Работа 1. Исследование работы цифровых интегральных микросхем

РАБОТА 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ

МИКРОСХЕМ

Общие сведения

Технология создания функциональных узлов, в которой совмеща­ются процессы изготовления входящих в узел электрорадиоэлементов и процессы объединения их в функциональную конструктивно завершен­ную структуру, называется интегральной. Функциональные узлы радио­электронной аппаратуры, изготовленные методом интегральной техно­логии, были названы интегральными микросхемами. Названием подчер­кивается характерная особенность интегральной технологии - высокий уровень миниатюризации, достигаемый в ее изделиях.

Интегральные микросхемы выпускаются промышленностью в виде серий, включающих микросхемы, предназначенные для совместного ис­пользования в РЭА. Все микросхемы, входящие в одну серию, имеют один тип корпуса, одинаковые напряжения питания, ресурс, надеж­ность, допустимые уровни воздействия. Применение микросхем одной серии исключает необходимость в дополнительных согласующих устрой­ствах.

Цифровые интегральные микросхемы в отличие от аналоговых не­прерывных устройств (усилителей и др.) предназначены для преобразо­вания и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, на­пример двоичной, функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, а также цифровых узлов измерительных прибо­ров, аппаратуры автоматического управления, связи и т. д.

Но функциональному назначению цифровые микросхемы подразделя­ются на следующие подгруппы: логические микросхемы, триггеры, эле­менты арифметических и дискретных устройств и др.

Большинство цифровых микросхем относится к потенциальным мик­росхемам: сигнал на их входе и выходе представляется высоким и низ­ким уровнями напряжений. Этим двум состояниям сигнала ставятся в соответствие значения логической "1" и логического "0". Как прави­ло, высокий уровень напряжения соответствует логической "1", низ­кий - логическому "0".

Наибольшее распространение получили цифровые интегральные микросхемы на базе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и МОП (металл - окисел - проводник) структур.

Логические элементы реализуют простейшие функции или систему функций алгебры логики: операции логического умножения - И (конъ­юнкции), логического сложения - ИЛИ (дизъюнкции), логического отрицания - НЕ (инверсии), более сложные логические операции типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др. Логическая микросхема, как функцио­нальный узел, может состоять из нескольких логических элементов, каждый из которых выполняет одну-две или более из перечисленных логических операций и является функционально-автономной, т. е. мо­жет попользоваться независимо от других логических элементов.

Конструктивно логические элементы объединены единой подлож­кой и корпусом и, как правило, имеют общие выводы для подключения источника питания.

В таблице приведены условные обозначения и таблицы истинности некоторых логических элементов. Входы микросхем обозначены ; выход - . Таблица истинности показывает, каким будет сигнал на выходе (нулевым или единичным) при той или другой комбинации сигналов на входе. В таблице приведены логические эле­менты с двумя входами. Количество входов может быть и большим.

Логическая операция	Обозначение элемента	Таблица истинности
«И» Логическое умножение (конъюнкция)		X1 X2 1 1 0 1 1 0 0 0	Y 1 0 0 0
«ИЛИ» Логическое сложение (дизъюнкция)	1   X2   X11   Y	X1 X2 1 1 0 1 1 0 0 0	Y 1 1 1 0
«НЕ» Логическое отрицание (инверсия)		X 1 0	Y 0 1
«И-НЕ» Логическое умножение с отрицанием		X1 X2 1 1 0 1 1 0 0 0	Y 0 1 1 1
«ИЛИ-НЕ» Логическое сложение с отрицанием		X1 X2 1 1 0 1 1 0 0 0	Y 0 0 0 1

Кроме логических элементов, в цифровой технике широко исполь­зуются в качестве базовых элементов разнообразные триггеры. (Триг­гер - функциональный элемент, обладающий двумя устойчивыми состоя­ниями равновесия, которые устанавливаются при подаче соответствую­щей комбинации сигналов на управляющие входы и сохраняются в тече­ние заданного времени после окончания действия этих сигналов.)

Триггеры имеют различные по назначению входы управляющих сигналов и два взаимоинверсных выхода и . Сигналы на выходах и всегда противоположны. Выход считается главным: значение напряже­ния на этом выходе характеризует состояние триггера в целом.

