IAX0043 praktikum :   Laboritöö 2
7-segmendilise SEGMENTINDIKAATORI ühe segmendi juhtimine / lülitamine loogikaskeemiga

. . . vaatleme digitaalseadmetes üldlevinud    sellist   numbrinäidu segmentindikaatorit :
              

näidates 10ndnumbreid   0 . . . . 9   —   juhitakse / lülitatakse indikaatorit 4-järgulise kahendkoodiga, milleks on samasuur   kahendarv    a3 a2 a1 a0   :

                   


! Meie laboritöös näitab segmentindikaator 16ndnumbreid   0 . . . . F,   misjuhul juhitakse indikaatorit samuti 4-järgulise kahendkoodiga    a3 a2 a1 a0   :

             


             

meenutame seost kahendsüsteemi ja 16ndsüsteemi vahel :

Indikaatori segmentidel   on   tähistused    A  B  C  D  E  F  G   :

Falstad-editoris saadaolev komponent   7-segment LED   näitab numbrit 9 erinevalt :     —  mis pole probleem.   Juhtides / lülitades segmenti   D   teame seljuhul arvestada, et 9 näitamisel  erineb  Laboritöö2 number  9   Falstad-i indikaatori numbrist  9  (kus segment D  kahjuks  ei sära  9 näitamisel).
Kuidas moodustub   segmenti lülitav   LOOGIKAFUNKTSIOON ?


NEGATIIVNE juhtimisloogika?

NEGATIIVSE juhtimisloogika korral süttib segment juhtsignaali 0 toimel   ja   püsib pimedana juhtsignaali 1 mõjul.   Juhtiva / lülitava   loogikafunktsiooni tõeväärtustabel osutub seljuhul tavapärase suhtes  vastupidiseks :

Negatiivse lülitamisloogika õigel teostamisel skeemina hakkab  juhitav  segment lülitama  etalonsegmendi  suhtes  vastupidiselt :   kui etalonsegment 7-segment-indikaatoris särab, siis juhitav segment on pime
ja vastupidi :
kui etalonsegment 7-segment-indikaatoris on pime, siis skeemi poolt juhitud segment särab.
Kui soovid, et juhitav segment süttiks ja kustuks koos etaloniga samamoodi kokkulangevalt  (ehk põleks "samal ajal" koos etaloniga),  siis pead rakendama  juhtiva / lülitava  skeemi lõppu  üksiku  invertori,  jälgides seejuures oma variandi  piiranguid / nõudeid  kasutatavate elementide kohta: kui pead kasutama ainult NAND-elemente või ainult NOR-elemente, siis ei tohi  kasutada skeemis  "tõelist"  invertorit  inverteerimiseks.
Kui su variant nõuab NAND- või NOR-elementide kasutamist — siis meenuta :   kuidas  on võimalik  invertor  koostada NAND-elemendist või NOR-elemendist.

! iga õpilane   juhib / lülitab   oma loogikaskeemiga   nendest 7 segmendist   ainult ühte segmenti !   —   ehk realiseerib (oma skeemi näol)   kogu   indikaatori juhtskeemist   tinglikult "ühe seitsmendiku"
☞     "redaktor"   ja   "editor"   on sama asi :   sünonüümid

loogikaskeemide skeemiredaktor "Falstad":
www.falstad.com/circuit
( töötab browseris ja vajab JavaScript'i — mis on tavaliselt lubatud igas browseris )

