Одними из очень важных элементов цифровой техники, а особенно в компьютерах и системах управления являются шифраторы и дешифраторы.

Когда мы слышим слово шифратор или дешифратор, то в голову приходят фразы из шпионских фильмов. Что-то вроде: расшифруйте депешу и зашифруйте ответ.

В этом нет ничего неправильного, так как в шифровальных машинах наших и зарубежных резидентур используются шифраторы и дешифраторы.

Шифраторы.

Таким образом, шифратор (кодер), это электронное устройство, в данном случае микросхема, которая преобразует код одной системы счисления в код другой системы. Наибольшее распространение в электронике получили шифраторы, преобразующие позиционный десятичный код, в параллельный двоичный. Вот так шифратор может обозначаться на принципиальной схеме.

К примеру, представим, что мы держим в руках обыкновенный калькулятор, которым сейчас пользуется любой школьник.

Поскольку все действия в калькуляторе выполняются с двоичными числами (вспомним основы цифровой электроники), то после клавиатуры стоит шифратор, который преобразует вводимые числа в двоичную форму.

Все кнопки калькулятора соединяются с общим проводом и, нажав, к примеру, кнопку 5 на входе шифратора, мы тут же получим двоичную форму данного числа на его выходе.

Конечно же, шифратор калькулятора имеет большее число входов, так как помимо цифр в него нужно ввести ещё какие-то символы арифметических действий, поэтому с выходов шифратора снимаются не только числа в двоичной форме, но и команды.

Если рассмотреть внутреннюю структуру шифратора, то несложно убедиться, что он выполнен на простейших базовых логических элементах .

Во всех устройствах управления, которые работают на двоичной логике, но для удобства оператора имеют десятичную клавиатуру, используются шифраторы.

Дешифраторы.

Дешифраторы относятся к той же группе, только работают с точностью до наоборот. Они преобразуют параллельный двоичный код в позиционный десятичный. Условное графическое обозначение на схеме может быть таким.

Или таким.

Если говорить о дешифраторах более полно, то стоит сказать, что они могут преобразовывать двоичный код в разные системы счисления (десятичную, шестнадцатиричную и пр.). Всё зависит от конкретной цели и назначения микросхемы.

Простейший пример . Вы не раз видели цифровой семисегментный индикатор, например, светодиодный. На нём отображаются десятичные цифры и числа к которым мы привыкли с детства (1, 2, 3, 4...). Но, как известно, цифровая электроника работает с двоичными числами, которые представляют комбинацию 0 и 1. Что же преобразовало двоичный код в десятичный и подало результат на цифровой семисегментный индикатор? Наверное, вы уже догадались, что это сделал дешифратор.

Работу дешифратора можно оценить вживую, если собрать несложную схему, которая состоит из микросхемы-дешифратора К176ИД2 и светодиодного семисегментного индикатора, который ещё называют «восьмёркой». Взгляните на схему, по ней легче разобраться, как работает дешифратор. Для быстрой сборки схемы можно использовать беспаечную макетную плату .

Для справки. Микросхема К176ИД2 разрабатывалась для управления 7-ми сегментным светодиодным индикатором. Эта микросхема способна преобразовать двоичный код от 0000 до 1001 , что соответствует десятичным цифрам от 0 до 9 (одна декада). Остальные, более старшие комбинации просто не отображаются. Выводы C, S, K являются вспомогательными.

У микросхемы К176ИД2 есть четыре входа (1, 2, 4, 8). Их ещё иногда обозначают D0 - D3 . На эти входы подаётся параллельный двоичный код (например, 0001). В данном случае, двоичный код имеет 4 разряда. Микросхема преобразует код так, что на выходах (a - g ) появляются сигналы, которые и формируют на семисегментном индикаторе десятичные цифры и числа, к которым мы привыкли. Так как дешифратор К176ИД2 способен отобразить десятичные цифры в интервале от 0 до 9, то на индикаторе мы увидим только их.

