Исследование логических элементов и устройств комбинационного типа

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

Методические указания

к лабораторной работе 7

по курсу «Электротехника и электроника»

для студентов всех специальностей Энгелъсского технологического института

Одобрено

редащионно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2006

Л а б о p a т о p н а я р а б о т а

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

И УСТРОЙСТВ КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

Цель работы: ознакомление с основными характеристиками простейших логических микросхем, основами синтеза сложных комбинационных схем, реализации логических функций.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Логические элементы. Логические элементы, построенные на базе импульсных электронных устройств, являются бесконтактными аппаратами, работящими в режиме ключа способные проводить простейшие логические операции над цифровой информацией и ее хранение (запоминающие элементы) или управление автоматическими электронными устройствами. Логическая операция преобразует по определенным правилам входную операцию в выходную. Информация представлена обычно в цифровом виде (в двоичном коде). в котором сигналы принимают только два значения: «О» (логический нуль) и "I" (логическая единица), соответствующие двум состояниям электронного ключа.

Электронным ключом называется устройство, которое под воздействием входного управляющего сигнала меняет свое сопротивление от очень малых значений (практически - КЗ) до очень больших значений (практически – разрыв цепи). Электронный ключ осуществляет коммутацию электрической цепи.

Классификация электронных ключей.

По способу подключения нагрузки:

-  параллельные,

-  последовательные,

-  параллельно-последовательные.

По виду управляющего сигнала:

-  потенциальные (связи между ключами гальванические, ключ управляется уровнями потенциалов),

-  импульсные (управляется импульсами определенной длительности, а связи между ключами по переменной составляющей через разделительные конденсаторы или трансформаторы).

-  импульсно-потенциальные.

Основной характеристикой является быстродействие транзисторного ключа, что достигается рациональным выбором параметров элементов.

Быстродействие транзисторного ключа характеризуется максимальной частотой переключения – Fmax.

Fmax = 1/Tmin.

Tmin = tз. вкл. + tф. вкл. + tр + tф. выкл. .

Tmin – суммарная длительность переходных процессов ключа,

Здесь:

-  tз. вкл. – время задержки включения;

-  tф. вкл. – длительность фронта включения;

-  tр - время рассасывания заряда в транзисторе;

-  tф. выкл. - длительность фронта выключения.

Желательно время коммутации электрических цепей уменьшать практически до 0, т. е. коммутировать цепь мгновенно (тогда возможно применение законов коммутации, изученных в предыдущем семестре). В этом случае достигается и высокое быстродействие ключа .

Уменьшение времени Tmin достигается путем подбора параметров схемы ключа и характеристик управляющего сигнала:

-  tз. вкл. – для низкочастотных транзисторов практически не учитывается, поскольку оно очень мало; для высокочастотных транзисторов – это время сравнимо с tф. вкл. , поэтому обязательно учитывается; для снижения tз. вкл. выбирают напряжение базы транзистора в 5-10 раз меньше напряжения коллектора ;

-  tф. вкл. и tф. вкл. – зависят от амплитуды входного (управляющего) сигнала, как было отмечено ранее;

-  tр - для ускорения рассасывания заряда в базе транзистора увеличивают ток базы.

Логические элементы предназначены для выполнения логических операций над двоичными переменными «0» и «1», которые соответствуют потенциалам напряжения U0 и U1.

Информация заключается в количестве таких «0» и «1» , а также их взаимном расположении.

Например:

21 = 1 * 24 + 0 * 23 +1 * 22 +0 * 21 +1 * 20 .

U

t

Любую функцию можно реализовать с помощью логических элементов:

« И », « ИЛИ », « НЕ » .

В интегральных комплексах выпускаются элементы:

« И, НЕ », « ИЛИ, НЕ » .

Особенности потенциального кодирования:

-  логические уровни передаются потенциалами – связи между элементами гальванические, что очень важно при изготовлении интегральных микро схем (ИМС);

-  потенциальное кодирование обеспечивается транзисторным ключем, т. е. простота реализации;

-  не предъявляется жестких требований к стабильности логических уровней (допускается технологический разброс параметров элементов ИМС, что обеспечивает простоту массового производства и высокую надежность).