Labor2   põhisammud :
☞   stardi   moodle.taltech.ee   aine IAX0043 moodle's   Laboritöö2, alustades lingist  MINU ANDMEVARIANT ja TULEMUS.   (seda võib teha näiteks esimeses laboritunnis);
☞   koosta oma segmenti juhtiva/lülitava 4-muutuja loogikafunktsiooni tõeväärtustabel;
☞   kui isiklik ülesandepüstitus nõuab NAND-skeemi, siis meenuta, millisest loogikaavaldise normaalkujust saadakse NAND-kujuline loogikaavaldis?
  Leia see vajalik minimaalne normaalkuju   Karnaugh' kaardi   abil (nagu oli Diskreetses Matemaatikas ) ja sellest edasi NAND-kujuline loogikaavaldis;
☞   kui isiklik ülesandepüstitus nõuab NOR-skeemi, siis meenuta, millisest loogikaavaldise normaalkujust saadakse NOR-kujuline loogikaavaldis?
  Leia see vajalik minimaalne normaalkuju   Karnaugh' kaardi   abil (nagu oli Diskreetses Matemaatikas ) ja sellest edasi NOR-kujuline loogikaavaldis;
☞   kui isiklik ülesandepüstitus nõuab loogikaskeemi AND-elementidel, OR-elementidel ja invertoritel, siis leia   Karnaugh' kaardi   abil   MDNK või MKNK — nagu isiklik variant nõuab.
☞   Falstad-editor  lisab  binaarsete  tehete loogikaelemente skeemile (alguses)  2 sisendiga.   Dialoogis   Edit Component  saab loogikaelementide  sisendite arvu  muuta / suurendada.

SISENDITE  lubatud arv  loogikaelementidel ?

loogikaelementide  sisendite arv   pole (siin töös) piiratud :   igal loogikaelemendil tohib olla niipalju sisendeid, nagu nõuab tema  matemaatiline mudel   ehk   (sellele elemendile vastav) loogikaavaldise osa.   Skeem kus on (asjatult) kasutatud ainult 2-sisendiga loogikaelemente   —   on ebaoptimaalne, sisaldades liiga palju loogikaelemente.   Liiased skeemid  kas kaotavad hindepunkte  või  määratakse nad  ümbertegemisele / parandamisele.
☞   loogikafunktsiooni loogikamuutujad  (nii Karnaugh' kaardil   kui ka loogikaavaldistes)   ei ole siin mitte "abstraktsed"    x1 x2 x3 x4   (nagu oli tavaks  Diskreetses Matemaatikas  loogikamuutujad tähistada)  vaid   (2ndarvu arvujärkudena ) nad on tähistatud :     a3 a2 a1 a0    Tähistades  Lab2 teostuses muutujaid kuidagi teisiti:  X1 X2 X3 X4   või    a b c d   või puha kuidas kolmandat moodi "teisiti"  või  jättes juhtsignaalid skeemijoonisel üldse tähistamata — siis maksimumpunkte Lab2 eest ei saa.
Tulenevalt juhtsignaalide   (ehk loogikafunktsiooni muutujate)  tähistusest siin töös, on ka  Karnaugh' kaardil  siin  t e i s t s u g u s e d   muutujate tähistused   —   mitte sellised tähised / märgendid  xi   mida  Diskreetses Matemaatikas  kasutasime   Karnaugh' kaardil.   Laboritöös2 näeb õigesti tähistatud  Karnaugh' kaart  välja nii :

☞   tutvu Falstad-skeemiredaktoriga / skeemieditoriga   ja omanda sellega "skeemijoonistamise" võtted;
☞   koosta   (leitud loogikaavaldise jaoks)   Falstad-skeemieditoriga (nõutud loogikaelementide osalusel) loogikaskeem, mis realiseeriks indikaatori sulle määratud segmenti juhtivat loogikafunktsiooni;   lisa skeemile ka 7-segmendiline LED-indikaator
( Falstad-editori menüükäsk :  Digital Chips . . . . Add 7segment LED ) ja pane koostatud loogikaskeem lülitama indikaatoril just sinu segmenti;
☞   proovi läbi, kas juhitav segment süttib/kustub õigesti kõigi 16 näidatava numbri (0 kuni F) jaoks;
(kuna lülitad oma skeemis ühtainust segmenti, siis Falstadi 7segmentindikaator ei näita "ilusaid" täielikke 16ndnumbreid 0 . . . F   vaid näitab ühtainust "põlevat" punast LED-segmenti)
☞   esita (arvuti ääres) töö kaitsmisele koos   sisselogitud  moodle  Lab2 variandilehega  (mida  moodle  näitab  MINU ANDMEVARIANT  sees).
Samuti on vaja kaitsmisel ettenäidata paberil tehtud eelsammud;   (paberi asemel tohib selles töös vajalikke loogikaavaldisi   leida ning kaitsmisel ekraanil ettenäidata   ka arvutidokumendis ehk failis: Word, Excel... jm);   kaitsmisel vaadatakse üle, kas lahendus on õige ja kas koostatud skeem töötab (lülitab) segmenti õigesti . . .   kaitsmisel küsitakse ka lisaküsimusi;
☞   Falstad skeemieditoris saadaval olev  7-segment indikaator  ("7 Segment LED")  näitab numbrit 9 teistmooodi — erinevalt "meie" numbrist 9  Falstadil ei põle alumine ehk  segment D numbri "9" näitamisel.   Seda erinevust meie 9 suhtes lihtsalt ignoreerime.