Ко входам дешифратора К176ИД2 подключены 4 тумблера (S1 - S4), с помощью которых на дешифратор можно подать параллельный двоичный код. Например, при замыкании тумблера S1 на 5 вывод микросхемы подаётся логическая единица. Если же разомкнуть контакты тумблера S1 - это будет соответствовать логическому нулю. С помощью тумблеров мы сможем вручную устанавливать на входах микросхемы логическую 1 или 0. Думаю, с этим всё понятно.

На схеме показано, как на входы дешифратора DD1 подан код 0101. На светодиодном индикаторе отобразится цифра 5. Если замкнуть только тумблер S4, то на индикаторе отобразится цифра 8. Чтобы записать число от 0 до 9 в двоичном коде достаточно четырёх разрядов: a 3 * 8 + a 2 * 4 + a 1 * 2 + a 0 * 1 , где a 0 - a 3 , - это цифры из системы счисления (0 или 1).

Представим число 0101 в десятичном виде 0101 = 0*8 + 1*4 + 0*2 + 1*1 = 4 + 1 = 5 . Теперь взглянем на схему и увидим, что вес разряда соответствует цифре, на которую умножается 0 или 1 в формуле.

Дешифратор на базе технологии ТТЛ - К155ИД1 использовался в своё время для управления газоразрядным цифровым индикатором типа ИН8, ИН12, которые были очень востребованы в 70-е годы, так как светодиодные низковольтные индикаторы ещё были очень большой редкостью.

Всё изменилось в 80-е годы. Можно было свободно приобрести семисегментные светодиодные матрицы (индикаторы) и среди радиолюбителей прокатился бум сборки электронных часов. Самодельные электронные часы не собрал для дома только ленивый.

Достоинства цифровых систем шифрации и дешифрации команд в аппаратуре дистанционного управления моделями уже были отмечены в литературе. Ниже описан еще один вариант комплекса шифратор-дешифратор на 15 дискретных команд, предназначенный для той же цели.

Схема шифратора изображена на рис. 1, а дешифратора - на рис. 2. Форма сигнала в некоторых характерных точках устройства показана на рис. 3.

На выходе шифратора команд действуют пачки импульсов отрицательной полярности (график 4 на рис. 3).

Частота повторения пачек импульсов равна f/32, где f - частота задающего генератора, выполненного на логических элементах DD1.1.DD1.2 (рис. I) по схеме симметричного мультивибратора.

С задающего генератора импульсы (график 1) поступают на счетчик DD2 и на элемент совпадения.DD4.1. Импульсы частотой f через этот элемент будут проходить тогда, когда триггеры DD3 и DD1.3.DD1.4 находятся в единичном состоянии (графики 2 и 3). Счетный триггер DD3 переключается после каждого 16-го импульса, поступающего на счетчик DD2. Свободные входы триггера DD3 объединены и подключены через резистор сопротивлением 1 кОм к плюсовому выводу источника питания. RS-триггер DD1.3.DD1.4 устанавливается в единичное состояние по нулевому уровню сигнала на выходе 0 (вывод 1) дешифратора DD5 и в нулевое состояние - по нулевому уровню сигнала на том из выходов дешифратора, который подключен к выводу 2 элемента DD1.4 через контакты одной из кнопок SB I-SB 15.

Число импульсов в пачке равно номеру нажатой кнопки. Если не нажата ни одна из кнопок, то шифратор вырабатывает пачки по 16 импульсов, так как RS-триггер DD1.3.DD1.4 не переводится в нулевое состояние.

