Школьный прибор «Логика» |
название работы
Авторы:
средняя школа №17 г. Петушки,
11класс
Научный руководитель :
учитель физики и информатики, средняя школа №17 г. Петушки высшая категория
2008 год
Содержание
1. Введение …………………………………………………………………. 3
2. Общие сведения о цифровых сигналах и цифровых устройствах…….. 4
3. Что такое логический элемент компьютера…………………………….. 6
4. Структура микросхем логических элементов. Основные параметры, характеризующие работу микросхем……………………………………. 8
5. Одноразрядный сумматор (полусумматор)………………………….. … 10
6. Интегральные триггеры. Общие сведения…………………………………. 12
7. Структура и особенности срабатывания интегральных триггеров……. 15
8. Разработка школьного лабораторного прибора «Логика»……………… 19
9. Принципиальная электрическая схема школьного прибора «Логика»… 20
10. Приложения…………………………………………………………………21
11. Используемая литература…………………………………………………..
Введение
Изучая на уроках тему «Логические основы компьютера» мы познакомились с математическим аппаратом логики, который очень удобен для описания того, как функционируют аппаратные средства компьютера, поскольку основной системой счисления в компьютере является двоичная система, в которой используются 1 и 0, а значения логических переменных тоже два: «1» и «0».
Из этого следует два вывода:
- одни и те же устройства компьютера могут применяться для обработки и хранения как числовой информации, представленной в двоичной системе счисления, так и логических переменных.
- на этапе конструирования аппаратных средств алгебра логики позволяет значительно упростить логические функции, описывающие функционирование схем компьютера, и, следовательно, уменьшить число элементарных логических элементов, из десятков тысяч которых состоят основные узлы компьютера.
Для того чтобы лучше понять, как работают элементарные устройства, составляющие компьютер (логические элементы, триггеры и полусумматором) мы решили глубже познакомиться с теорией о данных устройствах, выходя за рамки школьного курса. И поставили целью работы создание школьного прибора, который позволил бы учащимся на практике проверять работу данных устройств, строить таблицы работы (истинности) и познакомится с режимами работы отдельных устройств. Это прибор мы назвали «Логика» и разработали к нему практические работы.
Общие сведения о цифровых сигналах и цифровых устройствах.
Устройства, предназначенные для передачи, приема и обработки цифровой информации (т. е информации, представленной кодовыми словами), называются цифровыми устройствами.
В современных цифровых устройствах (ЦУ) мы имеем дело лишь с двумя видами сигналов: логический 0 и логическая 1. Эти сигналы могут быть представлены двумя способами:
1. Потенциальный, когда сигналу логического 0 соответствует один уровень постоянного напряжения, а сигналу логической 1 – другой. Причем все ЦУ делятся на две группы:
- с положительной логикой сигналов, когда сигналу логического 0 соответствует низкий уровень напряжения, а сигнал логической 1 – более высокий уровень. Например для широко распространенных в настоящее время микросхем серии 555 сигналу логического 0 соответствует напряжение не более 0,4 В, а сигналу логической 1 - напряжение не менее 2,4 В. ЦУ с положительной логикой получили наибольшее распространение.
Любая информация в ЦУ может быть представлена совокупностью определенного количества сигналов логического 0 и логической 1 в двух формах:
а) последовательной, когда в одной цепи идет последовательное чередование сигналов через временные интервалы t, например, (рис 1)
б) параллельной, когда в разных нескольких цепях одновременно действуют соответствующие сигналы: каждый в своей цепи.
Такая комбинация цифровых сигналов, несущая какую либо информацию называется кодовым словом.
- отрицательной логикой сигналов, когда сигналу логического 0 соответствует высокий уровень напряжения, а сигналу логической 1 – более низкий уровень.
2. Импульсный, когда сигналу логической 1 соответствует наличие импульса, а сигналу логического 0 – отсутствие импульса. В этом случае кодовое слово будет иметь вид (рис 2). В ЦУ в качестве импульсных сигналов, как правило, используют прямоугольные импульсы, которые вырабатываются импульсными генераторами.
По способу функционирования ЦУ могут быть двух видов:
1. Комбинационные ЦУ, не обладающие памятью. Здесь значение сигналов на выходах (выходное кодовое слово) определяются только совокупностью сигналов на входах (входным кодовым словом) в данный момент времени. Примерами комбинационных устройств являются шифраторы, дешифраторы, сумматоры и т. д.
