Исследование типовых комбинационных схем

ЭЛЕКТРОНИКА

Часть 2

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р. Н. Кулагин, Н. В. Федорова

ЭЛЕКТРОНИКА

Часть 2

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Учебное пособие

Волгоград

УДК 621.38 (075)

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Информационные системы и технологии»

НОУ ВПО «Волгоградский институт бизнеса»,

зав. кафедрой, канд. техн. наук, доц. М. В. Филиппов

доцент кафедры «Информационные системы и технологии»

НОУ ВПО «Волгоградский институт бизнеса»

канд. техн. наук С. В. Шостенко

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

Кулагин, Р. Н.

Электроника: учеб. пособие. В 2 ч. Ч.2. Цифровые устройства /

Р. Н. Кулагин, Н. В. Федорова; ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. - 56 с.

ISBN 978-5-9948-1067-5

ISBN 978-5-9948-1069-9

Даны краткие сведения о цифровых электронных устройствах, а именно о схемотехнике и принципе действия логических элементов, мультиплексоров, дешифраторов, сумматоров, триггеров, счетчиков импульсов и регистров памяти. Эта часть содержит методические указания по выполнению лабораторных работ, практических заданий и курсового проекта по 2-й части курса «Электроника».

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям бакалавриата 220400 «Управление в технических системах» и 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Ил. 17. Табл. 21. Библиогр.: 1 назв.

ISBN 978-5-9948-1069-9 © Волгоградский государственный

ISBN 978-5-9948-1067-5 технический университет, 2012

Оглавление

1. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ…………………………………..4

Лабораторная работа № 1 «Исследование логических элементов ТТЛ»…………………………………………………………………………….4

Лабораторная работа № 2 «Исследование типовых комбинационных схем»…………………………………………………………………………...12

Лабораторная работа № 3 «Исследование цифровых устройств последовательностного типа»………………………………………………. 17

2. СБОРНИК ЗАДАЧ…………………………………………………..31

2.1. Импульсная и цифровая техника…………………………………31

3. КУРСОВАЯ РАБОТА………………………………………………42

3.1. Задание к курсовой работе по дисциплине «Электроника» (очная форма)…………………………………………………………………42

3.2. Задание к курсовой работе по дисциплине «Электроника (заочная форма)…………………………………………….............................45

Приложение А. Сменные карты исследуемых схем…………………47

Рекомендуемая литература……………………………………………55

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКХ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ

Цель работы

Изучение свойств типовых логических элементов (ЛЭ) ТТЛ и устройств на их основе путем экспериментального определения статических характеристик и таблиц состояний.

Общие положения

В отличие от аналоговой техники, где сигналы могут принимать любые значения и быть разного знака, в цифровых устройствах знак сигнала не меняется, а его уровень имеет только два значения: низкий, соответствующий «нулю», и высокий, принимаемый за «единицу». Информационным признаком цифрового сигнала может быть изменение уровня 0–1 или 1–0, а также количество этих изменений (импульсов).

2.1. Логические элементы

Простейшими цифровыми устройствами являются логические элементы (ЛЭ), на основе которых строятся более сложные арифметические и другие комбинационные устройства. Математически сигналы на входе и выходе ЛЭ представляются в виде двоичных переменных, а связь между ними выражается логической функцией (ЛФ) или таблицей состояний. Основные логические операции, реализуемые типовыми ЛЭ, и их обозначения приведены в табл. 1.1.

Таблица состояний (истинности) содержит строку с обозначением всех входных и выходных переменных, а также строки с численными значениями этих переменных, которые заполняются нулями и единицами по определенным правилам.

Для входных переменных X ₁, X ₂,.. X_n сочетания нулей и единиц в каждой строке должно образовывать двоичное число, соответствующее номеру строки, начиная с нулевой. Общее число таких строк К определяется выражением , где n – число входных переменных. Выходная переменная Y для каждой строки определяется по ЛФ, в которую подставляется соответствующее сочетание входных переменных.