Дешифратор команд собран на четы-рех микросхемах (рис. 2). Узел, собранный на элементах DD1.2.DD1.3. представляет собой селектор импульсов. За время между двумя импульсами отрицательной полярности частотой f конденсатор С1 не успевает зарядиться до напряжения, достаточного для того, чтобы перевести элемент DD1.2 в нулевое состояние, и на выходе элемента DD1.3 сохраняется уровень-сигнала, соответствующий логическому 0. В течение же промежутка времени между пачками импульсов конденсатор С1 заряжается до единичного напряжения на выводе 2 элемента DD1.2 (график 5) и на выходе элемента DD1.3 появляется сигнал 1 (график 6). Диод VDI обеспечивает быструю разрядку конденсатора С1.

По спаду импульсов с выхода элемента DD1.3 счетчик DD2 устанавливается в нулевое состояние, а из их фронтов дифференцирующая цепь C3.R4 формирует импульсы записи информации со счетчика DD2 в запоминающий узел на триггере DD3. При одном импульсе в пачке счетчик DD2 остается в нулевом состоянии, при двух он переходит в состояние 1, при трех - в состояние 2 и т. д.

К выходам дешифратора DD4 через промежуточное звено - электронное реле - подключают исполнительные устройства. Схема электронного реле изображена на рис. 4. Первое электронное реле подключают к выходу О (вывод 1) дешифратора DD4, второе - к выходу 1 и т. д. Шестнадцатое реле, подключенное к выводу 17, включено тогда, когда в шифраторе не нажата ни одна из кнопок. При таком построении приемника может быть включенным одновременно только одно исполнительное устройство. Оно включается на время нажатия кнопки в шифраторе команд в передатчике.

Для независимого включения и выключения исполнительных устройств независимо между дешифратором и каждым электронным реле надо включить RS-трнггер по схеме рис. 5. Входы триггеров присоединяют к двум соседним выходам дешифратора; например, входы S и R первого триггера подключают к выходам 0 и 1 дешифратора соответственно, второго - к выходам 2 и 3, третьего - к выходам 4 и 5 и т. д. Число исполнительных устройств при этом уменьшается вдвое. Конденсатор С1 необходим для установки RS-триггера в единичное состояние при включении питания.

Когда на выходе RS-триггера сигнал высокого уровня, то реле К1 обесточено. Если на некоторое время на вход R подать сигнал 0, триггер установится в нулевое состояние и реле К1 включится. Реле выключится тогда, когда нулевой уровень сигнала будет подан на некоторое время на вход S. Таким образом, команда по одному из каналов включает реле, а по соседнему - выключает. При необходимости часть электронных реле может быть включена по схеме рис. 4, а остальные - с RS-триггером. Реле К1 - РЭС15, паспорт РС4.591.003.

При проверке работоспособности устройства выход шифратора команд соединяют со входом дешифратора. Частота задающего генератора может быть выбрана другой, нужно только подобрать конденсатор С1 в дешифраторе команд (при большей частоте емкость конденсатора должна быть меньше). К стабильности частоты задающего генератора высоких требований не предъявляется.

Шифратор решает задачу, обратную дешифратору: в частности, на его выходах устанавливается двоичный код, соответствующий десятичному номеру возбужденного информационного входа.

При построении шифратора для получения на выходе натурального двоичного кода учитывают, что единицу в младшем разряде такого кода имеют нечетные десятичные цифры 1, 3, 5, 7, ..., т. е. на выходе младшего разряда должна быть 1, если она есть на входе № 1 или на входе № 3 и т. д. Поэтому входы под указанными номерами через элемент ИЛИ соединяются с выходом младшего разряда. Единицу во втором разряде двоичного кода имеют десятичные цифры 2, 3, 6, 7, . . .; входы с этими номерами через элемент ИЛИ должны подключаться к выходу шифратора, на котором устанавливается второй разряд кода. Аналогично, входы 4, 5, 6, 7,... через элемент ИЛИ должны быть соединены с выходом, на котором устанавливается третий разряд, так как их коды имеют в этом разряде единицу, и т. д.