В микроэлектронном исполнении выпускаются триггеры, различаю­щиеся по своим функциональным возможностям и способу управления. В соответствии с принятой классификацией триггеры подразделяются на следующие типы:

- триггеры с двумя управляющими входами: ( - установ­ка)и ( - сброс);

- триггеры ( - задержка), имеющие информационный вход и вход синхронизации ;

- триггеры ( - время), имеющие один информационный вход и переключающиеся с приходом каждого очередного входного импульса (счетный режим);

- триггеры (универсальные), имеющие входы, а также уп­равляющие входы ( - прыжок, переброс) и ( - держать, сокращать), допускающие установку выход­ных уровней при наличии сигнала на входе синхронизации .

По способу управления триггеры делятся на синхронные и асинх­ронные. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационные входы. В синхронных триггерах переключение произво­дится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса на входе синхронизации.

На рис.1 показано условное графическое обозначение и вре­менные диаграммы работы асинхронного (а) и синхронного (б)-триг­геров. При поступлении на вход асинхронного триггера напряжения логической "1" (=1) триггер устанавливается в единичное состоя­ние (=1, =0), а при =1 - в нулевое состояние (=0, =1). Синхронный -триггер работает аналогичным образом, но его переключение в единичное или нулевое состояние осуществляется только при поступлении сигнала на синхронизирующий вход . Отме­тим, что единичные входные сигналы =1, =1 не должны посту­пать на входы триггера одновременно, т. к. в этом случае состояние триггера будет неопределенным (запрещенный режим).

-триггер способен хранить записанную информацию, т. е. со­хранять установленное входными сигналами состояние до тех пор, по­ка не изменятся сигналы на входах, поэтому такой триггер применяет­ся в основном как элемент памяти в запоминающих устройствах и ре­гистрах. Выполнять функции счетчика -триггер не может.

Асинхронный -триггер может быть построен на основе логи­ческих элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ или И-ИЛИ-НЕ (рис.2).

Рис.2

 

Следует от­метить, однако, что в этом случае установка триггера в единичное и нулевое состояние будет осуществляться противоположными значения­ми входных сигналов (=1 при =0; =1 и =0 при =1, =0).

-триггер имеет один информационный вход и вход для синх­ронизирующего сигнала (рис.3). Фронт синхроимпульса устанав­ливает триггер в то состояние, которое в момент прихода синх­ронизирующего сигнала есть на входе . ( если =1, то в момент прихода синхроимпульса =1; если =0, то в момент прихода синхроимпульса =0; ).

Рис.3

 

-триггер (триггер со счетным входом) имеет один вход . Импульс, поступающий на этот вход, изменяет состояние триггера на противоположное. Если триггер находился в единичном состоянии (=1), оно становится нулевым (=0), и наоборот.

Рис.4

Следователь­но, выходной сигнал повторяется после каждых двух сигналов на вхо­де (счетный режим, пересчет на два). Соответствующая временная диаграмма работы и условное обозначение -триггера приведены на рис.4.

Такой триггер составляет основу счетчиков. В микроэлектронном исполнении -триггер специально не изготовляется. При необходи­мости его можно получить из более универсального -триггера.

Все триггеры имеют обычно дополнительные входы для сигналов установки в исходное состояние. Триггеры с установочными асинхронными входами называются комбинированными. Например, -триггер – это -триг­гер с и установочными входами.

Универсальный синхронный -триггер имеет два независимых асинхронных установочных входа, два информационных синхронных входа и , и вход синх­ронизации . Условное графическое обозначение -триггера и вре­менная диаграмма его работы приведены на рис.5.

Рис.5

Если сигналы на входе =1, а на входе =0, то в момент прихода синхронизирующего импульса на вход , на главном выходе будет установлено единичное состояние (=1).

Если сигналы на входе =0, а на входе =1, то в момент прихода синхронизирующего импульса на вход , на главном выходе будет установлено нулевое состояние (=0).

Если сигналы на входе =1 и на входе =1, то в моменты прихода синхронизирующего импульса на вход , состояние главного выхода изменяется на противоположное (триггер начинает работать в счетном режиме).

Если сигналы на входе =0 и на входе =0, то в моменты прихода синхронизирующего импульса на вход , состояние главного выхода не изменяется (триггер находится в режиме хранения информации).

Задание

1. Ознакомиться с типами исследуемых интегральных микросхем и их основными характеристиками.

2. Ознакомиться с лабораторным стендом, электрическими схема­ми испытаний и измерительными приборами.

3. Исследовать логику работы элементов НЕ и И-НЕ.

4. Исследовать логику работы элемента 4И-2ИЛИ-НЕ.

5. Исследовать работу триггера.

6. Исследовать работу триггера.