Классификация логических элементов

( базовых ЛЭ)

Расшифровка сокращений на схеме:

-  БП – биполярные транзисторы;

-  МДПТ (ТЛ) – транзисторная логика (и входные и выходные операции выполняются на одних транзисторах);

-  НСТЛ – непосредственные связи,

-  РСТЛ – резистивные связи,

-  РКСТЛ – резисторно-конденсаторные связи;

-  ЭСЛ (ПТТЛ) – эмиттерно-связанная логика (переключательная транзисторная логика);

-  ДТЛ – диодно-транзисторная логика;

-  ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;

-  И2Л – интегральная инжекционная логика;

-  МДПТЛ – с каналами одного типа проводимости;

-  КМДПЛ – на комплементарных МДП транзисторах сканалами разной проводимости.

Параметры логических элементов

Логические элементы имеют единую систему параметров.

Основные параметры:

1.  Потребляемая мощность (Рпот),

2.  Напряжение источника питания ( Uпит),

3.  Потенциалы ( U0 , U1 )

4.  Быстродействие ( tзад. ср)

5.  Число входов ЛЭ ( m, Kобъединения)

6.  Нагрузочная способность по выходу ( n, Kразветвленности)

7.  Статическая помехозащищенность ( Uпомех , которая не приводит к ложному переключению ЛЭ)

Рассматривая лорические преобразования двоичных сигналов, следует помнить, что они включают три элементарные операции:

I) логическое сложение (дизъюнкцию), т. е. операцию «ИЛИ», обозначаемую знаками «+» или «»:

F = X1 + X2 + … + Xn ;

2) логическое умножение (конъюнкцию), т. е. операцию «И», обозначаемую знаками «» или «»:

F = X1 X2 … Xn ;

3) логическое отрицание (инверсию), т. е. операцию «НЕ», обозначаемую чертой над переменной:

F = .

Самостоятельное значение имеет логическая операция «ЗАПРЕТ», которая символически записывается в виде:

F = .

Логические элементы, реализующие операцию «ИЛИ» называют элементами ИЛИ, аналогично получили названия элементы И, НЕ, ЗАПРЕТ. Не рио.1 показаны условные обозначения основных логических элементов.

Рис.1. Условные обозначения логических элементов:

Xi - входные сигналы;

F - выходные сигналы.

Помимо рассмотренных логических элементов (ИЛИ, И, НЕ, ЗАПРЕТ) на
практике, широко применяют комбинированные элементы, реализующие две
и более логические операции, например, элементы И - НЕ (штрих Шефферда) и ИЛИ - НЕ (стрелка Пирса), которые имеют изображения на схемах согласно рис.2.

Рис. 2. Условные обозначения логических элементов И - НЕ и ИЛИ - НЕ.

Конструктивно логические элементы выполняются в одном корпусе как интегральная микросхема, имеющая набор элементов. Количество входов у логических элементов может быть большим (до 8 у интегральных микросхем). Состояние на выходе логического элемента в зависимости от состоянии входе характеризуют таблицы истинности. На рис. 3 приведены таблицы истинности логических элементов, которые легко заполняются с показа работы релейных эквивалентов.

Рис.3. Пример заполнения таблицы истинности логических элементов с помощью релейных эквивалентов:

а) логический элемент;

б) запись логической функции;

г) релейный эквивалент логического элемента;

д) таблицы истинности логических элементов.

Поясним пример заполнения таблицы истинности работой логического элемента ИЛИ и его релейного эквивалента. Для контактных реле цифра «I» означает, что цепь замкнута, цифра «0» - цепь разомкнута. Ана­логично для бесконтактных логических элементов, как показано выше, наличие напряжения на выходе или входе его принято обозначать «I», а его отсутствие «0». При разомкнутых Х1 и Х2, (см. рис. 3в) сигналы входа «0» и «0», катушка реле обесточена (соответствует сиг­нал «0») и на выходе реле контакт F разомкнут, т. е. сигнал «0» .(см. табл. рис. 3д). При сочетании X1=0, Х2=1, легко убедиться, что катушка F получает питание через контакт Х2, контакт выхода F замыкается, что соответствует сигналу выхода «1». Точно также за­полняется таблица истинности при Х1=1, Х2=0 и Х1=1, Х2=1. Аналогично заполняется таблицы истинности с помочью релейных экви­валентов для других логических элементов рис.3. Релейным эквивален­том логического элемента НЕ является схема вида рис.4.

Рис 4. Релейный эквивалент логического элемента (отрицание) НЕ:

а) схема; б) таблица истинности;

в) запись равенства алгебры логики.

В практике автоматики встречается логический элемент повторитель.

Рис.5. Релейный эквивалент:

а) схема; б) таблица истинности;
в) условное графическое обозначение логического
элемента повторитель.

