Методические указания к лабораторным работам “Цифровые функционально-логичекие элементы” (стр. 1 )

Методические указания к лабораторным работам

“Цифровые функционально-логичекие элементы”.

Автор: к. т.н., доцент кафедры САПР ФИТР

ВАСИЛЕВСКИЙ Александр Витальевич

Функционально-логические элементы, рассматриваемые в данном лабораторном практикуме, являются основой для построения цифровых электронных схем, в том числе ЭВМ. Современный технологический уровень позволяет реализовывать электронные схемы в виде больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), однако на этапе проектирования с помощью САПР функционально-логические элементы широко используются и в настоящее время, хотя проектирование ведется и с использованием других элементов. Знание основных функционально-логических элементов позволяет иметь правильное представление о работе современных ЭВМ и об их постоянно появляющихся усовершенствованиях. Хотя в данном лабораторном практикуме используются интегральные схемы средней степени интеграции (СИС), которые в современных ЭВМ массового применения не применяются, для изучения основ цифровой электроники это совершенно не мешает, Более того, изучение современных БИС и СБИС, содержащих большое количество функционально-логических элементов требует специального дорогостоящего оборудования, а моделирование на ЭВМ этих элементов хуже, чем изучение их в натуре.

В данном лабораторном практикуме используются широко распространенные СИС ТТЛ, к основным выводам которых: питанию, многим выходам и особенно входам заранее припаяны короткие проводники с игольчатыми разъемами от старых разъемов ЭВМ серии ЕС. Это сделано с целью ускорения подключения исследуемой микросхемы к испытательному пульту, который, в свою очередь, подключается к источнику напряжения 5 В. Испытательный пульт имеет очень простую схему и может быть легко изготовлен. Функциональное назначение различных проводов пульта определяется их цветом. При выполнении лабораторных работ студенты получают также практические навыки работы с электрическими цепями, чего нельзя получить при работе за клавиатурой.

Испытательный пульт

Он должен обеспечивать возможность подачи на входы исследуемых микросхем двоичных сигналов и наблюдения сигналов на выходе. При построении испытательного пульта использовано свойство входов микросхем иметь высокий уровень, если вход никуда не подключен («висит в воздухе»). Низкий уровень подается на вход путем его заземления. Уровень сигнала на выходе определяется посредством светодиода: если он горит, то уровень высокий (2,4 В); если не горит, то уровень низкий (0,4 В). Далее на рис. 1 приводится принципиальная электрическая схема испытательного пульта. Размеры пульта получатся небольшими, благодаря малому числу элементов. Он поместился в корпусе разъема от кабеля старой ЭВМ ЕС.

Рисунок 1. Испытательный пульт

Лабораторная работа №1

Логические элементы

Исследуется зависимость выходных сигналов от входных для микросхем, приведенных ниже в таблице:

Наименование микросхемы	ЛИ1	ЛА3	ЛЛ1	ЛЕ1	ЛН1
Выполняемая операция,	И, AND	И-НЕ, NAND	ИЛИ, OR	ИЛИ-НЕ, NOR	НЕ, NOT

В микросхеме ЛН1 содержится 6 одинаковых элементов – инверторов, в остальных микросхемах содержится по 4 одинаковых элементов – ячеек, как показано на их условных графических обозначениях

Рисунок 1. Условные графические обозначения логических микросхем

Нумерация ножек микросхем ведется против часовой стрелки, глядя на поверхность с надписью обозначения. Первая ножка находится под знаком ключа в виде отметки на корпусе микросхемы – точки или выреза, как показано ниже.

Рисунок 2. Нумерация ножек микросхем.

Ножки питания: 7 минус 5 вольт, 14 плюс 5 вольт (по диагонали). Нельзя путать полярность иначе микросхема перегорает!

При отключенном блоке питания (тумблер «Сеть» вниз) подключить один из белых проводов (земля) к ножке 7; красный провод (+5В) подключить к ножке 14; зеленый провод (индикатор) подключить к выходу ячейки, например к ножке 3; включить блок питания (тумблер «Сеть» вверх). Неподключенные входы микросхем (висящие в воздухе) имеют высокий уровень, низкий уровень подается на вход микросхемы путем подключения белого провода (земля). Если индикатор горит, то на зеленом проводе высокий уровень, если не горит, то на зеленом проводе низкий уровень.

Подавая на входы ячеек различные сочетания высокого (В) и низкого (Н) уровней и наблюдая за индикатором, подключенным к выходу ячейки, заполнить таблицу наблюдений.

Входы	Выходы
А	В	ЛИ1,"И"	ЛА3,"И-НЕ"	ЛЛ1,"ИЛИ"	ЛЕ1,"ИЛИ-НЕ"
Н	Н
Н	В
В	Н
В	В

Вход	Выход
А	ЛН1
Н
В

Рисунок 3. Таблица наблюдений логических элементов.

