Набор по изучению работы логических элементов. Исследование логических элементов и синтез логических схем Отчет по исследованию логических элементов
1. Цель работы
Целью работы является:
Теоретическое изучение логических элементов, реализующих элементарные функции алгебры логики (ФАЛ);
Экспериментальное исследование логических элементов, построенных на отечественных микросхемах серии К155.
2. Основные теоретические положения.
2.1. Математической основой цифровой электроники и вычислительной техники является алгебра логики или булева алгебра (по имени английского математика Джона Буля).
В булевой алгебре независимые переменные или аргументы (X) принимают только два значения: 0 или 1. Зависимые переменные или функции (Y) также могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. Функция алгебры логики (ФАЛ) представляется в виде:
Y = F (X 1 ; X 2 ; X 3 ... X N).
Данная форма задания ФАЛ называется алгебраической.
2.2. Основными логическими функциями являются:
Логическое отрицание (инверсия)
Логическое сложение (дизьюнкция)
Y = X 1 + X 2 или Y = X 1 V X 2 ;
Логическое умножение (коньюнкция)
Y = X 1 · X 2 или Y = X 1 L X 2 .
К более сложным функциям алгебры логики относятся:
Функция равнозначности (эквивалентности)
Y = X 1 · X 2 + или Y = X 1 ~ X 2 ;
Функция неравнозначности (сложение по модулю два)
Y = X 1 · + · X 2 или Y = X 1 X 2 ;
Функция Пирса (логическое сложение с отрицанием)
Функция Шеффера (логическое умножение с отрицанием)
2.3. Для булевой алгебры справедливы следующие законы и правила:
Распределительный закон
X 1 (X 2 + X 3) = X 1 · X 2 + X 1 · X 3 ,
X 1 + X 2 · X 3 = (X 1 + X 2) (X 1 + X 3) ;
Правило повторения
X · X = X , X + X = X ;
Правило отрицания
X · = 0 , X + = 1 ;
Теорема де Моргана
Тождества
X · 1 = X , X + 0 = X , X · 0 = 0 , X + 1 = 1.
2.4. Схемы, реализующие логические функции, называются логическими элементами. Основные логические элементы имеют, как правило, один выход (Y) и несколько входов, число которых равно числу аргументов (X 1 ;X 2 ;X 3 ... X N). На электрических схемах логические элементы обозначаются в виде прямоугольников с выводами для входных (слева) и выходных (справа) переменных. Внутри прямоугольника изображается символ, указывающий функциональное назначение элемента.
На рис.1 ¸ 10 представлены логические элементы, реализующие рассмотренные в п.2.2. функции. Там же представлены так называемые таблицы состояний или таблицы истинности, описывающие соответствующие логические функции в двоичном коде в виде состояний входных и выходных переменных. Таблица истинности является также табличным способом задания ФАЛ.
На рис.1 представлен элемент “НЕ”, реализующий функцию логического отрицания Y = .
Элемент “ИЛИ” (рис.2) и элемент “И” (рис.3) реализуют функции логического сложения и логического умножения соответственно.
Функции Пирса и функции Шеффера реализуются с помощью элементов “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ”, представленных на рис.4 и рис. 5 соответственно.
Элемент Пирса можно представить в виде последовательного соединения элемента “ИЛИ” и элемента “НЕ” (рис.6), а элемент Шеффера - в виде последовательного соединения элемента “И” и элемента “НЕ” (рис.7).
На рис.8 и рис.9 представлены элементы “Исключающее ИЛИ” и “Исключающее ИЛИ - НЕ”, реализующие функции неравнозначности и неравнозначности с отрицанием соответственно.
2.5. Логические элементы, реализующие операции коньюнкции, дизьюнкции, функции Пирса и Шеффера, могут быть, в общем случае, n - входовые. Так, например, логический элемент с тремя входами, реализующий функцию Пирса, имеет вид, представленный на рис.10.
В таблице истинности (рис.10) в отличие от таблиц в п.2.4. имеется восемь значений выходной переменной Y. Это количество определяется числом возможных комбинаций входных переменных N, которое, в общем случае, равно: N = 2 n , где n - число входных переменных.
2.6. Логические элементы используются для построения интегральных микросхем, выполняющих различные логические и арифметические операции и имеющих различное функциональное назначение. Микросхемы типа К155ЛН1 и К155ЛА3, например, имеют в своем составе шесть инверторов и четыре элемента Шеффера соответственно (рис.11), а микросхема К155ЛР1 содержит элементы разного вида (рис.12).
2.7. ФАЛ любой сложности можно реализовать с помощью указанных логических элементов. В качестве примера рассмотрим ФАЛ, заданную в алгебраической форме, в виде:
Упростим данную ФАЛ, используя вышеприведенные правила. Получим:
(2)
Проведенная операция носит название минимизации ФАЛ и служит для облегчения процедуры построения функциональной схемы соответствующего цифрового устройства.
Функциональная схема утройства, реализующая рассматриваемую ФАЛ, представлена на рис.13.
Следует отметить, что полученная после преобразований функция (2) не является полностью минимизированной. Полная минимизация функции проводится в процессе выполнения лабораторной работы.
3. Описание обьекта и средств исследования
Исследуемое в лабораторной работе устройство представлено на рис.14.
3.1. Устройство представляет собой группу логических элементов, выполненных на микросхемах серии К155 (элементы ДД1¸ДД4).
