсцисс, а за уровень лог.1 принимают некоторый фиксированный интервал, руководствуясь требованиями «компактности» и ясности «чтения» диаграмм.

По оси абсцисс (оси времени) отображаются длительности значений сигналов и изменения этих значений. Для этого некоторый фиксированный интервал времени принимают за единицу дискретного времени. И, впоследствии, все длительности оценивают количеством этих «единиц» времени. Таким образом, временные диаграммы вычерчивают с соблюдением масштаба по оси времени. Этот масштаб выбирается произвольно, но так чтобы можно было показать все количественные соотношения между длительностями сигналов и длительностями процессов изменения (переходов) значений сигналов. Если длительность сигнала существенно больше длительностей его переходов, то такие переходы (изменения) показывают «скачком». В этом случае длительностью переходного процесса пренебрегают, то есть принимают равной нулю. (См. диаграммы рис.1 в к лаб. Работе №7). Если же названные длительности соизмеримы, то переходы показывают наклонными прямыми линиями. При этом углом наклона отображаются длительность переходного процесса. (См. рис.1 в к лабораторной работе №1).

Как правило, временные диаграммы строят с соблюдением единого масштаба во времени.

«Принадлежность» временных диаграмм к конкретной схеме устройства, по которой ведётся анализ его работы, отображается метками у начала координат. А сами диаграммы сопровождают подрисуночными надписями. Метки и подрисуночные надписи – необходимые атрибуты временных диаграмм. Метки ставят на оси абсцисс слева от оси ординат. Метки образуются позиционным обозначением «элемента» на схеме, меткой основной функции, реализуемой элементом или модулем, (например, двоичного счётчика импульсов «СТ2») либо наименованием сигнала или группы сигналов, а также метками входов/выходов, используемыми на УГО микросхем. Метки могут быть групповыми и индивидуальными. Групповая метка используется для обозначения диаграмм нескольких функционально равнозначных сигналов, например, выходных сигналов двоичного счётчика импульсов. Индивидуальной меткой помечают диаграмму одного сигнала.

Поскольку устройство представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов и модулей, то на диаграммах достаточно отобразить только выходные сигналы этих элементов и модулей. Кроме того, необходимо показать входные, независимые сигналы, поступающие на устройство извне.

Запомните! Не меняющиеся во времени сигналы на диаграммах не отображают. Достаточно привести (указать) значения этих сигналов в подрисуночной надписи к диаграммам.

Взаимодействия элементов отображаются на диаграммах линиями со стрелками. Стрелки ставятся в направлении «сигнала-следствия», а линии передачи воздействий начинают от «сигнала-причины». Характерные моменты времени, в которые осуществляются воздействия, помечают метками вида t_i, где индексом I обозначают порядковый номер момента.

При построении временных диаграмм последовательностных логических устройств дополнительно указывают характерные интервалы времени. К таким интервалам относят: длительности тактов (∆t), длительность цикла работы (Т_Ц), длительности импульсов и длительности пауз между импульсами, длительности активных воздействий и т.д. Указывают также порядковый номер такта или цикла работы логического модуля (функционального узла).

На рис. П1, в качестве примера, приведена функциональная схема некоторого устройства, состоящего из генератора прямоугольных импульсов (D1), двоичного 3-разрядного счётчика импульсов (D2) и логических элементов D3 и D4, формирующих выходные сигналы Х и Y, соответственно. На устройство извне поступает сигнал по входу сброса (R) счётчика. Требуется выполнить анализ работы этого устройства и построить временные диаграммы.

Запомните! Построить диаграммы можно только в том случае, если Вы умеете «читать» схему и знаете смысл всех условных графических обозначений, приведённых на схеме. Так как с помощью этих обозначений «зашифрованы»и логические зависимости выходных сигналов от входных, и «алгоритм» работы каждого функционального элемента.

Так из схемы рис. П1 следует,что генератор D1 работает вавтоколебательном режиме. То

есть при включении питания на выходе генератора возникнут импульсы прямоугольной формы, следующие с фиксированной частотой.

Рис.П1. Функциональная схема

Далее, из УГО счётчика импульсов D2 видно, что его счётный вход прямой динамический, а сам счётчик может работать только в режиме суммирования (прямого счёта). Кроме того, он устанавливается в нулевое состояние сигналом лог.1 по входу R (сигнал «Сброс»). Как известно, сигнал сброса обладает наивысшим приоритетом, поэтому при наличии лог.1 на входе R счётчик окажется в состоянии «запрета на счёт». То есть счётчик не будет реагировать на импульсы по входу «+1», при этом на его выходах «1», «2», «4» постоянно будут сохраняться сигналы лог.0. Это – нулевое состояние счётчика.