Таблица 1.1

Логическая операция	Логическая функция	Графическое обозначение ЛЭ	Обозначение типа ЛЭ
И			ЛИ
ИЛИ			ЛЛ
НЕ			ЛН
И-НЕ			ЛА
ИЛИ-НЕ			ЛЕ
Исключающее ИЛИ			ЛП

Пример заполнения таблицы состояний для ЛЭ 2И-НЕ с двумя входами показан в табл. 1.2.

В настоящее время ЛЭ выпускаются в виде интегральных микросхем (ИС), выполненных на одном кристалле по специальной технологии. Все ИС объединены в серии по используемым элементам, напряжению питания и другим признакам. Наиболее широко в цифровой технике применяются ИС на основе биполярных транзисторов (транзисторно-транзисторная логика ТТЛ) и полевых комплементарных транзисторов структуры металл-окисел-полупроводник (КМОП). Таблица 1.2

X ₁	X ₂	Y

Преимуществом ИС ТТЛ является высокое быстродействие, а ИС КМОП отличаются простотой схемы и малой потребляемой мощностью. Так как ЛЭ ТТЛ имеют более

сложную схему и специфические условия согласования с источником сигнала, то целесообразно обратить на них особое внимание.

2.2. Принцип действия базового ЛЭ ТТЛ

Базовым ЛЭ ТТЛ является элемент И-НЕ, на основе которого строятся другие типы ИС. Упрощенная схема базового ЛЭ 2И-НЕ серии К155 и его графическое обозначение приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная схема базового ЛЭ 2И-НЕ и его графическое обозначение

Схема содержит три каскада, первый из которых выполнен на многоэмиттерном транзисторе VT 1 и выполняет основную логическую операцию И. Диоды VD I и VD 2 на входах ЛЭ защищают от пробоя эмиттерные переходы VT 1 при отрицательных импульсах помехи на входе ЛЭ. Резистор R 1 ограничивает ток базы VT 1.

Второй каскад на транзисторе VT 2 является фазорасщепителем и формирует на своих двух выходах сигналы противоположных уровней.

Третий каскад – двухтактный усилитель мощности на транзисторах VT 3 и VT 4. Служит для повышения нагрузочной способности ЛЭ. Резистор R 4 защищает выход ЛЭ при коротких замыканиях нагрузки и ограничивает сквозной ток через транзисторы VT 3 и VT 4 при их переключении. Диод VD 3 обеспечивает надежное запирание VT 3.

Схема работает следующим образом. Если хотя бы на один из входов ЛЭ подан сигнал низкого уровня (логический нуль), например, < 0,4 В, то за счет прямого напряжения источника питания (ИП) открывается соответствующий переход база–эмиттер (Б–Э) VT 1, и через него протекает во входную цепь сравнительно большой ток, ограниченный резистором R 1:

При этом транзисторы VT 2 и VT 4 оказываются закрытыми, так как низкого потенциала базы VT 1 () недостаточно для отпирания трех переходов: коллекторного VT 1 и двух эмиттерных VT 2 и VT 4. Высокий потенциал на коллекторе закрытого VT 2 обеспечивает отпирание VT 3, который переходит в режим насыщения. Открытый транзистор VT 3 подключает выход ЛЭ через R 4 и VD 3 к шине питания , и на выходе ЛЭ получаем сигнал высокого уровня (логическую единицу):

Без нагрузки падением напряжения на резисторе R 4 можно пренебречь, так как протекающий через него ток отсечки VT 4 мал. При подключении это падение увеличивается и уменьшается.

