Дослідження логічних елементів

 

Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі логічних елементів.

Прилади та обладнання:

1.Кнопкові перемикачі-7 шт.

2.Лампи розжарювання типу МН 3,5-0,26 - 4 шт.

3.Вольтметр напруги пост. струму 50 В.

4.Логічні ІМС серії К155.

5.З’єднувальні провідники.

6.Реле пост. струму типу РЄС - 2 шт.

7.Універсальний лабораторний стенд.

 

Основні теоретичні положення:

Автоматичні системи керування у своїй роботі використовують велику кількість операцій логічного характеру. Для побудови схем керування технологічними процесами використовують спеціальний математичний апарат - алгебра логіки. Теоретичні положення алгебри логіки вперше сформував англійський математик Д. Буль (1815-1864). У булєвій алгебрі функції та їх змінні можуть приймати тільки два значення: “0” та “1” (логічний “0” та логічна “1”). Зі змінними можна виконувати три основні логічні дії: додавання, множення, інверсію, що відповідає трьом елементарним логічним функціям “АБО”, “І”, “НІ”.

Логічна функція “АБО”- логічне додавання (диз’юнкція) позначається у = х1+х2 (у = х1 х2) і читається так: у дорівнює х1 або х2. Функція у приймає значення “1”, якщо х1 дорівнює “1” або х2 дорівнює “1”.

Логічна функція “І”- логічне множення (кон’юнкція) позначається у = х1·х2 і читається так: у дорівнює х1 помножити на х2. Функція у приймає значення “1” тоді і тільки тоді, коли і х1, і х2 мають значення “1”.

Логічна функція “НІ” – логічна інверсія позначається у = ¯х і читається так: у дорівнює не х (або у є інверсія х).

На основі елементарних логічних функцій “АБО”, “І”, “НІ” створена велика кількість більш складних функцій: “І-НІ”, “АБО-НІ”, “І-АБО”, “І-АБО-НІ” та ін. Кількість входів логічного елементу може бути не тільки 2, а й 3,4,5 і т.і. (для спрощення розглядаємо 2-входові логічні елементи).

Логічна функція “І-НІ” – заперечення кон”юнкції (операція Шеффера). Позначається у = х1·х2.

Логічна функція “АБО-НІ” – заперечення диз”юнкції (операція Пірса). Позначається у = х1+х2.

Стан логічних елементів, що характеризується вихідними сигналами при відповідних вхідних сигналах (таблиця істинності) наведений у табл.1.

 

 

Таблиця 1

Стан логічних елементів (таблиця істинності)

Х 1	Х 2	У
		АБО	І	НІ	І - НІ	АБО - НІ

Схематичне зображення логічних елементів у відповідності з ЕСКД наведено на рис.1.

Рис. 1. Умовне графічне позначення основних логічних елементів:

а) – “АБО”; б) – “І”; в) – “І-НІ”; г) – “НІ”; д) – “АБО-НІ”.

 

Реалізація логічних елементів повинна бути на таких технічних елементах, які мають два стійких стани, один з яких відповідає логічній одиниці, а другий – логічному нулю. Такими електротехнічними елементами були спочатку електромагнітні реле, потім електровакуумні лампи, а потім широкого розповсюдження набули напівпровідники – діоди, транзистори, а потім - інтегральні мікросхеми. Сучасна цифрова інтегральна мікросхема (ІМС) містить в одному корпусі мільйони транзисторів, на яких реалізовані мільйони логічних елементів простішого типу чи дещо менша кількість більш складних.

Система маркірувань логічних ІМС складається з буквенно-цифрового коду за чотирма позиціями:

Перша - літера, що означає основний матеріал, з якого виготовлена ІМС;

Друга - три цифри, що означають серію ІМС, підгрупу, та порядковий номер розробки мікросхеми по функціональній ознаці у даній серії;

Третій – дві літери – спочатку “Л” – логічна, а далі – варіанти: “І” – функція “І”, “Л” – “АБО”, “Н” – “НІ”, “Б” - “І-НІ/АБО-НІ”, “С” – “І-АБО” та ін.

Четвертий – цифра, означає підвид мікросхеми даної серії за яким-небудь параметром, відмінним від аналогічних параметрів інших мікросхем.

Наприклад, К155ЛА3 – логічна ІМС 155-серії, з кремнію, виконує функцію “І-НІ”, підвид “3”.

Логічні елементи простішого типу, які можна реалізувати на дискретних напівпровідниках – діодах, транзисторах з використанням також опорів – резисторів – представлені на рис.2.

 

Рис.2. Логічні схеми простішого типу:

а) “АБО”, б) “І”, в) “НІ”, г) “І-НІ”, д) “АБО-НІ”.