Таблица истинности логического элемента ЗАПРЕТ имеет вид рис.6.

Рис.6. Таблица истинности логического элемента ЗАПРЕТ.

Триггеры. Как элемент цифровой техники (устройства с памяттью) в разряде импульсных устройств применяется триггер (от англ. Trigger - спусковой крючок).

Триггером называется устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием вневнего фактора. При устойчивом состояние равновесия после слабого внешнего воздействия устройство возвращается в исходное состояние, т. е. токи и напряжения принимают исходные значения в отличие от состояния не­устойчивого равновесия, при котором любое слабое внешнее воздействие нарушает это состояние. Переход триггера из одного устойчивого сос­тояния в другое происходит при условии, когда входной сигнал превысил пороговое значение. Конструктивно триггеры выполняются, как правило, в виде микросхем, построенных на основе логических элементов.

Триггер – это цифровой автомат с памятью и двумя равноправными устойчивыми состояниями, его последующее состояние зависит не только от входного сигнала, но и от предыдущего состояния.

Схемное обозначение триггера:

Классификация триггеров.

1.  По способу записи информации:

-  синхронные (тактируемые), кроме информационных входов имеют один или несколько входов синхронизации, информация в триггер записывается только при наличии сигнала синхронизации;

-  асинхронные ( не синхронизируемые), имеют только информационные входы, переключаются в новые состояния сразу с поступлением информационных сигналов.

2.  По способу синхронизации:

-  с потенциальными входами и синхронизацией, т. е., если подан сигнал синхронизации равный 1, то он воздействует на триггер в течение всего времени его существования;

-  с динамическими (импульсными) входами и синхронизацией, т. е., триггер воспринимает только тот входной сигнал, который совпал по времени с фронтом синхронизирующего.

3.  По функциональному назначению:

- RS – триггеры,

- T – триггеры,

- D – триггеры,

- JK – триггеры.

4.  По сложности построения:

- одно - ступенчатые,

- двух - ступенчатые.

Триггеры, как правило, строятся на основе логических элементов «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ».

Для примера приведем схему, условное обозначение и алгоритм работы

RS – триггера.

Функционирование триггера можно пояснить таблицей переходов, представленной выше.

Условное обозначение RS – триггера приведено ниже.

Временные диаграммы работы RS – триггера:

Регистр – цифровое устройство для регистрации (хранения) двоично кодированной информации и выполнения над ней различных операций. Относятся к цифровым устройствам накапливающего типа. Строятся на основе триггеров.

Основные операции, производимые с регистром:

a.  установка регистра в «0» состояние,

b.  прием слова в регистр и выдача его из регистра,

c.  преобразование двоичного кода из прямого в обратный и наоборот,

d.  сдвиг слова (числа) влево или вправо на требуемое число разрядов,

e.  преобразование последовательного кода в параллельный или наоборот.

Для примера приведем схему параллельного регистра с одноканальной (однофазной) записью:

Где:

f.  Сза – сигнал записи числа А в регистр,

g.  R – сигнал установки регистра в «0» состояние,

h.  Ссч – считывание из регистра обратного кода числа,

i.  Ссч А - считывание из регистра прямого кода числа.

Условное обозначение параллельного регистра на схеме имеет вид:

Сдвигающие регистры строятся на основе синхронных RS, D, JK триггеров.

Схема сдвигающего регистра на синхронных JK триггерах имеет вид:

Т. о. Регистры являются цифровыми устройствами накапливающего типа с памятью.

Счетчик – цифровой автомат (устройство), предназначенное для подсчета количества единиц информации, поступающей на его вход. Как правило счетчик строится на последовательно соединенных Т-триггерах со счетным входом.

Классификация счетчиков

1.  По назначению:

j.  суммирующие,

k.  вычитающие,

l.  реверсивные.

2.  По структуре построения:

m.  асинхронные с последовательным или сквозным переносом,

n.  синхронные с параллельным или сквозным переносом.

Для примера приведем схему асинхронного 3-х разрядного суммирующего счетчика с последовательным переносом.

Рассмотрим для примера работу синхронного счетчика со сквозным переносом.

Синхронный 2-х ступенчатый Т-триггер считает «1» на входе Т, только совпадающие с сигналом синхронизации «С» = «1».

Временная диаграмма работы представлена на рисунке.

Наиболее простыми являются счетчики с последовательным переносом.

Наиболее сложные – синхронные счетчики с параллельным переносом. Они имеют нерегулярную структуру.