Если на все входы ЛЭ поданы сигналы высокого уровня: > 2,4 В, то переходы Б–Э транзистора VT 1 закрываются, входной ток уменьшается и меняет направление. Его значение определяется обратным током р – n перехода ( < 40 мкА). В этом случае переход Б–К VT 1 открывается и через него от ИП в базу VТ 2 протекает ток, ограниченный сопротивлением R 1. VT 2 открывается и открывает VT 4, который входит в режим насыщения и подключает выход ЛЭ к общей шине. Кроме того, этот выход отключается от ИП, так как VT 3 закрывается низким потенциалом коллектора открытого VT 2. Выходной сигнал уменьшается до уровня логического нуля, который определяется напряжением насыщения коллекторного перехода VT 4 ( < 0,3 В). Таким образом, схема выполняет логическую операцию И-НЕ в соответствии с табл. 1.2.

2.3. Передаточная и входная характеристики ЛЭ ТТЛ

Передаточная характеристика выражает зависимость .

Для ЛЭ И–НЕ эта зависимость обратна и нелинейна, а ее график имеет три основных участка (рис. 1.2, а).

а б

Рис. 1.2. Характеристики ЛЭ ТТЛ: а – передаточная; б – входная

На первом участке (точки 1–2) открыт выходной транзистор VT 3 и закрыт VT 4, выходное напряжение максимально . На третьем участке (точки 6–7) транзистор VT 3 закрыт, а VT 4 открыт и выходное напряжение минимально . На втором наклонном участке

(точки 3–4–5) транзисторы VT 3, VT 4 переключаются и через них может проходить достаточно большой сквозной ток от ИП. В этом режиме ЛЭ должен работать минимальное время, так как на транзисторах VT 3 и VT 4 выделяется максимальная мощность.

Входная характеристика выражает зависимость .

Эта зависимость также обратна и нелинейна (рис. 1.2, б). При логическом нуле на входе ток максимальный по величине и вытекающий из ЛЭ по направлению. Это ток ИП, проходящий через открытый переход Б–Э VT 1. Если на вход ЛЭ подан сигнал высокого уровня, переход Б–Э закрыт, входной ток имеет минимальную величину, создается источником сигнала и является втекающим по направлению.

2.4. Условия согласования ЛЭ ТТЛ с источником сигнала

Эти условия нормируют уровни напряжений:

логического нуля (0< < 0,4 В) и логической единицы (2,4В < < 5 В), а также сопротивление источника сигнала . Сопротивление не должно превышать определенной величины при логическом нуле на входе, чтобы исключить образование ложной единицы за счет падения напряжения на от вытекающего тока :

При сопротивление может быть любым ( 0 < < ¥), так как переход Б–Э VT 1 закрыт, а переход Б–К открыт и его состояние не зависит от сопротивления входной цепи. Обрыв входной цепи ЛЭ («висячая» единица) дает такой же результат, как действие потенциальной единицы. Поэтому ЛЭ ТТЛ может управляться контактом выключателя без источника входного сигнала

Порядок проведения работы

3.1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации стенда ОАВТ. Установить в разъем стенда плату П1 и включить питание тумблером на задней панели стенда.

3.2. Построить передаточную характеристику ЛЭ Для этого установить на стенде карту I–1 с исследуемой схемой (б). Потенциометром R 1 на плате П1 задать семь значений входного сигнала (гнездо 3), соответствующих характерным уровням выходного сигнала (гнездо 4). Измерить сигналы относительно общей шины

(гнездо 1) и занести результаты в табл. 1.3.

Таблица 1.3

, В						2,5
, В	0,99	0,95	0.5	0,05	0,01

3.3. Снять и построить входную характеристику ЛЭ

Задать потенциометром R 1, и измерить семь значений напряжения , для которых получить соответствующие величины тока , в том числе Измерить ток методом падения напряжений на резисторе R 2=100 Ом (гнезда 2–3), используя формулу Результаты занести в табл. 1.4.