SKEEMID   ja   LOOGIKAAVALDISED

Käesoleva laboritöö loogikaskeem koostatakse pärast vastava loogikaavaldise leidmist.
Nüüd ja edaspidi on vaja osata üleminna "mõlemas suunas" :   loogikaskeemidelt loogikaavaldistele   ( ehk   füüsiliselt   mudelilt   matemaatilisele   mudelile )
ja samuti vastupidi :   loogikaavaldistelt loogikaskeemidele.
Meenuta loogikaelementide tingmärke loogikaskeemides ja nendele vastavaid loogikatehteid loogikaavaldistes:

. . . suvaline näide teineteisele vastavast loogikaskeemist ja loogikaavaldisest :

Loogikaelemendi väljundsignaali tohib suunata  (mitte ainult ühe vaid ka)   m i t m e   (järgmise astme)  loogikaelemendi sisendile — misjuhul signaal  "hargneb mitmele liinile".

Laboritöö2 kaitsmisel esitatakse lisaküsimusi, kus tuleb äratunda / koostada   loogikaskeemile vastav loogikaavaldis   või vastupidi :   etteantud loogikaavaldise jaoks  tuleb osata koostada  vastav  loogikaskeem.
Meenuta, kuidas töötlevad   loogikaelemendid   AND   OR   NAND   NOR   oma sisendsignaale   (ehk millised on nende  tõeväärtustabelid ).
Lab2 kaitsmisel on vaja  kirjutusvahendit     

Falstad skeemieditori   VISUAALNE KASUTAJALIIDES
roheline liin tähendab signaaliväärtust 1   ( H )   sellel liinil ;
hall liin tähendab signaaliväärtust 0   ( L )   sellel liinil ;

         
Tutvu Falstad käskudega menüüdes.   Enamik menüükäskudest pole siiski meile vajalikud.
Olles omandanud kogemuse valida vajalikke käske menüüst — proovi järgnevalt valida kiirklahvide abil neidsamu sagedasi (elementide lisamise / joonistamise) käske.
Falstad skeemieditori käskude   KIIRVALIKUD
toiming   Falstad  skeemiredaktoris    kiirklahv  
   hiireoperatsioon   
lisa  INVERTOR 1
lisa  AND loogikaelement 2
lisa  OR loogikaelement 3
lisa  NAND loogikaelement @
lisa  NOR loogikaelement #
lisa  XOR loogikaelement 4
lisa  ühendusjuhe   (wire ) w
lisa  sisend   (input ) i
lisa  väljund   (output ) o
lisa   tekst / nimetus t
  välju   praegu kehtivast   (eelnevalt valitud)   toiminguvalikust   Esc
n i h u t a   skeemiväljakul  kogu skeemi  Alt + drag  
  tühista   viimane muudatus  Ctrl + Z  
  suurenda skeemivaadet browseris :   zoom IN   +
  vähenda skeemivaadet browseris :   zoom OUT   —
  tühista ZoomIN|OUT vaade tagasi algseisu:   100% normaalsuurus   0
  vali   (select )   osad skeemielemendid drag
  kustuta   valitud skeemielemendid Del
Sagedased VEAD   loogikaskeemide koostamisel  Falstad skeemiredaktoriga
p r o b l e e m