Наибольшее быстродействие имеют счетчики с параллельным и сквозным переносом, наименьшее – с последовательным.

Таким образом, триггеры, регистры, счетчики - это комбинационные электронные устройства накапливающего типа с памятью. Они являются основными составными элементами различных цифровых вычислительных устройств.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Описание экспериментальной установки

Работа проводится на настольном стенде "Исследование логичес­ких элементов и устройств". На стенде имеется полная схема установки. Схема испытательной панели лабораторного стенда представлена на Рис. 11.

На панели рис. 11. расположены семь логических микросхем серии 155, имеющих характеристики согласно ниже следующей таблице.

Необходимые вольтметры для измерения напряжения U0 и U1 - цифровые настольные. Выводы источников U0 и U1 расположены на панели стенда. Напряжение питания Uип= 5 В . Монтаж логи­ческих устройств в соответствии с заданием ведется гибкими проводами со штекерами.

На панели стенда сигнал "I" фиксируется загоранием светодиода; сигнал "О" отсутствием загорания светодиода.

Поборы и методика измерения

.Для измерения сигнала U0 и U1 используется цифровой вольт­метр.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Сборку схемы проводите только на отключенном стенде от сети.

2. Стенд включает только преподаватель после проверки схемы.

3. При изменениях напряжения U0 и U1 провода держите за изолированные части, не касайтесь заземленных частей.

4.После окончания измерения выключите стенд.

Порядок выполнения работы

I. Перед выполнением работы внимательно изучить раздел «Основные по­нятия» и другие разделы.

2. Ознакомиться со стендом и схемой установки. Выбрать необходимые провода и приборы.

3. Определить значение Uвых устройства ЗИ - НЕ (К1551АЧ) при
различных комбинациях входных сигналов.

4. Заполнить таблицу истинности элемента 2И (KI55ЛИI).

5. Заполнить та-5лвц| истинности элемента ЗИ - НЕ (К155ЛА4).

6. Заполнить таблицу истинности элемента 2ИЛИ - НЕ (KI55ЛНl).

7. Заполнить таблицу истинности элемента IHЕ (K155ЛHl).

8. Собрать схему асинхронного RS-триггера на двух элементах
2ИЛИ - НЕ, проверить его работоспособность.

9. Собрать схему асинхронного RS-триггера c инверсными входами
на двух элементах 2И - НЕ, проверить его работоспособность.

10. С помощью двух инверторов перевести инверсный R S-триггер
в Т-триггер с прямыми входами.

СОДЕРЖАНИЕ И OФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет выполняется на основе общих требований, предъявляемых к каждому отчету. Кроме того, в отчет входит новый раздел "Основные понятия" с кратким изложением устройства и принципа действия трех логических элементов (ИЛИ, И, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и триггера). Задание согласовывается с преподавателем.

Отчет заканчивается выводами о реализации цели работы и прак­тической области применения логических элементов.

ВОРОСИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

I. Какие логические элементы являются универсальными?

2. Можно ли построить RS -триггер на элементах И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ?

3. Какие величины нельзя подавать на RS - триггер с прямыми входами?

4. Какие величины нельзя подавать на RS - триггер о инверсными вхо­дами?

5. Покажите условное графическое обозначение логического устройства
ЗИ-ИЛИ-НЕ.

6. Что такое возможность расширения по ИЛИ?

7. Какие логические устройства можно создать из трех элементов 2И-НЕ?

8. Можно ли соединить между собой два (или более) выхода логических
элементов?

9. Как работает Т-триггер?

10. Что такое импульсный вход?

11. Как работает RST-триггер?
12. Что такое синхронный триггер?

!

ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов / [и др.]. – Изд. 2-е. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 752 с.: илл. – (Высшее образование).

ISBN -5

Время, отведенное на лабораторную работу

Подготовка к работе	2 ак. Час.
Выполнение работы	2 ак. Час.
Обработка результатов экспериментов И оформление отчета	1 ак. Час.
Отчет о лабораторной работе	1 ак. Час.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЗЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Электротехника и электроника»

Составил: к. т.н. доцент САВИЛОВ Геннадий Владимирович

Рецензент

Корректор

Лицензия ИД № 000 от 14.11.01

Подписано в печать___________ Формат 60x84 1/16

Бум. тип. Усл. печ. л. ______ Уч.-изд. л.______

Тираж 200 экз. Заказ________ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054 7

Копипринтер СГТУ,