Так как в каждой микросхеме (корпусе) содержится несколько одинаковых ячеек, достаточно исследовать только одну ячейку. Необходимо обратить внимание на небольшой кружок в линиях выхода ячейки ЛН1, этот кружок означает инверсию – изменение уровня сигнала на противоположный. По этой причине ячейка ЛН1 называется инвертором. В ячейках ЛА3 и ЛЕ1 на выходе внутри включен инвертор.

Логические функции, выполняемые логическими ячейками, оперируют со значениями 1 и 0, обычно по умолчанию высокий уровень приравнивают к 1, а низкий к нулю. Однако в практических схемах цифровых устройств это совсем не обязательно, в некоторых участках схемы может быть наоборот – низкий уровень приравнивается к 1, а высокий к 0. По этой причине нужно четко представлять, где высокая единица (по умолчанию) и где единица низкая. Каждый переход сигнала через инвертор меняет единицу с высокой на низкую и наоборот. Наименования микросхем и ячеек даны в предположении высокой единицы (по умолчанию). В то же время операция «И» при низкой единице выполняется ячейкой ЛЛ1, а операция «ИЛИ» при низкой единице выполняется ячейкой ЛИ1.

Содержание отчета: заголовок, условные графические обозначения ячейки каждого типа, таблица наблюдений.

Контрольные вопросы:

1.  Рассказать наиболее кратко алгоритм работы логической ячейки каждого типа,

2.  Уметь построить любую одну ячейку путем соединения выходов и входов любых двух ячеек других типов.

3.  Как заменить ячейку ЛН1 одной ячейкой другого типа, путем соединения ее входов.

4.  Показать, как операция «И» при низкой единице выполняется ячейкой ЛЛ1, а операция «ИЛИ» при низкой единице выполняется ячейкой ЛИ1.

Лабораторная работа №2

Триггеры

Исследуется зависимость выходных сигналов от входных сигналов для R-S триггера и D – триггера (микросхема ТМ2) и для R-S триггера и JK – триггера (микросхема ТВ15). В каждом корпусе этих микросхем имеется два отдельных одинаковых триггера, поэтому можно исследовать только один.

ТМ2 ТВ15

Рисунок 4. Условные графические обозначения триггеров.

Питание: для ТМ2 земля на 7, +5В на 14, для ТВ15 земля на 8, +5В на 16 (по диагонали).

Триггер является элементом памяти – он хранит один бит информации (минимальную величину). Для хранения одного байта информации необходимо 8 триггеров.

R-S триггер работает следующим образом: при подаче сигнала на вход R (в данном случае низкого – прикосновения белого провода) триггер «сбрасывается». Это означает, что на его выходе Q устанавливается низкий уровень и сохраняется несмотря на то, что вход R может стать снова высоким. При подаче сигнала на вход S (в данном случае низкого – прикосновения белого провода) триггер устанавливается. Это означает, что на его выходе Q устанавливается высокий уровень и сохраняется несмотря на то, что вход S может стать снова высоким. Таким образом триггер запоминает событие подачи сигнала (в данном случае низкого) на вход R или S. На схемах триггеров входы R и S имеют небольшой кружок, означавший инверсию в логических ячейках на их выходах. В данном случае кружок означает, что данный вход действует низким уровнем (низкий уровень активный). Зависимость выхода Q от входов R и S можно изобразить в виде графиков напряжения сигнала от времени.

Рисунок 5. Сигналы в RS - триггере.

Второй выход триггера надчеркнутое Q является инверсией от выхода Q, поэтому его линия имеет кружок.

Выполнение работы: при отключенном питании (тумблер «Сеть вниз») нужно подключить один из белых проводов к ножке 7 для ТМ2 или ножке 8 Для ТВ15, а красный провод к ножке 14 для ТМ2 или к ножке 16 для ТВ15. Проверить работу входов R и S согласно рис. 5.

D – триггер имеет два входа: D (данные - data) и С (синхронизация – clock, еще называется «строб» - strobe) и выходы Q, совмещенные с триггером RS. Алгоритм работы: данные со входа D записываются на выходы Q в D-триггере только в момент скачка напряжения с низкого на высокое на входе С. Можно сказать, что D-триггер хранит данные, поданные со входа D на интервале времени от предыдущего скачка напряжения вверх на входе С до последующего. Импульсы на входе С называются «синхро-импульсами или тактовыми импульсами», они играют очень важную роль в работе ЭВМ, согласуя во времени действия отдельных элементов. Они генерируются тактовым генератором, частота их обычно постоянна и называется «тактовой частотой». Диаграмма сигналов D-триггера приведена на рис.6.