Для микросхем данной серии логической единице соответствует напряжение U 1 = (2,4 ¸ 5,0) B, а логическому нулю - U 0 = (0 ¸ 0,8) В.
3.2. Логические “0” и “1” на входе элементов задаются с помощью кнопок, расположенных на передней панели блока К32 под надписью “Программатор кодов”. Номера кнопок на панели соответствуют номерам на схеме устройства.
Полное графическое изображение кнопок данного типа (так называемых “кнопок с фиксацией”) показано только для кнопки SA1.
При нажатой кнопке вход элементов через резистор R1 подключается к источнику с напряжением 5В. При этом на входе элементов будет действовать напряжение U 1 , что соотвествует подаче на вывод микросхемы логической единицы. При отжатой кнопке вход элемента будет соединен с шиной, находящейся под потенциалом земли, что соответствует подаче на вывод микросхемы логического нуля U 0 .
3.3. Логические сигналы с выводов элементов ДД1 ¸ ДД4 поступают на цифровые индикаторы и индуцируются в виде символов “0” и “1”. Цифровые индикаторы расположены в блоке К32 слева (кнопка “IO 2”) под индикаторами должна находиться в нажатом состоянии.
3.4. Сигнал с выхода элемента ДД5 через цепи коммутации подается на вход мультиметра Н3014. Предварительно мультиметр устанавливается в режим измерения постоянного напряжения “-V” и выпорлняются следующие подсоединения:
3.4.1. Вход - гнездо мультиметра “-V” - кабелем соединяется с гнездом “Выход V ~“ блока К32.
3.4.2. Гнездо XS1 на плате устройства проводником соединяется с левым гнездом под надписью “Вход 1” в поле надписи “Коммутатор”.
3.4.3. Кнопка “ВСВ ВНК” над указанным выше гнездом должна находиться в нажатом состоянии.
3.4.4. Кнопка “ВХ 1” под надписью “Контроль V ~“ должна находиться в нажатом, а кнопка “ВСВ ВНК” в поле надписи “КВУ” - в отжатом состоянии.
4.1. Исследование особенностей функционирования логических элементов ДД1 ¸ ДД4 и определение их функционального назначения.
4.1.1. Задавая различные комбинации входных логических сигналов, определить значение выходного сигнала и по результатам измерений заполнить таблицы истинности для каждого элемента ДД1 ¸ ДД4 (таблица 1 или таблица 2 соответственно) в лабораторном отчете.
Таблица 1.
Таблица 2.
4.1.2. По результатам измерений (п.4.1.1.) определить функциональное назначение элементов и проставить их обозначение на схеме в лабораторном отчете.
Внимание! Вноситьт обозначения в текст методических указаний категорически запрещается.
4.2. Исследование особенностей функционирования элемента ДД5, определение его функционального гназначения и измерение уровней напряжения, соответсствующих логическим сигналам “0” и “1”.
4.2.1. Задавая с помощью кнопки SA12 лоргические сигналы “0” и “1”, на входе элемента ДД5 по соотношению выходных сигналов определить его функциональное назначение (см.п.3.1.). Провести измерения величины напряжения на выходе элемента для каждой комбинации входных сигналов с помощью мультиметра (п.3.4.). Данные измерений занести в таблицу.
Таблица 3.
4.2.2. По результатам измерений (п.4.2.1.) определить уровни напряжений логического нуля U 0 и логической единицы U 1 для данного типа микросхем и установить их соответствие паспортным данным.
4.3. Провести полную минимизацию ФАЛ, представленной в п.2.7. По результатам минимизации составить функциональную схему устройства.
1. Название и цель работы
2. Схема исследуемого устройства
3. Таблицы 1,2,3
4. Результаты измерений U 0 и U 1 (п.4.2.2.)
5. Формулы для расчета и расчет по п.4.3., схема устройства
6. Выводы по работе
6. Контрольные вопросы
1. Какими значениями переменных оперирует алгебра логики?
2. Основные формы задания ФАЛ
3. Вид основных логических функций в алгебраической форме
4. Что такое “логический элемент”?
5. Какие логические функции выполняют элементы Пирса и Шеффера?
6. Чем определяется число возможных комбинаций входных переменных для произвольного логического элемента?
7. Список использованной литературы
Электротехника и основы электроники. О.А.Антонова, О.П.Глудкин и др., Под ред. проф. О.П.Глудкина.-М.:Высшая школа, 1993.
Лабораторная работа №2
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование функционирования типовых логических элементов; реализация основных и других функций на базовых элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ; применение логических элементов как коммутаторов сигналов.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Микросхемы типа ЛАвыполняют логическую функцию mИ - НЕ, ИС типа ЛЕ выполняют логическую функцию mИЛИ - НЕ (m - число входов), а ИС типа ЛН выполняют логическую функцию НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛАЗ содержится четыре логических элемента 2И-НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛЕ1 содержится четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛН1 содержится шесть логических элементов НЕ (инверторов). Микросхема ЛН1 имеет двухтактный выходной каскад. Условные обозначения и цоколевки микросхем ЛАЗ, ЛЕ1 и ЛН1 приведены на рис. 1.