Таблица 1.4

, В		0,5	1,0	1,5		2,0	2,5
, мA

3.4.Снять таблицы состояний типовых ЛЭ: И–НЕ (карта I–1 а),

И (карта I–2), ИЛИ-НЕ (карта I–3), ИЛИ (карта I–4), Исключающее ИЛИ (карта I–5). Тумблерами SA 1 и SA 2 задавать сочетания входных сигналов X 1 и Х 2, считая, что положению тумблера «вверх» соответствует значение Х = 1, «вниз» – Х = 0. Выходной сигнал Y = 1 регистрируется по загоранию светодиода HL 1. Для каждого ЛЭ привести схему включения, типовое обозначение и реализуемую логическую функцию.

3.5. Снять таблицы состояний устройств проверки на четность

(карта I–7) и сравнения двухразрядных чисел (карта I–8). Провести операции по аналогии с п. 3.4. Зарисовать исследуемые схемы с обозначением типа ЛЭ.

Содержание отчета

В отчете представить: цель работы, исследуемыесхемы (8 шт), таблицы измерений (2 шт.), графики статических характеристик ЛЭ И-НЕ

(2 шт.), таблицы состояний (7 шт.) и ЛФ всех устройств.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия базового ЛЭ ТТЛ.

2. Объяснить вид полученных характеристик ЛЭ.

3. Чем определяются предельные уровни сигналов и ?

4. Как влияет нагрузка на уровень выходного сигнала ЛЭ?

5. Условия согласования ЛЭ с источником сигнала.

6. Как образуется и применяется «висячая» единица в ЛЭ ТТЛ?

7. Объяснить полученные таблицы состояний типовых ЛЭ.

8. Принцип действия и таблицы состояний устройства контроля на четность и устройства сравнения двухразрядных чисел.

9. Чем определяется максимальное значение входного тока ЛЭ?

10. При каких условиях на выходных транзисторах ЛЭ выделяется максимальная мощность?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТИПОВЫХ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ

Цель работы

Изучить принцип действия и режимы работы типовых комбинационных устройств на основе экспериментальных таблиц состояний.

Общие положения

Комбинационными (КС) называют логические схемы, выходные сигналы которых определяются текущими значениями входных сигналов. К типовым КС относятся: мультиплексоры, дешифраторы, арифметико-логические устройства и ряд других.

2.1. Мультиплексор

Это устройство предназначено для передачи двоичных сигналов с нескольких входов на один выход, то есть оно выполняет функции бесконтактного переключателя с логическим управлением.

Пример обозначения мультиплексора вида 4:1 приведен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Обозначение мультиплексора Рис. 2.2. Обозначение демультиплексора

Он имеет четыре информационных входа D 0, D l, D 2, D 3; адресные входы А и В, вход разрешения V и один выход F. В некоторых мультиплексорах на ИС возможен также инверсный выход . На выход F передается сигнал с того входа , номер которого соответствует двоичному коду на адресных входах. В общем случае количество информационных m и адресных входов n связаны зависимостью .

Для изображенного на рис. 2.1 мультиплексора логическая функция выхода имеет вид: , а таблица состояний показана в табл. 2.1. Таблица 2.1

В	А	V	F
			D 0
			D l
			D 2
			D 3
X	Х

Последняя строка таблицы показывает, что при

V = 0 независимо от сигналов В и А выходной сигнал F = 0.

Мультиплексор может применяться как универсальный ЛЭ, если на адресные входы подавать сочетания входных переменных, а на информационных входах установить сигналы, соответствующие выходной переменной, полученной для

этих сочетаний из таблицы истинности или логической функции.

2.2. Демультиплексор

По выполняемым функциям это устройство противоположно мультиплексору. В нем сигнал с одного информационного входа V передается в необходимой последовательности на несколько выходов F 0, F l... , номера которых задаются на адресных входах А, В двоичным кодом

(рис. 2.2). Работа демультиплексора описывается логическими функциями: ; ; ; .

2.3. Дешифратор (декодер)

Это устройство преобразует двоичный код входного сигнала в активный уровень одного из выходов, при этом остальные выходы неактивны. Указанное преобразование возможно лишь при наличии разрешающего сигнала на входе V. Обозначается дешифратор символом DC. Дешифратор чаще всего используется как преобразователь кодов, например, двоичного в десятичный или другой специальный код.