Схема шифратора, построенная в соответствии с изложенным принципом, приведена на рис. 3.9,а, а условное изображение - на рис. 3.9, б, где E - вход разрешения работы, а Е 0 - выход, логический 0 на котором свидетельствует о том, что ни один информационный вход не возбужден. Для расширения разрядности (каскадирования) шифраторов вход E последующего шифратора соединяют с выходом E 0 .предыдущего. Если информационные входы предыдущего шифратора не возбуждены (E 0 =0), то последующий шифратор получает разрешение работать.

Применение шифраторов

Шифратор может быть организован не только для представления (кодирования) десятичного числа двоичным кодом, но и для выдачи определенного кода (его значение заранее выбирается), например, при нажатии клавиши с соответствующим символом. При появлении этого кода система оповещается о том, что нажата определенная клавиша клавиатуры.

Шифраторы применяются в устройствах, преобразующих один вид кода в другой. При этом вначале дешифрируется комбинация исходного кода, в результате чего на соответствующем выходе дешифратора появляется логическая 1. Это отображение входного кода, значение которого определено номером возбужденного выхода дешифратора, подается на шифратор, организованный с таким расчетом, чтобы каждый входной код вызывал появление заданного выходного кода.

3.1.2 Шифраторы

Шифрирование это способ сжатия данных за счет преобразования m -разрядного унитарного (десятичного) кода в n -разрядный двоичный или двоично-десятичный код (m > n ). Шифраторы (CD , coder ) выполняют функцию, обратную функции дешифратора. При поступлении сигнала на один из входов шифратора на его выходах формируется код, соответствующий номеру этого входа.

Полный шифратор (m – n ) имеет m = 2 n входов и n выходов, если m < 2 n , то шифратор не полный. Также он может быть неприоритетным, если разрешена подача только одного активного сигнала или приоритетным, если допускается подача одновременно нескольких активных сигналов на входы.

Принцип работы полного неприоритетного шифратора (4 – 2) поясняется таблицей истинности (таблица 1).

Таблица истинности неприоритетного шифратора (4 – 2) Таблица 1

Карты Карно для минимизации схемы шифраторов обычно не используются вследствие сложности составления при большом количестве переменных.

Из таблицы (1) следует, что младший разряд F 0 кода на выходе шифратора равен единице, когда на нечетных входах присутствует единица:

Старший разряд F 1 кода на выходе шифратора равен единице, когда на входах X 3 , X 2 присутствует единица:

Следовательно, схема шифратора (4 – 2) может быть реализована с помощью двух элементов 2ИЛИ (рис. 1, а).

Рис. 1 Схемы неприоритетного шифратора (4 – 2) на элементах 2ИЛИ (а), 2ИЛИ-НЕ (б)

Для инверсной записи (рис. 1, б):

Один из входных сигналов шифратора обязательно имеет единичное значение (таблица 1). Если на входах X 1 , X 2 , X 3 нулевые значения, это означает, ч то на входеX 0 логическая единица, соответствующая набору 0, и этот вход к схеме может быть не подключен (рис. 1, а). Аналогично для X 3 в схеме шифратора на рис. 1, б. Схемы шифраторов на рисунке отличаются зеркальной перестановкой входов (в обоих случаях младший разряд X 0 , старший X 3 ) и инвертированием выходных сигналов (рис.1, б).

У шифраторов обычно имеются служебные входы и выходы:

- Разрешающий (стробирующий) вход EI (EN ) для выбора времени срабатывания шифратора при условии EI =1, также для наращивания разрядности входного кода.

- Разрешающий выход EO (EN ), определяет отсутствие сигналов на всех информационных выходах (EO = 1). Используется для увеличения разрядности путем подключения дополнительных шифраторов, условие подключения EO =1.

- Разрешающий выход GS (CS ), указывает на наличие информационного сигнала хотя бы на одном входе, принимая значение GS = 1. Обеспечивает согласование работы шифратора и внешних устройств (микропроцессор). Может применяться в схеме наращивания разрядности шифратора для исключения ошибок преобразования кодов.