Рисунок 1
Логические элементы называют еще вентилями (коммутаторами сигналов). Это объясняется тем, что они могут задерживать или пропускать цифровую информацию по принципу обычного вентиля, предназначенного для управления потоком жидкости. Условное обозначение вентиля 2И с сигналами на его входах и выходе и временные диаграммы его работы в качестве коммутатора приведены на рис. 2.
Рисунок 2
Если на верхний вход логического элемента 2И подать прямоугольные импульсы с генератора, а на нижний вход - уровень логической единицы, то импульсы с генератора будут проходить на выход логического элемента 2И (рис. 2). Это следует из закона функционирования элемента И. Если же логическую единицу на нижнем входе заменить логическим нулем, то импульсы с верхнего входа на выход логического элемента 2И проходить не будут, так как хотя бы один нуль на входе этого элемента дает нуль на выходе.
3. ОБОРУДОВАНИЕ
В качестве измерительной аппаратуры используются стенд ЦС-02.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
В работе используйте микросхемы K155JIA3, К155ЛЕ1, К155ЛН1.
1. Исследование функционирования логических элементов 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ и НЕ
1.1. Зарисуйте схемы для исследования логических элементов (см. рис. 3 а - в). Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.
1.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.
1.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выхода исследуемого логического элемента светодиодным индикатором или осциллографом. Заполните таблицы истинности элементов (табл. 1).
Таблица 1
| А | В | ЛА3 | ЛЕ1 | ЛН1 |
| Функция |
1.4. Убедитесь в правильности функционирования логических элементов.
Рисунок 3
2. Реализация основных функций на базовых элементах И-НЕ
2.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис. 4,а, 4,в. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.
Рисунок 4
2.2.Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.
2.3.Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Составьте таблицы истинности исследуемых схем.
2.4.Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.
2.5.Используя полученные таблицы истинности, определите вид функции, которую выполняет каждая схема и запишите название функции в графу «вид функции» таблиц.
3. Реализация основных функций на базовых элементах ИЛИ-НЕ
3.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис.5, а, б, в. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать и проставьте их номера на схеме.
Рисунок 5.
3.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.
3.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Заполните таблицы истинности исследуемых схем, аналогичные табл. 3...5.
3.4. Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.
3.5. Используя таблицы истинности, определите вид функции, которую выполняет каждая схема, и запишите название функции в графу «вид функции» таблиц.
4. Реализация функций различных типов на базовых элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ
4.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис.6, а, б. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.
Рисунок 6
4.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.
4.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Заполните таблицы истинности исследуемых схем.
4.4. Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.
5. Применение логических элементов в качестве коммутаторов сигналов
5.1. Зарисуйте схемы для исследования логических элементов (см. рис.7, а - г). Проставьте на них номера выводов выбранных для исследования логических элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать и проставьте их номера на схеме.
5.2. Соберите поочередно схемы, показанные на рис.7, а, в, если для контроля входных и выходных сигналов имеются только светодиодные индикаторы. При наличии осциллографа соберите схемы, показанные на рис.7, в, г.
5.3. Наблюдайте форму сигнала на входе А логических элементов и выходного сигнала С сначала при наличии логической единицы на входе В, а затем - при наличии логического нуля. Для этого подключите к выходу схем (рис.7, а, в) светодиодный индикатор. При исследовании схем (рис.7, в, г) вход первого канала осциллографа подключите ко входу А логического элемента, а вход второго канала - к выходу логического элемента. Синхронизируйте развертку осциллографа сигналом первого канала. Зарисуйте временные диаграммы (осциллограммы) сигналов на входах и выходе исследуемых элементов для обоих случаев (рис. 8 а, б).
5.4. Убедитесь в правильности функционирования логических элементов, как коммутаторов сигналов, теоретически проанализировав их работу.
Рисунок 7
Рисунок 8
Отчет по работе должен содержать:
Наименование работы и цель работы;
Исследуемые схемы;
Таблицы истинности;
Временные диаграммы;
Сравнение экспериментальных данных с результатами теоретического анализа;
Выводы по работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сколько различных комбинаций существует для четырех входных сигналов?
2. Как выглядит условное обозначение логического элемента ЗИЛИ?
3. Как изменится выходная функция логического элемента И-НЕ, если его входы проинвертировать?
4. Какие логические элементы инвертируют входные сигналы, когда пропускают их на выход?
5. Какие сигналы надо подать на два остальных входа логического элемента ЗИЛИ, чтобы импульсы с первого входа проходили на выход?
Е.Н. Малышева
Основы
Микроэлектроники
Лабораторный практикум
Тобольск - 2012
УДК 621.3.049.77
Печатается по решению кафедры технологии и технических дисциплин ТГПИ им. Д.И. Менделеева
Малышева Е.Н. Основы микроэлектроники. Лабораторный практикум: Учебное пособие. – Тобольск: ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2012. – 60 с.
Рецензент: Новоселов В.И., к.ф.-м. н., доцент кафедры физики и МПФ
© Малышева Е.Н, 2012
© ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2012
Пояснительная записка
Данное учебное пособие выполнено в виде рабочей тетради и предлагается в сопровождение к лабораторному практикуму для студентов педагогических вузов, изучающих основы микроэлектроники. Лабораторный практикум проводится с использованием стенда универсального и посвящен исследованию элементов, узлов и устройств цифровой техники.
1. Исследование работы основных логических элементов.
2. Исследование работы триггеров.
3. Исследование работы регистров.