 

Електричний аналог логічного елементу “І” (рис.3,б) складений з послідовно з’єднаних джерела живлення GB, кнопкових перемикачів SB1, SB2 та лампи розжарювання HL (МН 3,5 – 0,26). Перемикачі імітують вхідні електричні сигнали, а лампа розжарювання – вихідний сигнал. Розімкнені контакти кнопок відповідають сигналам логічного “0”, замкнені – “1”. Таким чином лампа засвітиться тоді і тільки тоді, коли обидва перемикачі будуть замкнені. На рис.3,в зображені часові діаграми електричних процесів, які дають уявлення про роботу логічного елемента “І”. На вході Х1 сигнал з’являється першим. Далі як тільки з’являється сигнал Х2, одночасно з’являється сигнал і на виході У, який існує до тих пір, поки на обох входах знаходяться сигнали “1”. Про стан логічного елемента та зв’язок між вхідними та вихідними сигналами несе інформацію таблиця істинності (рис.3,г).

 

Рис.3. Логічний елемент "І": а) - умовне позначення; б) – електричний аналог елементу; в) – часові діаграми; г) – таблиця істинності

Рис.4. Логічний елемент "АБО": а) - умовне позначення; б) – електричний аналог елементу; в) – часові діаграми; г) – таблиця істинності

Рис.5. Логічний елемент "НІ": а) - умовне позначення; б) – електричний аналог елементу; в) – часові діаграми; г) – таблиця істинності

Рис.6. Логічний елемент "І-НІ": а) - умовне позначення; б) – електричний аналог елементу; в) – часові діаграми; г) – таблиця істинності

Умовний символ логічного елементу “АБО” – цифра 1 у середині прямокутника (рис.4,а). У цього елемента також може бути два і більше входів. Сигнал на виході У відповідає “1” у випадках, якщо хоча б на одному вході – чи Х1, чи Х2, чи водночас на двох входах діє “1”. Електричний аналог такої схеми (рис.4,б) вказує на те, що лампа HL засяє та просигналізує, що У=”1” тоді, коли натисканням на кнопку SB1 подано вхідний “1” сигнал на Х1, або натисканням на кнопку SB2 подано вхідний “1” сигнал на Х2, або одночасно на Х1 та Х2 подано “1”. Також це пояснюють часові діаграми (рис.4,в) та таблиця істинності (рис.4,г).

Умовний символ логічного елементу “НІ” – також цифра 1 у прямокутникові (рис.5,а). Але у нього один вхід і один вихід. Невеликий кружечок, яким починається лінія вихідного сигналу, символізує логічне заперечення “НІ” на виході елемента. На мові цифрової техніки “НІ” означає, що даний елемент є інвертором – електронним пристроєм, вихідний сигнал якого протилежний вхідному. Інакше кажучи, якщо на вході “0”, то на виході “1” та навпаки. Електричний аналог елемента “НІ” представлений на рис.5,б. Доки контакти SB розімкнені, обмотка реле KV обезструмлена, контакти реле KV замкнені і відповідно лампа HL горить. При натисканні на кнопку SB її контакти замикаються, імітуючи появу вхідного сигналу, реле спрацьовує і розмикає контакт KV, лампа HL гасне, сигналізуючи про появу на виході “0”(Див. рис.5,в та рис.5,г).

На рис.6,б зображений електричний аналог логічної схеми “І-НІ”. У початковому стані, коли контакти кнопок розімкнені, лампа горить, символізуючи стан логічної “1” на виході. Після натискання однієї з кнопок індикаторна лампа продовжує сяяти, а гасне лампа при замиканні кнопок SB1, SB2. При цьому спрацьовує реле KV, яке розмикає свої нормально замкнуті контакти KV. Таким чином якщо на одному або на всіх входах елементу І-НІ “0” (коли контакти вхідних кнопок розімкнені), на виході діє сигнал логічної “1”, а зникає він при появі “1” сигналів на всіх входах елементу І-НІ (рис.6,в, рис.6,г ).

Дуже важливою є динамічна характеристика логічного елементу, яка показує у динаміці зміну вихідної напруги (чи вихідного струму) під дією вхідного сигналу (рис.7).

Рис.7. Динамічна характеристика логічного елементу

Чим вища швидкодія логічного елементу, тим меншими значеннями часових інтервалів мають бути t_0.1,t_1.0 при тій умові, що збільшення частоти обробки інформації супроводжується зменшенням періоду коливань T.

Порядок виконання роботи:

1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами

по вивченню логічних елементів, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (рис. 3-6).

3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Встановити вказане значення напруги (Вольтметр 1).Користуючись перемикачами задавати необхідні значення вхідних сигналів та відповідно до таблиці 1 за вихідними сигналами розпізнати логічний елемент.

5.Закінчивши виконання роботи,вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.

Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання:

1.Наведіть умовні графічні позначення простіших логічних елементів.

2.Поясніть фізичний сенс двійкової системи числення.

3.Складіть електричні аналоги логічних елементів " І ", " НІ "," АБО ", " І-НІ ", "АБО-НІ".

4.Побудуйте часові діаграми для простіших логічних елементів (аналогічно з діаграмами рис.3 в) … 6 в).

5.Вкажіть параметри та характеристики логічних елементів на ІМС.

6.Поясніть динамічну характеристику логічних елементів.

7.Поясніть маркірування логічних ІМС.

8.Що впливає на швидкодію логічних ІМС?

9.Поясніть принцип дії електричних аналогів логічних елементів (рис. 3в…6в).

Література: [ 2 ], с 132 …167.

Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.

Лабораторна робота №8