Одно из основных назначений шифратора – ввод данных в цифровые устройства с помощью клавиатуры. Шифраторы, которые при одновременном нажатии нескольких клавиш вырабатывают код только старшей цифры, называют приоритетными. Если эти шифраторы выявляют старшую (левую) единицу и формируют двоичный код соответствующего единице десятичного номера, то называются указателями старшей единицы (обозначение элемента HPR 1/ BIN ).

В таблице истинности указателя старшей единицы (таблица 2) символом «Х» обозначены значения входных переменных, которые не важны для устройства и могут быть равны 0 или 1. Интерес представляют единицы в старшем разряде соответствующего набора.

Символом « – » обозначены значения переменных, которые не поступают в шифратор, т.к. на разрешающем входе EI сигнал логического нуля, на выходе F 1 F 0 = 00.

Пример : если нажата клавиша старшего разряда Х 3 (набор 5), что соответствует кодам 3 10 = 11 2 , нажатие других клавиш должно игнорироваться.

В соответствии с правилом склеивания для выхода F 1 .

Вид урока: комбинированный урок.

Технология: личностно-ориентированная.

Время проведения: 45 минут.

Оборудование: компьютерный класс, оснащенный современной техникой и лицензированным программным обеспечением.

Цели урока:

• повторить способы представления информации в ЭВМ;
• сформировать первичное представление об устройстве компьютера, о назначении его составных частей;
• побудить интерес к изучению информатики.

Задачи урока:

Обучающая – формирование у учащихся представлений о единой картине мира (одинаковые способы кодирования информации различных видов).

Развивающая - развить логическое мышление школьников через установление причинно-следственных связей.

Воспитательные – воспитание познавательного интереса учащихся, умения слушать, аккуратности в работе, трудолюбия.

Подготовка к уроку.

Для урока были подготовлены:

Презентация, слайды, которые демонстрировались на экран с помощью проектора (приложение 1).

Электронная модель шифратора, построенная с помощью программы Excel. На рабочем листе размещена таблица истинности, логическая схема шифратора и смоделирована его работа (приложение 2).

Оформление доски.

На доске записаны тема урока, также план урока для учащихся:

1. Представление информации в ЭВМ.
2. Устройство для кодирования информации - шифратор.
3. Схема шифратора для кодирования числовой информации.

План урока для учителя.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Мотивационное начало урока.

Учитель. Тема сегодняшнего урока – “Шифраторы. Назначение и принцип построения”. В ходе урока мы с вами должны изучить устройство, с помощью которого информация попадает в компьютер. Но перед этим нам с вами необходимо вспомнить о способах представления информации в ЭВМ.

Вопрос. Информацию каких видов может обрабатывать современный компьютер?

Ответ. Числовую, текстовую, графическую и звуковую информацию. Информация каждого вида должна быть представлена в форме, понятной компьютеру

Вопрос. В каком виде данная информация представлена в компьютере?

Ответ. Числовая, текстовая, графическая и звуковая информация в компьютере представлена в виде двоичных кодов.

Вопрос. Почему для представления информации в ЭВМ был выбран именно двоичный код?

Ответ. Алфавит двоичного кода составляют символы 0 и 1. Технически реализовать два различных состояния значительно проще, например отсутствие напряжения может изображать 0, наличие – 1; участок поверхности магнитного диска (намагничен/не намагничен); участок поверхности лазерного диска (отражает/не отражает).

Вопрос. Назовите устройства для ввода информации в компьютер?

Ответ. Клавиатура, мышь, сканер, микрофон, фотоаппарат, видеокамера.

III. Объяснение темы урока.

Современный компьютер может обрабатывать, как мы уже знаем, числовую, текстовую, графическую и звуковую информацию. Информация для обработки должна быть представлена в виде понятной компьютеру. Мы также назвали устройства, с помощью которых информация вводится в компьютер. Это, прежде всего клавиатура. Рассмотрим, как преобразуется информация, прежде чем появиться на мониторе.