4. Исследование работы комбинационных преобразователей кодов.
5. Исследование работы счетчиков.
6. Исследование работы сумматора.
7. Исследование работы арифметическо-логического устройства.
8. Исследование работы оперативного запоминающего устройства.
9. Исследование работы модели ЭВМ.
Каждая работа включает в себя следующие разделы:
Теоретический материал, освоение которого необходимо для выполнения работы;
Описание работы;
Вопросы к зачету данной работы.
Лабораторная работа № 1.
Исследование работы основных логических элементов
Цель работы: изучение принципов действия и экспериментальное исследование работы логических элементов.
Общие сведения
Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией. Их создают на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме, который характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» - «Отключено». Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, когда сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа. Эти два положения (логическая 1 и логический 0) составляют электронный алфавит, или основание двоичного кода.
На вход любого цифрового устройства поступает набор кодовых слов, которые оно преобразует в другие кодовые слова или слово. Кодовые слова на выходе являются некой функцией, для которой входные кодовые слова приходятся аргументом этой функции. Их называют функции алгебры логики.
Логические функции, как и математические, можно записать в виде формулы или таблицы – таблицы истинности, которая приводит все возможные сочетания аргументов и соответствующие им значения логических функций. Устройство, предназначенное для выполнения определенных функций алгебры логики, называется логическим элементом. Рассмотрим некоторые их них.
Логический элемент НЕ
логического отрицания (инверсии) . Логическим отрицанием высказывания A называется высказывание X, истинное в том случае, когда А ложно .
Логический элемент И
Предназначен для выполнения функции логического умножения (конъюнкции). Логическим умножением называют такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X истинно лишь в том случае, когда одновременно истинны оба высказывания.
Логический элемент И-НЕ
Предназначен для выполнения функции отрицания логического умножения (отрицания конъюнкции). Отрицанием умножения или функцией Шеффера называют такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X ложно лишь в том случае, когда одновременно истинны оба высказывания.
Порядок выполнения работы
Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П1, технологические карты I-1 − I-9.
1. Проанализируйте работу светодиодного индикатора стенда для определения уровней логических сигналов.
2. Исследуйте работу логических устройств, последовательно используя технологические карты. Выполните для каждой схемы следующие задания:
а. заполните таблицы истинности,
б. используя полученные данные, определите логические элементы,
в. назовите выполняемые ими функции алгебры логики,
г. обозначьте логические элементы на схеме соответствующими условными обозначениями,
д. запишите формулы, выражающие связь между входными и выходными характеристиками.
 |
Вопросы к зачету 1. Каковы назначение и область применения логических элементов? 2. Дайте определение основным логическим функциям. 3. По светодиодному индикатору определите уровень логического сигнала на выходе схемы. 4. Определите по выходным данным типы логических элементов в схеме. 5. По маркировке интегральных микросхем, расположенных на используемой плате, дайте их характеристику. Лабораторная работа № 2. Общие сведения Из логических элементов строятся более сложные цифровые устройства. Одним из наиболее распространенных узлов цифровой техники является триггер. Триггер – это устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способные под воздействием управляющего сигнала переходить скачком из одного состояния в другое. Каждому состоянию триггера соответствует определенный (высокий или низкий) уровень выходного напряжения, который может сохраняться как угодно долго. Поэтому триггеры называют простейшими цифровыми автоматами с памятью, т.е. их состояние определяется не только входными сигналами в данный момент времени, но и их последовательностью в предыдущие такты работы триггера. В настоящее время большинство триггеров выполняется на основе логических элементов в виде интегральных микросхем (ИМС). Они применяются как переключающие элементы самостоятельно или входят в состав более сложных цифровых устройств, таких как счетчики, делители частоты, регистры и др. По способу записи информации триггеры подразделяют на синхронные и асинхронные устройства. В асинхронных триггерах запись информации осуществляется непосредственно с поступлением входных сигналов. В синхронных (тактовых) триггерах информация будет записана только при наличии тактового синхроимпульса. По функциональному признаку различают триггеры: с раздельным запуском (RS-триггеры), с элементами задержки (D-триггеры), со счетным пуском (Т-триггеры), универсальные (JK-триггеры). Как правило, у триггера два выхода: прямой () и инверсный (). Состояние триггера определяется по величине напряжения на прямом выходе . Входы триггеров имеют следующие обозначения: S – раздельный вход установки триггера в единичное состояние; R – раздельный вход установки триггера в нулевое состояние; D – информационный вход; C – вход синхронизации; T – счетный вход и другие. Основой всех триггерных схем является асинхронный RS-триггер. Существует два типа RS-триггеров: построенных на логических элементах «ИЛИ-НЕ» и на логических элементах «И-НЕ». Они различаются уровнем активных сигналов и имеют свое обозначение (см. таблицу). RS-триггеры имеют режимы работы: установка в нулевое или единичное состояние, хранения, запрещенный режим. Запрещенная комбинация (на оба входа подаются активные сигналы) реализуется при подаче противоречивой команды: одновременно установиться в единичное и нулевое состояние. При этом на прямом и инверсном выходах реализуются одинаковые уровни напряжения, чего по определению не должно быть. Тактируемые D-триггеры имеют вход D для подачи информации (0 или 1) и синхровход С. На вход С подаются синхроимпульсы (С=1) от специального генератора импульсов. D-триггеры избавлены от запрещенной комбинации входных сигналов. Счетный Т-триггер имеет один управляющий вход Т. Смена состояний триггера происходит всякий раз, когда меняется управляющий сигнал. Т-триггеры одного типа реагируют на фронт импульса, т.е. на перепад 0-1, другие - на срез (перепад 1-0). В любом случае частота выходных импульсов в 2 раза ниже частоты входных. Поэтому Т-триггеры используются как делители частоты на 2 или счетчики по модулю 2. В виде ИМС триггеры этого типа не выпускаются. Их можно легко создать на основе D- и JK-триггеров. JK-триггеры относятся к универсальным, имеют информационные входы J и K и синхронизирующий вход С. Они используются при создании счетчиков, регистров и других устройств. При определенном переключении входов JK-триггеры могут работать как RS-триггеры, D- триггеры и Т-триггеры. Благодаря такой универсальности они имеются во всех сериях ИМС. Порядок выполнения работы Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П2, технологические карты II-1 − II-4. 1. Выделите в схеме триггер. 2. Выполните для каждой схемы следующие задания: а) запишите название триггера, б) составьте таблицу изменений состояний в зависимости от входных сигналов, активные сигналы обозначайте стрелкой ( - высокий уровень – логическая единица, ¯ - низкий уровень – логический ноль), в) определите тип входа (R или S), укажите эти обозначения в таблице и обозначьте на схеме (для карт II-1 и II-2), г) обозначьте режимы работы триггера, д) составьте временную диаграмму состояний триггера.