Указания к выполнению работы

В работе исследуются микросхемы на базе транзисторно-тран­зисторной логики серии К155. Параметры исследуемых микросхем и обо­значение выводов приведены на стенде. Особенность включения микро­схем данной серии состоит в том, что если информационные входы не подключены ни к каким цепям, то микросхемы воспринимают это как единичные сигналы на этих входах.

Лабораторная установка для исследования цифровых интегральных микросхем содержит стабилизированный источник питания, электронный осциллограф и испытательный стенд.

Вид передней панели лабораторного стенда показан на рисунке.

На панели испытательного стенда находятся разъем для подклю­чения распаянных на специальных платах исследуемых микросхем; 16-разрядный логический, тестер; генератор прямоугольных импульсов с регулируемой частотой следования (1И) и генератор одиночного им­пульса (ГОИ). В нижней части панели испытательного стенда располо­жены два ряда гнезд: верхний ряд соединен с контактами разъема и пронумерован в соответствии с номерами выводов микросхем, нижний соединен с рядом тумблеров, задающих напряжение логических "0" или "1".

Напряжение питания стенда (+5 В) подается от стабилизированного источника на клеммы +5 В и .

Логический тестер представляет собой 16-разрядный светодиод­ный индикатор. Светодиоды тестера соединены с контактами разъема и индицируют логическое состояние на выводах микросхем. Если светодиод светится - это означает, что на соответствующем выводе микросхемы напряжение равно напряжению логической "1" иди этот вывод не задействован; светодиод не светится - значит, на соответствующем выводе установлено напряжение логического "0".

При исследовании микросхемы на тестере обязательно должна быть установлена маска, соответствующая количеству ее выводов (14 или 16 выводов), которая автоматически приводит в соответствие но­мера выводов микросхемы с номерами светодиодных индикаторов и но­мерами гнезд выводов микросхем.

Для подачи необходимого напряжения на входы микросхем соеди­ните перемычкой гнездо требуемого источника сигнала с гнездами соответствующих входов микросхем.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ подавать напряжение на выходы микросхем!

Для наблюдения на экране осциллографа сигналов на входе или выходе микросхемы вход осциллографа соединяется с соответствующим гнездом вывода микросхемы.

При исследовании работы логических элементов НЕ и И-НЕ в разъем испытательного стенда установите плату с соответствующим типом микросхемы (К155ЛН1 или Ш55ЛАЗ). Подключите питание к соот­ветствующим выводам микросхемы и подайте напряжение питания на стенд. Подавая на входные выводы одного из элементов микросхемы комбинации "О" и "I", фиксируйте о помощью логического тестера сиг­налы на входах и выходе. Составьте таблицы истинности для исследуе­мых элементов.

При исследовании логики работы элемента 4И-2ИЛИ-НВ в разъ­ём стенда установите плату с микросхемой типа К155ЛР4. Подайте питание на микросхему и испытательный стенд. К выходу микросхемы подключите осциллограф.

На один из входов секции А подайте сигнал с выхода генерато­ра импульсов, а на один из входов секции В - логический "0". Управляющие входы оставьте незадействованными.

Объясните, используя рис. 8.1, наблюдаемую на экране осцилло­графа картину. Нарисуйте прохождение сигнала через логические эле­менты, составляющие микросхему.

Изменяя комбинации "0" и "1" на незадействованных выводах секций А и В, составьте таблицу истинности для данного элемента.

При исследовании работы -триггера в разъем стенда установите плату с микросхемой типа К155ТМ2. Подайте питание на микросхему и испытательный стенд. Поочередно подавая на установоч­ные входы сигнал логического "0" и "1", определите с помощью тестера сигналы на выходах и триггера. Составьте таблицу ис­тинности. Нулевые значения сигналов на входы не должны подавать­ся одновременно, т. к. данная микросхема имеет инверсные установоч­ные входы и триггер в этом случае будет устанавливаться в произ­вольное состояние.

Далее на синхронизирующий вход триггера подайте сигнал от генератора импульсов. Изменяя логическое значение сигнала на -входе, составьте таблицу истинности.

При исследовании работы триггера в разъем стенда уста­новите плату с микросхемой типа К155ТВ1. Подайте питание на микро­схему и испытательный стенд. На синхронизирующий вход подайте сиг­нал от генератора импульсов. К выходу триггера подключите осцилло­граф.

Подавая различные комбинации логических "0" и "1" на и входы, с помощью тестера и осциллографа фиксируйте логические уров­ни сигналов на выходе триггера и составьте таблицу истинности. В режиме, при котором =1, =1, сравните частоту синхронизирую­щего сигнала и частоту сигнала на выходе триггера.