2. Последовательностные ЦУ, способные запоминать и хранить информацию на своих выходах в виде кодовых слов. У них значение выходного кодового слова определяется не только входным кодовым словом в данный момент времени, но и хранившемся на выходах кодовым словом в предыдущий момент времени. Примерами таких устройств являются триггеры, регистры, счётчики и т. д.
Любые узлы цифровой аппаратуры к коим относиться и компьютер строятся с помощью устройств, которые называются логическими элементами.
Что такое логический элемент компьютера.
Логический элемент компьютера – это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.
В основном применяются пять логических элементов, общие сведения о которых приведем в таблице.
Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И - НЕ, ИЛИ – НЕ и др. (называемые также вентилями).
С помощью этих схем можно реализовывать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера.
Логические элементы выпускаются в виде интегральных микросхем (ИМС). ИМС называют схему, компоненты которой (резисторы, транзисторы и другие элементы) нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что всё устройство рассматривается как одно единое целое. Функциональную сложность любой ИМС принято характеризовать степенью интеграции – количеством компонентов N в микросхеме. По степени интеграции различают:
- ИМС малой степени интеграции N≤10;
- ИМС средней степени интеграции 10<N<100;
- БИС (большие интегральные микросхемы) 100<N<1000;
- СБИС (сверх большие интегральные микросхемы) N>1000.
Рассмотрим структуру условных обозначений микросхем (УГО микросхемы) производства стран СНГ (в странах дальнего зарубежья каждая фирма, выпускающая микросхемы, применяет свою систему условных обозначений (см. Приложение 1)).
1) Каждая ИМС выпускаемая промышленностью имеет обозначение, по которому можно определить структуру:
Например, микросхема имеет обозначение:
1 – одна или две буквы (их может и не быть). Первая буква К – микросхема широкого применения. Вторая буква (если она есть) указывает материал или тип корпуса или его отсутствие:
А – пластмассовый типа 4;
Б – бескорпусная;
Е – металополимерный;
И – стеклокерамический;
Р – пластмассовый типа 2.;
С – стеклокерамический типа 2.
Ф – пластмассовый микрокорпус.
2 – три или четыре цифры номера серии, по которым можно судить о структуре микросхемы. Кроме того, первая цифра серии показывает конструктивно – технологическое исполнения ИМС: 1,5,7 – полупроводниковые (7 – бескорпусные); 2,4,6,8 – гибридные; 3 – прочие (плёночные, керамические).
3 – две буквы, указывающие функциональное назначение ИМС;
4 – одна – три цифры номера ИМС в данной серии по функциональному признаку.
5 – буква разброса параметров.
Структура микросхем логических элементов.
Основные параметры, характеризующие работу микросхем.
У микросхем логических элементов третья группа в условном обозначении начинается с буквы Л, а вторая показывает, какие конкретно логические элементы содержит данная микросхема. В своей работе мы приводим наиболее распространенные микросхемы логических элементов (см. Приложения 2, 3).
Работающие в настоящее время ИМС по принципу построения могут иметь следующую структуру на кремниевой основе:
ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) - структура на биполярных транзисторах. Например, серии 133, КМ133. К155, КМ155.
ТТЛШ (структура ТТЛ с диодами Шотки) маломощные (например, серии 533, КМ533, К555, КМ555, КР1533) и ТТЛШ быстродействующие (например, серии 530, М530, Н530, КР531, КР1531).
МОП (металл – окисел - полупроводник) или МДП (металл – диэлектрик-полупроводник) - структура, т. е. логика на полевых транзисторах: на транзисторах р и n-типов с обогащенным каналом, КМОП (комплементарные М0П)-схемы на дополняющих транзисторах. Например, серии 176, 561. К5, К564. Н564. КР1554, КР1561, К1564.
ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), где используется принцип переключения тока из одного транзистора в другой в паре транзисторов, работающих на общее эмиттерное сопротивление. Например, серии 500, К500, 1500, К1500.
Кроме этого, в настоящее усиленно разрабатываются микросхемы на основе арсенида галлия, выполненные на полевых транзисторах с затвором Шотки (НОПТШ). Например, серия К6500.
Примечание: при необходимости ознакомиться с внутренним устройством и принципом действия элементов перечисленных структур нужно обратиться к соответствующей учебной и справочной литературе.
Познакомимся с основными параметрами микросхем, имеющими значение при эксплуатации, ремонте и наладке цифровой аппаратуры:
1. Напряжение питания Uпит Для микросхем ТТЛШ - структуры оно составляет 5В 10%
2. Уровень логического нуля U0 и уровень логической единицы U1 (при необходимости уточняют: на входе или на выходе). Для микросхем ТТЛШ - структуры : U° £ 0,4 В; U1 ³2, 4 В.