Если же сигнал «Сброс» примет значение логического нуля, то счётчик перейдет в режим счёта. Тогда по фронту (переход 0→1) импульсов на входе «+1» состояние счётчика будет меняться, начиная с 000 до 111, а затем периодически повторяться. Из схемы также следует, что выходные сигналы Х и Y формируются, соответственно, логическим элементом «сумма по mod2» (D3) и элементом 3И-НЕ (D4). Зная правила суммирования по модулю два, логического умножения и инверсии, нетрудно определить значения выходных сигналов указанных элементов и, тем самым, значения Xи Y.

Приступая к построению диаграмм, прежде следует определить начальные условия. Допустим, что напряжение питания уже включено и сигнал «Сброс» равен лог.1. Тогда генератор D1 работает и на его выходе формируется последовательность импульсов с периодом следования ∆t скважностью, равной двум (см. рис. П2). Счётчик D2 будет в состоянии «запрета». При этом на его выходах с метками «1», «2» и «4» будут сигналы лог.0.

Предположим, что сигнал «Сброс» в момент времени t₀ изменяется с 1 на 0. С этого момента счётчику будет дано разрешение на счёт, однако его состояние (000) не изменится, так как сигнал на входе +1 равен лог.1 и не меняется. По фронту следующего импульса счётчик перейдет в состояние 001 (см. первый такт работы). Дальнейшая смена состояний будет происходить в моменты появления перехода 0→1 тактовых импульсов до тех пор, пока на выходах счётчика не появится комбинация 111. Это произойдет на 7-м такте. Затем состояния будут повторяться до момента, когда сигнал на входе R счётчика примет значение лог.1 (момент t₅). С этого момента счётчик устанавливается в состояние 000, и выходные сигналы Xи Y примут установившееся значение.

Рис.П2. Временные диаграммы к схеме рис. П1

Из анализа диаграмм следует, что сигнал лог.0 на выходе Y появляется в 7-м такте с длительностью ∆t и периодом 8∆t. Кроме того, в момент t₁на выходе Х возможно появление кратковременного «ложного» импульса лог.0, так как сигналы на выходах «1» и «4» изменяют свои значения на инверсные. Если счётчик асинхронный, то вначале изменяет значение сигнал на выходе «1», а затем сигнал на выходе «4». Тогда обязательно появится ложный импульс. В случае синхронного счётчика такой ложный импульс может и не появится.

Причина же появления этого ложного импульса заключается в логике работы 2-входового элемента «сумма по mod 2»: сигнал лог.0 на выходе появляется, если либо входных сигнала принимают одинаковые значения. Кроме того, из диаграмм следует, что сигнал лог.1 на входе R «Сброс» (момент t₅ и до момента t₀) принудительно устанавливает счётчик в состояние 000, так как «отрицательный» импульс на выходе элемента D4 (сигнал Y) укорачивается (Интервал времени между моментами t₂ и t₃ больше интервала между моментами t₄и t₅).

Дополнительно, на основе диаграмм, можно сделать выводы об использовании (применении) анализируемой схемы:

1. Импульс на выходе Y возникает каждый раз, когда счётчик оказывается в состоянии 111, то есть на 7-м такте работы. И частота следования этих импульсов в 8 раз меньше частоты генератора.

2. Из диаграмм сигналов на выходах «1», «2», «4» следует, что счётчик, как функциональный узел, можно использовать для деления частоты импульсов на 2,4 и 8. Причём скважности выходных последовательностей импульсов равны двум.

3. Последовательность импульсов на выходе элемента D3 содержит «удлинённые» импульсы с длительностью 2∆t и паузы такой же длительности. Остальные же импульсы и паузы имеют одинаковую длительность ∆t. Частота следования удлинённых импульсов в 8 раз меньше частоты генератора D1.

Диаграммы рис. П2 построены в предположении, что счётчик является асинхронным. Это отображено линиями передачи воздействий в начале второго такта: фронт импульса по входу +1 счётчика (выход генератора D1) вызывает переход 1→0 сигнала на выходе «1», а этот переход, в свою очередь, вызывает переход 0→1 сигнала на входе «2». Далее (см. начало 4 такта), переход 1→0 сигнала на выходе «2» вызывает переход 0→1 сигнала на выходе «4». Такая последовательность характерна для асинхронных счётчиков.

Можно «извлечь» и дополнительную информацию из приведённых диаграмм. В частности, предположив, что сигнал «Сброс» вначале имел значение лог.0, например, вход R счётчика постоянно подключен к шине лог.0, придем к выводу. В момент включения питающего напряжения счётчик может оказаться в любом из возможных состояний. Однако по мере поступления на его вход +1 импульсов, состояния счётчика будут периодически повторяться так, как это показано на диаграммах рис. П2. То есть в момент включения напряжения работа счётчика может начинаться с любого, указанного на рис. П2 такта.

СОДЕРЖАНИЕ

Общие сведения и требования

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности