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

Десятичное число	Двоичный код числа
	Четвертый разряд	Третий разряд	Второй разряд	Первый разряд
0	0	0	0	0
1	0	0	0	1
2	0	0	1	0
3	0	0	1	1
4	0	1	0	0
5	0	1	0	1
6	0	1	1	0
7	0	1	1	1
8	1	0	0	0
9	1	0	0	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!

При конструировании систем дистанционного управления, особенно у начинающих радиолюбителей, часто возникает вопрос: какой способ кодирования информации управления выбрать? Самые распространенные способы кодирования информации: число-импульсный и частотно-импульсный. В первом случае команда передается определенным количеством импульсов, которые "обрабатываются" дешифратором и распределяются по каналам исполнительных механизмов . Обычно такие системы кодирования выполняют полностью на микросхемах. Они многокомандные (от 4 до 16 команд). Настроить такую аппаратуру начинающему радиолюбителю трудно. А самое главное, при современной насыщенности диапазона 27-30 МГц аппаратура становится помехонезащищенной, особенно если она собрана по КМОП-технологии.

При частотно-импульсном способе кодирования каждая команда передается определенными частотами, отличающимися друг от друга. При частотно-импульсном кодировании аппаратура более устойчива к помехам. Основным недостатком аппаратуры является ограниченное число команд из-за сложности дешифратора. В дешифраторе используют LC-фильтры. Изготовить и настроить эти фильтры без определенных навыков и оборудования невозможно, это усложняет схему.

Предлагаю читателям несложную аппаратуру дистанционного управления. Она построена по принципу частотно-импульсного кодирования, собрана на микросхемах. Отличительными особенностями являются ее помехоустойчивость и отсутствие ЬС-фильтров в дешифраторе, что делает аппаратуру простой в наладке.

Шифратор (рис.1) собран на четырех микросхемах серии К555. На микросхеме DD1 собран задающий генератор частоты на 1 МГц, стабилизированный кварцевым резонатором ZQ1. На микросхемах DD2, DD3, DD4 собраны делители частоты . Не совсем стандартное включение микросхем выбрано для удобства монтажа и не несет никаких функциональных изменений. Импульсы с частотой следования 1 МГц поступают на вход С2 счетчика DD2 (выв.1).

Счетчик выполняет роль делителя частоты на 16. На выводе 12 DD2 появляется сигнал с частотой 62,500 Гц, который поступает на счетчики DD3 и DD4. На выводе 12 DD3 появляются импульсы с частотой 3906,25 Гц, которые формируют команду 5. На выводах 9, 8, 11, 12 DD4 появляются частоты 1953,125 Гц, 976,5525 Гц, 488,28125 Гц и соответственно образуют команды 3, 4, 1, 2, которые через переключатели S1...S4 подаются на модулятор передатчика при нажатии на одну из кнопок. В отжатом состоянии на модулятор подается команда 5, не несущая информации, так называемая команда сброса.

Для питания схемы использован стабилизатор DA1, так как передатчик обычно питается напряжением +9...12 В. Светодиод н1 служит индикатором включения схемы. Диод VD1 защищает схему от переполюсовки напряжения питания, С2, С3 - помехозащищающие конденсаторы.

Детали.

Резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,25. Конденсаторы типа КМ, микросхемы К555 можно заменить на микросхемы К155, но при этом ток потребления схемы увеличивается. Схема собрана на плате из текстолита размером 75х60 мм. На рис.2 приведена печатная плата шифратора.

Наладка. Правильно собранная схема наладки не требует. 0сциллографом и частомером проверяют наличие сигналов в контрольных точках схемы (рис.1): вывод 12 DD2, вывод 12 DD3, вывод 9, 8, 11, 12 DD4. Резисторы R1, R3 определяют стабильную работу задающего генератора. Это зависит от типа кварцевого резонатора.

Дешифратор (рис.3) собран на четырех микросхемах типа К555 и четырех транзисторах VT1 - VT4. Устройство имеет четыре идентичных канала. Рассмотрим работу одного из них. На элементе DD1.1 собран формирователь импульса, который формируется по переднему фронту входного импульса . На элементе DD2.1 собран узел сравнения. Входной импульс поступает на вход В1 (выв.10) микросхемы DD1 и на вывод 12 элемента DD2.1. По переднему фронту входного импульса одновибратора DD1.1 формируется импульс, длительность которого зависит от элементов R3, С1. Номиналы резисторов R3...R10 и конденсаторов С1...С4 подобраны таким образом, чтобы длительность команд шифратора совпадала с длительностью вырабатываемых импульсов одновибраторов дешифратора. На рис.4,а приведена диаграмма работы дешифратора при отсутствии команды.

При поступлении команды 1 на вход дешифратора (рис.4,б) на выводе 5 DD1.1 и на выводе 12 DD2.1 появляются импульсы одинаковой длительности. На выводе 11 DD2.1 при этом будет лог."0", транзистор VT1 закрыт, на выводе 8 DD3.1 - уровень лог."0". При поступлении на вход дешифратора любой другой команды на выводе 5 DD1.1 будут импульсы с постоянной длительностью, на выводе 12 DD2.1 будут импульсы с длительностью, отличной от длительности импульсов одновибратора DD1.1. На выводе 11 DD2.1 появляются импульсы, которые через выпрямитель с удвоением напряжения, С5, С6, VD1, VD2 открывают транзистор VT1, на выводе 8 DD3.1 появляется уровень лог.Т. Емкость конденсаторов С5 и С6 подобрана таким образом, чтобы при изменении длительности импульсов в пределах частот поступающих команд на базу транзисторов VT1 - VT4 поступало выпрямленное напряжение, не влияющее на работу элементов DD3.1 - DD3.4. Аналогично работают и остальные каналы дешифратора, настроенные на длительности соответствующих команд резисторами R3...R10 и конденсаторами С1 ...С4. При отсутствии команды управления на вход дешифратора поступает команда сброса, формирующая единицы на выходах DD3.1...DD3.4. При поступлении помех происходит то же самое, что и при поступлении команды сброса. Благодаря применению в дешифраторе вышеописанного способа, пропускная способность фильтров команд составляет от ±20 Гц (команда 1) до ±240 Гц (команда 4), а частоты команд в ЬС-фильтрах - от нескольких сотен герц и выше (в зависимости от типа схемы), что является еще одним поме-хозащищающим фактором.

Детали. Резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,25; подст-роечные резисторы типа СП5-1, СП5-2, СП5-3; конденсаторы С1-С3 типа КМ с наименьшим ТКЕ; диоды - КД503, КД509; транзисторы КТ315 с любым буквенным индексом.

Микросхемы серий К555 можно заменить на К155, К1533, микросхему К555ТЛ3 - на К135ЛА3, но при этом ухудшается "крутизна" фронтов импульса команды. Электролитические конденсаторы импортного производства. Схема собрана на плате из стеклотекстолита размером 75х60 мм (рис.5).

Наладка. Правильно собранная схема начинает работать сразу. После проверки правильности монтажа подключают настроенный шифратор к дешифратору. Подавая по очереди команды резисторами r4, R6, R8, R10, настраивают каналы дешифратора. Включение светодиодов Н1-Н2 облегчает процедуру наладки. При срабатывании команды соответствующий светодиод светится. Далее осциллографом контролируют импульсы соответствующего канала. Для первого канала на выводах 12, 13 DD2.1 длительности импульсов должны быть одинаковые, при этом на выводе 11 DD2.1 должен быть уровень лог."0". При необходимости более точно настройку повторяют резистором R4 и конденсатором С1. Остальные каналы настраивают идентично.

Литература:

1. Проскурин А. А. Модульная аппаратура радиоуправле-ния.М.: ДОСААФ СССР, 1988.

2. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы.-М.:Радио и связь,1989.

3. Миль Г. Модели с дистанционным управлением.-Л.: Судо-строение,1984.

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.

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.