Из схемы, показанной на Рисунке 1 видно, что процессор компьютера обрабатывает информацию, только представленную в виде двоичных чисел и внутренних кодов. Информация с клавиатуры, прежде чем попасть на обработку в процессор поступает на кодирующее устройство - шифратор . Название “шифратор” связано с тем, что первые коды (шифры) появились еще в глубокой древности и использовались для засекречивания важных сообщений от тех, кому они не были предназначены. В задачу нашего кодирования входит не засекречивание сообщений, а иная цель: преобразовать входную информацию в вид понятный компьютеру. Предназначенное для этой цели кодирующее устройство (шифратор) сопоставляет каждому символу исходного текста определенное двоичное число (код). Далее информация в виде двоичного кода поступает на обработку в процессор. После обработки информация через дешифратор (устройство для обратного преобразования) поступает на устройство вывода. Рассмотрим более подробно устройство для кодирования числовой информации. Для ввода числовой информации в компьютер может быть использована обыкновенная клавиатура, которая содержит десятичные цифры. Как известно, основанием системы счисления является число знаков или символов, используемых для изображения цифр в данной системе счисления. Для десятичной системы счисления число таких символов десять, это - 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. В двоичной системе счисления таких знаков два – 0 и 1. Следовательно, кодирующее устройство (шифратор) должно преобразовать входную информацию в виде десятичного числа в двоичное число, т.е. каждой цифре десятичной системе счисления поставить в соответствие определенный код двоичного числа. Мы с вами знакомы с правилами перевода чисел из десятичной системы счисления в двоичную систему счисления. Также нам известно, что для представления цифры 9 в двоичной системе счисления необходимо четырехразрядное двоичное число. Составим таблицу истинности.

Таблица 1

В таблице записаны десятичные числа и им поставлены в соответствие двоичные. Проанализировав таблицу, можно сделать следующие выводы, необходимые для построения кодирующего устройства. Входное устройство должно содержать десять клавиш, от 0 до 9. На выходе устройства будет четырехразрядный двоичный код. Причем, на выходе первого разряда информация (логическая 1) будет, в случае если нажаты клавиши 1,3,5,7,9. На выходе второго разряда 1 будет в случае, когда нажаты клавиши 2,3,6,7. На выходе третьего разряда 1 будет в случае, когда нажаты клавиши 4,5,6,7. На выходе четвертого – когда нажаты клавиши 8 или 9. Для построения устройства нам необходимы логические элементы ИЛИ, которые объединят информацию с клавиш и выдадут ее на соответствующий разряд.

Схема такого устройства изображена на рисунке 2. Условное изображение шифратора, используемое на логических схемах, изображено на рисунке 3.

IV. Этап общения, систематизации знаний и закрепление изученного.

Учитель. Для закрепления изученного материала мы проверим работу шифратора на электронной модели. На электронной модели показано: таблица истинности шифратора, условное изображение на логических схемах, электрическая схема и клавиши ввода. Для проверки работы шифратора достаточно выбрать любую десятичную цифру и нажать соответствующую ей клавишу. На выходе шифратора появится двоичный код числа, причем единицы будут показаны красным цветом. Необходимо проверить соответствие полученного двоичного кода содержанию таблицы истинности. Приступим.

Ученики выполняют работу на компьютерах.

V. Подведение итогов. Домашнее задание.

Сегодня мы с вами познакомились с устройством, которое нашло широкое применение в современной технике. Каждый из нас с кодирующими устройствами сталкивается многократно в течение дня. Это, прежде всего, вычислительная техника, телефон, пульт дистанционного управления телевизором, микроволновая печь, стиральная машина и другие предметы бытовой техники.

В качестве домашнего задания я попрошу вас к следующему уроку повторить представленный материал, и определить в какой бытовой технике, не названной мною, нашли практическое применение шифраторы. Спасибо! До свидания!