Триггер ______________________________________________________
Триггер ______________________________________________________
Триггер ______________________________________________________
Вопросы к зачету 1. Что такое триггер? 2. Объясните назначение входов триггеров. 3. Что такое активный уровень сигнала? 4. В чем отличие синхронных от асинхронных триггеров? 5. Объясните характер «запрещенного» состояния в RS-триггере. 6. Расскажите по диаграмме о состоянии триггера в каждый такт работы. 7. По маркировке интегральных микросхем, расположенных на используемой плате, дайте их характеристику. Лабораторная работа № 3. Общие сведения Регистр – это операционный узел, состоящий из триггеров и предназначенный для приема и хранения информации в двоичном коде . Длина кодовых слов, записываемых в регистр, зависит от количества составляющих его триггерных ячеек. Т.к. триггер может принимать в данное время только одно устойчивое состояние, то, к примеру, для записи 4-разрядного слова необходимо иметь регистр из четырех триггерных ячеек. По способу записи кодовых слов различают параллельные, последовательные (сдвигающие) и универсальные регистры. В параллельных регистрах запись кодового слова осуществляется в параллельной форме, т.е. во все триггерные ячейки одновременно. В последовательном регистре запись кодового слова происходит последовательно, начиная с младшего или старшего разряда. Все триггеры, входящие в состав регистра, объединены общим входом синхронизации, некоторые типы схем имеют общий вход R для операции обнуления.
Порядок выполнения работы Оборудование: стенд универсальный, блок питания, платы П2, П3, перемычка, технологические карты II-5, II-6, III-1, III-2. 1. Запишите название устройства с указанием его разрядности. 2. Проанализируйте работу двухразрядных регистров. 3. Выполните для каждой схемы следующие задания: а) запишите название регистра, б) запишите в регистр несколько различных кодовых слов, результаты внесите в таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов, в) нарисуйте условное обозначение устройства, II-5 (П2) |
II-6 (П2)
_______________________________________________________________
Вывод: ________________________________________________________
________________________________________________________
4. Для четырехразрядных регистров выполните задания:
а) запишите название регистра с указанием его разрядности,
б) зарисуйте внутреннюю логическую структуру,
в) запишите в регистр несколько различных кодовых слов, результаты внесите в таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов,
г) сделайте вывод: за сколько тактов записывается в данном регистре одно кодовое слово.
III-1 (П3)
_______________________________________________________________
| Вход | Выходы | |||
| D | Q4 | Q3 | Q2 | Q1 |
 |
| Вход | Выходы | |||
| D | Q4 | Q3 | Q2 | Q1 |
Вывод: _________________________________________________________
_________________________________________________________
III-2 (П3)
_______________________________________________________________
| Входы | Выходы | ||||||
| D4 | D3 | D2 | D1 | Q4 | Q3 | Q2 | Q1 |
Вывод: ___________________________
___________________________
Вопросы к зачету
1. Какое устройство называется регистром? Для чего он предназначен?
2. Какие типы регистров знаете? Чем они различаются?
3. Объясните понятие «разрядность». Что означает выражение «4-разрядный регистр»?
4. Каким образом необходимо изменить функциональную схему, чтобы из двухразрядного регистра получить четырехразрядный?
5. Сколько разных слов можно записать с помощью 2- (4-) разрядного регистра?
6. Объясните на каждой функциональной схеме, как вы осуществляли запись кодового слова?
Лабораторная работа № 4.
Общие сведения
Комбинационные преобразователи кодов предназначены для преобразования m-элементного параллельного кода на входах цифрового автомата в n-элементный код на его выходах, т.е. для преобразования кодового слова из одной формы в другую. Связь между входными и выходными данными можно задать с помощью логических функций или таблиц истинности. Наиболее распространены такие типы преобразователей кодов, как шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры.