v i g a
  skeemiosa   HALB TEOSTUS  
  KORREKTNE   skeemiosa  		  s e l g i t u s  
Kuigi Falstad editor võimaldab,
e i    t e h t a    skeemides
diagonaalseid juhtmeühendusi		juhtmete kõik suunamuutused
saavad olla täisnurksed
SKEEM TÖÖTAB   —   KUID VALESTI :

punane täpp näitab alati probleemi:
punane täpp ei ole ühendatud tegelikult;
Kuigi jah visuaalselt
üks juhe nagu "puudutab" teist —
punane puudutuskoht
EI OLE "elektriliselt kontaktis"
kuna juhe on üritatud ühendada
teise juhtme keskele kuhugi

punase ühendustäpi tekkimisel
  tasub kohe tegeleda
selle   "petliku"   ühenduskoha "kordategemisega"  		ühendada saab ainult juhtmete otsi !
juhtme   keskkohta ei saa üh. teist juhet

igasugune   "hargnemispunkt"   on tegelikult
kolme juhtmeotsa ühenduspunkt

  juhtmete tõeline ühenduskoht
on   v a l g e   täpiga  
"elektriliselt" pole see probleem, kuid
juhtmete "neljast ristmikku" tasub vältida
Falstad lubab, kuid paremad editorid
hoiatavad juhtmete 4-ristmike olemasolul skeemis 		4-ristmik on alati asendatav
kahe 3-ristmikuga
arusaamatu "juhtmeots"
pööramisnurgas / kurvinurgas   tähendab,
et mitu juhet on kohakuti täpselt üksteise peal

ükski juhe ei tohi paikneda skeemis
täpselt    t e i s e   j u h t m e    p e a l
ehk täpselt  kattuvalt ;

pane tähele :   kuigi kattumine pole lubatud, siis
juhtmete "lihtne", ühenduseta  ristumine  
ON lubatud 		juhtme korralikus pööramisnurgas
pole kunagi   (mitte mingit värvi)   otsatäppi
skeemielemendid ei tohi skeemis
puudutada üksteist		tohivad olla lähedal, kuid
oma naaberelemendist siiski selgelt eraldi
kuigi Falstad editor (kahjuks) võimaldab,
ei ole 1 sisendiga
NAND ega NOR elemente olemas		invertorit saab imiteerida
2 sisendiga NAND või NOR elemendi abil
kus sisendid on   k o k k u ü h e n d a t u d

meenutades   loogikaalgebrat :
SKEEM HÄVIB TÖÖVÕIMETUKS :

kuhugi väljundisse ei tohi ühendada sisendit !

visuaalselt ei eristu   input / output
mitte kuidagi teineteisest
kuid editor teatab "Singular matrix" veateate		sisendi väärtust L | H   (0 | 1)
saab hiireklikiga ise määrata

väljundi väärtust arvutab ainult skeemielement
ja seda ei saa   "ise määrata"

väljundi | output   lisamine skeemile
pole alati vajalik
kuid ta võimaldab näidata
väljundi väärtust tähistega   H   L
SKEEM HÄVIB TÖÖVÕIMETUKS :

mitme loogikaelemendi   v ä l j u n d i d
ei tohi olla skeemis
(näiteks kuskil eemal)
ekslikult   k o k k u ü h e n d a t u d

sellise veaga skeemi kohta
võib Falstad editoris veateade puududa
kuid skeem   ei tööta / ei arvuta		loogikaelementide   väljundid
on tavaliselt määratud olema ühendatud
muude elementide   sisenditesse

Lisaks klassiarvutitele saab praktikumide laboritöid   nii ärateha kui ka kaitsta   ka   oma arvutiga :