3. Потребляемая (рассеиваемая) мощность. Любая микросхема может работать в статическом (когда сравнительно длительное время на выходе удерживается уровень логического 0 или логической 1) или динамическом ( когда уровни сигналов на выходах меняются с определенной частотой) режимах.
Потребляемая микросхемой мощность в статическом режиме определяется:
, где Р° и Р1 - потребляемая мощность при наличии на выходе соответственно логического 0 или логической 1.
При работе в динамическом режиме потребляемая микросхемой мощность возрастает, увеличиваясь с ростом частоты.
Быстродействующие микросхемы ТТЛШ - структуры потребляют в статическом режиме мощность порядка 5¸13 милливатт на каждый логический элемент (мВт/ЛЭ), маломощные - порядка 1¸3 (мВт/ЛЭ).
4. Быстродействие. На срабатывание любого элемента или
устройства, в том числе и выпускаемых в виде микросхем, требуется определенное время. Очевидно, что с уменьшением этого интервала быстродействие возрастает. Количественно быстродействие в основном характеризуют временем задержки распространения сигнала t зд. р.- промежутком времени между изменением уровня
сигнала на входе и соответствующим изменением (от 0 до 1 - 
; от 1 до 0 - 
уровня сигнала на выходе. Иногда пользуются средним временем задержки распространения сигнала
tзд. р. ср.:
Для маломощных микросхем ТТЛШ - структуры tзд. р. ср. составляет ориентировочно 4 ¸10 нc (наносекунд), для быстродействующих - 2 ¸ 3 нc.
5. Нагрузочная способность или коэффициент разветвления по выходу Км или Краз. Показывает, сколько других элементов можно присоединить к выходу каждого элемента микросхемы. Обычные микросхемы ТТЛШ - структуры имеют Краз. = 10.
6. Помехоустойчивость. Ее оценивают в статическом и динамическом режимах. Статическая помехоустойчивость определяется максимальной величиной повышения (относительно 0) или понижения (относительно 1) напряжения на входах, при котором еще не меняются уровни сигналов на выходах. Для микросхем ТТЛШ - структуры помехоустойчивость составляет около 0,4 В.. Динамическая помехоустойчивость зависит от формы и амплитуды сигнала помехи, а также от скорости переключения микросхемы (быстродействия) и ее статической помехоустойчивости.
7. Надежность. Ее характеризуют интенсивностью частоты отказов, которая для микросхем средней степени интеграции составляет порядка
10 -7 отказов в час.
Одноразрядный сумматор (полусумматор)
Сумматор – цифровое устройство, выполняющее арифметическое сложение двух двоичных чисел.
При сложении двоичных чисел используются следующие правила: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1= это 2 в двоичной системе)
Сложение одноразрядных двоичных чисел выполняет одноразрядный сумматор.
УГО одноразрядного сумматора
Составим таблицу работы данного сумматора, используя правила сложения.
таблица 2
входы | выходы | |||
А | В | Р0 | Р | S |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Запишем СДНФ для обоих выходов
Минимизируем оба выражения методом карт Вейча (Карно). Каждая карта будет содержать 8 клеток, т. к. у нас три входа ( а следовательно 
)
таблица 3 таблица 4
В |
| В |
| ||||||
А | 0 | 1 | 0 | 1 | А | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| Р |
|
| Р |
| ||||
для выхода S | для выхода Р' |
Логическое выражение для выхода S минимизации не подается, так как невозможно объединение клеток с единицами в карте Вейча. Поэтому СДНФ для выхода S остается неизменным. Запишем МДНФ для выхода Р:' 
Построение логической схемы одноразрядного сумматора (полусумматора)
Принципиальная электрическая схема одноразрядного сумматора | ||||||||||||||||||||||||||||||||
и | ||||||||||||||||||||||||||||||||
0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
А | не | 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||
1 | и | |||||||||||||||||||||||||||||||
0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
B | не | 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||
1 | или | |||||||||||||||||||||||||||||||
и | 0 | или | ||||||||||||||||||||||||||||||
0 | 0 | или | ||||||||||||||||||||||||||||||
0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Р0 | не | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
и | ||||||||||||||||||||||||||||||||
0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
и | ||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
и | или | |||||||||||||||||||||||||||||||
0 | 1 | или | ||||||||||||||||||||||||||||||
1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
и | ||||||||||||||||||||||||||||||||
0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис.1
Интегральные триггеры. Общие сведения.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 |