Шифраторы используются в системах ввода информации для перевода единичного сигнала на одном из его входов в многоразрядный двоичный код на выходах. Так, сигнал от каждой клавиши на клавиатуре, обозначающей цифру или букву, поступает на соответствующий вход шифратора, а на его выходе этот символ отображается в двоичного кодового слова. Дешифраторы выполняют обратную операцию и используются в системах вывода информации. Для визуальной оценки выведенной информации дешифраторы используют вместе с системами индикации. Одним из типов индикаторов являются 7-сегментные индикаторы на светодиодах или жидких кристаллах. Для этого выходные сигналы дешифратора переводятся в код 7-сегментного индикатора.
Мультиплексоры решают задачу выбора информации от нескольких источников, демультиплексоры – задачу распределения информации по нескольким приемникам. Эти устройства используются в процессорных системах цифровой техники для связи отдельных блоков процессора между собой.
Порядок выполнения работы
Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П4, технологические карты IV-1, IV-2, IV-3.
1. Проанализируйте работу дешифратора.
2. Выполните для схем IV-1 и IV-2 следующие задания:
а) составьте таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов,
б) сделайте вывод: из какой системы кодирования в какую устройство переводит?
в) сколько разрядов имеет двоичное число в схеме IV-2? Какую задачу выполняет тумблер SA5?
Мультиплексор
3. Проанализируйте работу схемы, содержащей мультиплексор и выполните задания:
а) найдите на схеме мультиплексор,
б) проверьте, откуда информация поступает на входы мультиплексора,
в) проверьте, с помощью какого устройства задается адрес мультиплексору,
г) задайте мультиплексору адрес того информационного входа, сигнал с которого вы хотите послать на его выход,
д) заполните таблицу зависимости выходного сигнала от входной информации и заданного мультиплексору адреса, вводя различные адреса и подавая различную информацию на входы.
| Адрес | № D-входа, соеди-нившегося с выходом | Входная информация | Выход Y | |||||||||
| А2 | А1 | А0 | D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | ||
Вопросы к зачету
1. Какое устройство называется дешифратором? Для чего он предназначен?
2. Какое устройство называется мультиплексором? Для чего он предназначен?
3. Какие тип индикации используется в схеме IV-2?
4. Что означает выражение «двоичная система кодирования информации» (десятичная, шестьнадцатиричная)?
Цель работы : 1) изучение принципов построения серийных логических микросхем;
2) исследование логических функций одного и двух переменных и их реализация.
Общие сведения:
Логические элементы (ЛЭ) широко применяются в автоматике, вычислительной технике и цифровых измерительных приборах. Их создают на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме, при котором уровни сигналов могут принимать только два значения. В положительной логике принято, что высокий уровень сигнала соответствует логической единице (1), а низкий – логическому нулю (0).
Логическая функция выражает зависимость выходных логических переменных от входных и принимает значения 0 или 1. Любую логическую функцию удобно представить в виде таблицы состояний (таблицы истинности), где записываются возможные комбинации аргументов и соответствующие им функции.
Работу логических устройств анализируют с помощью алгебры логики (булевой алгебры), где переменная может принимать только два значения: 0 или 1.
Основными логическими операциями являются (табл.1):
1) логическое умножение: y =x 1 ·x 2 ·...·x n (читается “и х 1 , и х 2 ,..., и х n ”);
2) логическое сложение: y =x 1 +x 2 +...+x n (читается “или х 1 , или х 2 ,..., или х n ”);
3) логическое отрицание: (читается “не х ”).
Как видно из табл.1, выходной сигнал у элемента ИЛИ равен 1, если хотя бы один из его входов подан сигнал 1. Элемент И выдает 1, если на все входы поданы сигналы 1.
Все возможные логические функции n переменных можно образовать с помощью комбинации трех основных операций: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому такой набор называют логическим базисом или функционально полным. Используя законы булевой алгебры (табл. 1), можно доказать, что таковыми являются наборы из одной функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
В базовых элементах одной серии использована одинаковая микросхемная реализация. Серия характеризуется общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами.
Интегральные микросхемы серии 155 представляют собой транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) элементы с 14 или 16 выводами. Базовым элементом серии является логический элемент И-НЕ, состоящий из многоэмиттерного транзистора VT1 и сложного усилителя-инвертора.
Таблица 1
| Тип Элемента | Логическая функция (операция) | Обозначение Логической Операции | Таблица истинности | Условное Изображение | ||||
| x 1 | ||||||||
| x 2 | ||||||||
| Элемент НЕ (инвертор) | Логическое Отрицание, Инверсия | ùx | x | X 1 y | ||||
| Элемент И (конъюнктор) | Логическое умножение, Конъюнкция | x 1 ·x 2 x 1 x 2 x 1 Ùx 2 x 1 &x 2 | x 1 ·x 2 | x 1 & y x 2 y=x 1 ×x 2 | ||||
| Элемент ИЛИ (дизъюнктор) | Логическое сложение, Дизъюнкция | x 1 +x 2 x 1 Úx 2 | x 1 +x 2 | x 1 1 y x 2 y=x 1 +x 2 | ||||
| Элемент И-НЕ (элемент Шеффера) | Отрицание конъюнкции | _____ x 1 ·x 2 | _____ x 1 ·x 2 | x 1 & y x 2 y= | ||||
| Элемент ИЛИ-НЕ (элемент Пирса) | Отрицание дизъюнкции | _____ x 1 +x 2 | _____ x 1 +x 2 | x 1 1 y x 2 y= |
В настоящее время применяется несколько разновидностей серий микросхем с элементами ТТЛ: стандартные (серии 133; К155), высокого быстродействия (серии 130; К131), микромощные (серия 134). Кроме расширения номенклатуры элементов серий К531 и К555 сейчас активно развиваются наиболее перспективные серии ТТЛШ - микромощная К1533 и быстродействующая К1531, выполненные на основе последних достижений технологии изготовления ИС - ионной имплантации и прецизионной фотолитографии.