2.4. Сумматор

Предназначен для суммирования чисел в двоичном коде. При сложении многоразрядных чисел требуется, начиная со второго разряда, сложение трех чисел: двух слагаемых разрядов А 1, В 1 и результата переноса предыдущего разряда . Для этого используются полные сумматоры (рис. 2.3), имеющие дополнительный вход переноса , необходимый для наращивания разрядности сумматора, выходы суммы S и переноса Р.

Рис. 2.3. Обозначение полного сумматора

Если полный сумматор применяется в младших разрядах, то на его вход должен быть подан сигнал .

Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации стенда ОАВТ. Установить на стенде плату П4 и включить питание тумблером на задней панели стенда.

3.2. Снять таблицы состояний дешифратора (карта IV–1) и преобразователя кодов (карта IV–2).

Входные сигналы подаются тумблерами SA 1– SA 5 (положение тумблера «вверх» соответствует Х = 1, а «вниз» – Х = 0). Выходные сигналы фиксируются по индикаторам HL, HG. Зарисовать исследуемые схемы.

3.3. Снять таблицу состояний мультиплексора (карта IV–3).

Сигналы от тумблеров SA 1– SA 3 подаются на информационные входы (D 1– D 7) через дешифратор D 1 с помощью кнопки SB 2, на адресные входы (1–2–4) – через параллельный регистр D 3 с помощью кнопки SB 3. Результаты занести в табл. 2.2. Выключить стенд и снять плату П4.

Зарисовать исследуемую схему.

Таблица 2.2

SA 3	SA 2	SA 1	SB 2	SB 3	D 7, D 6,.. D 0	F (HL 1)


……	…….	…….	…….	……	……………	………

3.4. Установить на стенде плату ПЗ и исследовать четырехразрядный сумматор D 2 (карта III–3). Для этого произвести сложение двух чисел и , где n = 1–10 – номер варианта.

Предварительно перевести и в двоичные числа и . Задать слагаемое тумблерами SA 1– SA 4 и ввести его в сумматор через параллельный регистр D (при V = 1) нажатием кнопки SB 1. Затем задать тумблерами SA 1– SA 4 слагаемое и зарегистрировать результат суммирования по индикаторам HL и HG дважды: при сигнале переноса, (кнопка SB 3 не нажата) и при сигнале . Повторить сложение для другой пары чисел и . Результаты занести в табл. 2.3.

Таблица 2.3

		HL 1 HL 2… HL 5 HL 6… HL 9 HG 1
n
n + 4

Зарисовать исследуемую схему (без вспомогательных элементов).

Содержание отчета

В отчете представить: цель работы, экспериментальные таблицы состояний (4 шт.), схемы с обозначением типов всех ИС (4 шт.).

Контрольные вопросы

1. Сформулировать и записать в виде логических функций условия появления активного уровня сигнала на выходах дешифратора.

2. Пояснить связь между двоичным, десятичным и шестнадцатиричным кодами и подтвердить вывод экспериментальной таблицей состояний преобразователя кодов.

3. Сформулировать принцип действия мультиплексора и подтвердить его таблицей истинности и логической функцией.

4. Какие соотношения между количеством входов и выходов у мультиплексора и демультиплексора?

5. Определить активные уровни сигналов V, C, , _, F в схеме для исследования мультиплексора (карта I–3).

6. Показать на примере возможность использования мультиплексора как универсального ЛЭ (при реализации типовых логических функций).

7. Пояснить назначение входов и выходов всхеме исследуемого сумматора и полученную для него таблицу состояний.

8. Показать двоичные сигналы на всех входах и выходах четырехразрядного сумматора при сложении двух чисел , , ,

(где n = 1–10 – номер варианта).

9. При каких условиях демультиплексор и дешифратор взаимозаменяемы?

10. Как подключается вход переноса полного сумматора при каскадном наращивании разрядности?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3