В последние годы получили развитие программируемые логические элементы, на которых с помощью программаторов можно построить многие цифровые устройства.
Любая сложная логическая функция может быть реализована с помощью ЛЭ, выполняющих элементарные функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Пусть требуется составить комбинационную схему с четырьмя входами x 1 , x 2 , x 3 , x 4 и одним выходом y . Высокий уровень напряжения должен появляться на выходе только при наличии высоких уровней на трех входах, т.е. y =1 при x 1 =x 2 =x 3 =1 и x 4 =0. Такую схему можно составить путем подбора элементов. Например, элемент 3И-НЕ при подаче на его входы x 1 =x 2 =x 3 =1 дает на выходе сигнал y 1 =0. Подавая его и x 4 =0 на вход элемента 2ИЛИ-НЕ, получаем y =1(рис.1).
Порядок выполнения эксперимента:
1) Установить блок логических элементов (ЛЭ).
2) Подключить источник питания ГН1 к гнёздам "5В".
3) Изучить принцип работы ЛЭ. Для этого подавать на их входы сигналы (0 или 1). Выходы контролировать при помощи логического тестера.
4) Собрать на ЛЭ комбинационные схемы (рис.2).
 |
Проверить их работу. Составить таблицы истинности исследуемых схем.
1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Схемы логических элементов.
4. Таблицы истинности.
5. Вывод по работе.
В выводе указать назначение логических элементов и область их применения.
Контрольные вопросы:
1. Какие операции алгебры логики Вы знаете?
2. Приведите примеры простейших цифровых устройств на основе логических элементов.
3. Поясните работу базовых логических элементов.
4. Как классифицируются ЛЭ по микросхемной реализации.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРОВ НА ЛОГИЧЕСКИХ ИМС .
Цель работы: изучение схем и функциональных возможностей основных типов триггеров; экспериментальное изучение триггеров и схем управления.
Лабораторная работа №2
Литература:
2. В.С. Ямпольский Основы автоматики и ЭВТ. – М.: Просвещение. - 1991. - §3.1 ‑3.4
Ход работы:
- Включить терминал, подключиться к локальной сети и загрузить сайт «Основы микроэлектроники». Выбрать номер лабораторной работы, зарегистрироваться и приступить к выполнению заданий согласно появляющимся на экране инструкциям и данному описанию.
- В каждом из 10 заданий выделить из приведенной схемы цифрового автомата узел, содержащий только логические элементы, и изобразить его принципиальную схему, используя УГО российского стандарта
- Смоделировать работу каждой схемы средствами Electronic Workbench и составить таблицу истинности исследуемого устройства
- Определить логическую функцию исследуемого устройства и привести его условное графическое изображение (УГО)
- В каждом задании составить дополнительно две схемы реализации той же логической функции на элементах 2И-НЕ (элемент Шеффера) и элементах 2ИЛИ-НЕ (элемент Пирса), используя минимальное количество вентилей
- В задании 11 по аналогии с предыдущими схемами дополнить приведенное устройство схемой узла, позволяющего подавать на входы Х1¸Х3 произвольную комбинацию логических сигналов и индицировать состояние каждого входа и выхода. Исследовать работу схемы аналогично предыдущим заданиям
Отчет к каждому заданию лабораторной работы оформлять по образцу, приведенному в ПРИЛОЖЕНИИ 1.
При защите работы уметь объяснить каждый из полученных результатов.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Фрагмент отчета (на примере одного задания)
Задание 1.
Пример схемы, приведенной в задании.
В таком виде перерисовывать её не нужно !
Фрагмент отчета по данному заданию приводится ниже.
Задание 1: выполняемая схемой функция ‑ «2И-НЕ»
Схема: УГО: Таблица истинности:
«2И-НЕ» на элементах Шеффера. «2И-НЕ» на элементах Пирса.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
УГО и таблицы истинности некоторых логических элементов
1. Элемент «2И-НЕ»
2. Элемент «2ИЛИ-НЕ»
3. Элемент «исключающее ИЛИ»
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Примеры условных графических обозначений логических элементов по ГОСТ (российский стандарт) и ANSI (American National Standard Institute)
| УГО по ANSI | УГО по ГОСТ | Функциональное назначение |
| «2И» (2-Input AND Gate) | ||
| «3И» (3-Input AND Gate) | ||
| «2И-НЕ» (2-Input NAND Gate) | ||
| «2ИЛИ» (2-Input OR Gate) | ||
| «2ИЛИ-НЕ» (2-Input NOR Gate) | ||
| «3ИЛИ-НЕ» (3-Input NOR Gate) | ||
| «НЕ» (NOT Gate) | ||
 | «исключающее ИЛИ» (2-Input XOR Gate) | |
| «исключающее ИЛИ-НЕ» (2-Input XNOR Gate) | ||
| 6-входовый сумматор по модулю 2 (6-Input XOR Gate) |
Лабораторная работа № 3.
Исследование триггеров RS-, RST-, D- и JK-типов.
Литература:
1. А.А. Коваленко, М.Д. Петропавловский. Основы микроэлектроники: Учебное пособие. ‑ Барнаул: Изд‑во БГПУ, 2005. – 222 с.
2. В.С. Ямпольский. Основы автоматики и электронно-вычислительной техники. – М.: Просвещение. – 1991. – 223 с.
4. Руководство к выполнению виртуальных лабораторных работ с помощью программы моделирования электрических схем Electronic Workbench 5.12
Ход работы:
- Включить терминал, подключиться к локальной сети и загрузить сайт «Основы микроэлектроники». Выбрать номер лабораторной работы, зарегистрироваться и приступить к выполнению заданий согласно появляющимся на экране инструкциям и данному описанию
- Исследуйте работу асинхронного RS-триггера с инверсными входами на логических элементах 2И-НЕ.
Пользуясь программой Electronics Workbench, соберите схему триггера, приведенную на рисунке.
Для управления триггером используйте переключатели (Switch), подсоединяющие входы к клемме плюса питания (V cc) либо к клемме земли (Ground), а для индикации состояния входов и выходов – пробники (соответственно Green Probe и Red Probe).
Исследование провести в следующем порядке:
Таблица состояний триггера
| № комбинации | Операция | ||
| Установка выхода | |||
В сокращенном варианте таблицу состояний RS-триггера с инверсными входами принято изображать в следующем виде (при данной комбинации входных сигналов выход Q устанавливается в указанное состояние независимо от его предыдущего состояния):
Здесьсимвол (t+1) означает состояние триггера «в следующем такте», т.е. после установления выхода в соответствии со входными сигналами
Примечание: (в этой и других подобных таблицах приняты следующие обозначения ):
- Исследуйте работу асинхронного RS-триггера с прямыми входами на логических элементах 2И-НЕ.
Для этого добавьте к собранной схеме еще 2 элемента 2И-НЕ, чтобы получить триггер с прямыми входами (см. рисунок), и на основе эксперимента в среде Electronics Workbench по аналогии с предыдущим заданием заполните таблицу его состояний
- Исследуйте работу синхронизируемого RS-триггера (RST-триггера).
 |
Для этого откройте схему RST-триггера (файл E:\MeLabs\Lab3\rst_trig_analis.EWB), ко входам которого подключен генератор слова (Word Generator), а все входные и выходные сигналы контролируются логическим анализатором (Logic Analyzer). Разверните панель генератора слова и установите для него режим пошаговой работы (Step). Введите в память генератора 16-ричные коды слов Вашего варианта. Разверните панель логического анализатора. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Зарисуйте в тетрадь полученные логическим анализатором диаграммы. Заполните потактовую таблицу состояний триггера.
Таблица состояний триггера
| Информац. сигнал | Номера тактов | |||||||||
| C | ||||||||||
| R | ||||||||||
| S | ||||||||||
| Q |
- Исследуйте работу статического и динамического D‑триггеров. Откройте схему параллельно включенных статического и динамического D‑триггеров (файл E:\MeLabs\Lab3\D_trig.EWB), ко входам которых подключен генератор слова (Word Generator), а все входные и выходные сигналы контролируются пробниками.
 |
Разверните панель генератора слова. Из таблицы состояний выпишите по тактам двоичные коды слов и, преобразовав их в 16-ные, введите в память генератора слов. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Заполните потактовую таблицу состояний триггеров.
Таблица состояний триггеров
| Информац. сигнал | Номера тактов | |||||||||
| C | ||||||||||
| D | ||||||||||
| Q стат. | ||||||||||
| Q дин. |
- Откройте схему JK-триггера с динамическим управлением (jk_триг_анализ).
 |
Разверните панель генератора слова и установите для него режим пошаговой работы (Step). Введите в память генератора 16-ричные коды слов Вашего варианта. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Зарисуйте в тетрадь полученные логическим анализатором диаграммы. Заполните потактовую таблицу состояний триггера.
Таблица состояний триггера
| Информац. сигнал | Номера тактов | |||||||||||
| C | ||||||||||||
| J | ||||||||||||
| K | ||||||||||||
| Pre | ||||||||||||
| Clr | ||||||||||||
| Q |
Замечание: В отличие от ранее исследовавшихся схем в этом задании исследуется работа конкретной микросхемы 7476 (Dual JK MS‑SLV FF (pre, clr)), в связи с чем при моделировании необходимо к соответствующим выводам подключить источник питания Vcc и заземление GND. В задании задействованы выводы только одного из JK-триггеров (первого). Входы Pre (предустановка) и Clr (очистка) играют роль установочных входов S и R соответственно.
- Выберите из библиотеки Digital интегральную схему JK-триггера 7472 (And‑gated JK MS‑SLV FF (pre, clr)) и соберите на ней схему счетного триггера. Обратите внимание, что на информационных входах используется логика 3И. Вывод NC микросхемы – свободный (не используется).
Подайте на вход триггера однополярные амплитудой 5 В прямоугольные импульсы от функционального генератора требуемой частоты, получите осциллограммы входного и выходного сигналов. Продемонстрируйте их преподавателю.
