Лабораторная работа № 1. Исследование типовых логических элементов на микросхемах

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 7

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет       АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ   Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Электроника” для студентов по направлению “Приборы” дневной и заочной форм обучения     Севастополь 2013

УДК 629. 114.6

Анализ и синтез логических схем цифровых устройств. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине “Электроника” / Сост.: Л.Е.Карташов – Севастополь: издательство СевНТУ, 2013. – 16 с.

Руководство предназначается для оказания помощи студентам при выполнении лабораторных работ по анализу и синтезу цифровых логических устройств, изучаемых в рамках дисциплины “Электроника”. В нем определены цели лабораторных работ, изложены теоретические положения, необходимые для выполнения работ, порядок выполнения экспериментов, требования к объёму и содержанию отчётной документации.

Методические указания предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению 6.051003 “Приборы”.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры АПС, протокол № 4 от 09.10.2012 г.

Методические указания рассмотрены и утверждены на научно-методическом совете СевНТУ, протокол №__ от 20__ г.

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.

Рецензенты:

С.П.Волков, к.т.н., доцент кафедры АТПП

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1. Исследование типовых логических элементов на микросхемах 3

1. Цель работы.. 3

2. Теоретический раздел. 3

3. Описание лабораторной установки. 7

4. Порядок выполнения теоретических расчетов. 7

5. Порядок выполнения экспериментальных исследований. 7

6. Содержание отчета. 7

7. Контрольные вопросы.. 7

Лабораторная работа № 2. Синтез логических схем цифровых устройств. 8

1. Цель работы.. 8

2. Теоретический раздел. 8

3. Описание лабораторной установки. 13

4. Порядок выполнения теоретических расчетов. 14

5. Порядок выполнения экспериментальных исследований. 15

6. Содержание отчета. 15

7. Контрольные вопросы.. 15

Библиографический список. 15

Лабораторная работа № 1.
Исследование типовых логических
элементов на микросхемах

1. Цель работы

Изучение принципа работы, основных параметров и характеристик типовых логических элементов на микросхемах, экспериментальное исследование типовых логических элементов с целью получения таблиц истинности.

2. Теоретический раздел

В цифровой технике для преобразования (обработки) информации используются различные комбинационные логические и арифметические устройства, сигналы на выходах которых в любой момент времени однозначно определятся сочетанием сигналов на их входах и не зависят от предыдущих состояний.

При всем многообразии задач, решаемых с помощью цифровой техники, функционирование элементов происходит в двоичной системе счисления, оперирующей только с двумя цифрами: нуль (0) и единица (1), а математическом аппаратом, на основе которого проектируются и реализуются цифровые устройства, является алгебра логики (булева алгебра).

Как известно, предметом рассмотрения алгебры логики являются выказывания (утверждения), которые могут оказаться либо истинными, либо ложными. Следовательно, истинность высказывания может принимать, подобно цифрам в двоичной системе счисления, только два значения: “истинно” соответствует цифре 1 и “ложно” – цифре 0.

Простые высказывания, объединенные логическими операциями (связями), образуют сложное высказывание. Если простые высказывания обозначить буквами X ₁ , X ₂ , X ₃,…, а сложное – буквой Y, то логические операции можно записать математически.

Существуют три основных типа логических операций.

Логическое умножение (операция И), или конъюнкция (обозначается или , или еще проще , читается “X ₁ и X ₂”). Эта операция означает, что сложное высказывание истинно лишь тогда, когда истинны все (в данном случае два) простые высказывания. Представленная в виде таблицы, где показаны значения истинности Y в зависимости от значений X ₁ и X ₂, операция конъюнкции имеет вид

Логическое сложение (операция ИЛИ), или дизъюнкция (обозначается или , читается “X ₁ или X ₂”). Эта операция означает, что сложное высказывание истинно, если истинно хотя бы одно из простых высказываний, и тем более, если истинны оба высказывания:

Логическое отрицание (операция НЕ), или инверсия (обозначается , читается “не X”). Эта операция означает, что сложное высказывание истинно, если простое ложно, и наоборот:

В соответствии с тремя основными операциями алгебры логики в схемах цифровых устройств используются следующие логические элементы, входные переменные которых часто обозначают через х_i , а выходные через y_i:

1) элемент И (называемый также схемой логического умножения, конъюнктором, схемой совпадения), условно изображаемый, как показано на рис. 1.1, а;

Рисунок 1.1 – Условные графические обозначения цифровых элементов

2) элемент ИЛИ (схема логического сложения, дизъюнктор, сборка), условно изображаемый, как показано на рис. 1.1, б;

3) элемент НЕ (схема логического отрицания, инвертор), условно изображаемый, как показано на рис. 1.1, в.

Этот набор элементов называют основным базисом или основной функционально полной системой элементов. Последнее означает, что с помощью этих элементов можно создать схему, осуществляющую любую сколь угодно сложную логическую операцию.

В интегральной схемотехнике особенно широко используют элементы других базисов: ИЛИ–НЕ (стрелка Пирса, обозначаемая ) и И–НЕ (штрих Шеффера, обозначаемый ). На схемах они обозначаются, как показано на рис. 1.1 г, д. соответственно. Следует заметить, что каждый из этих элементов представляет собой функционально полную систему элементов.

Кроме этого, в виде отдельной микросхемы, используется элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ, реализующий логическую функцию X ₁ ~ X ₂ и обеспечивающий уровень выходного сигнала логической единицы в случае равенства входных переменных. Он служит основой для построения цифровых компараторов и сумматоров. Наряду с ним существует логический элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ или ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, реализующий логическую функцию и обеспечивающий уровень выходного сигнала логической единицы в случае неравенства входных переменных.

По виду кодирования двоичных цифр электрическими сигналами на входе и выходе элементы дискретной техники делят на потенциальные и импульсные.

В потенциальных элементах нулю и единице соответствуют два резко отличающихся по уровню напряжения, называемые высоким и низким уровнями. При этом напряжения могут быть как положительными, так и отрицательными относительно корпуса, электрический потенциал которого принимается равным нулю.

Различают элементы, работающие в положительной и отрицательной логике.

В положительной логике за логическую единицу принят высокий уровень напряжения (например, +2,5 В при положительной полярности уровня напряжений или –0,5 В при отрицательной полярности уровней напряжения, как показано в таблице 1), а за логический нуль – низкий уровень (т.е. +0,5 В при положительной или –2,5 В при отрицательной полярности уровней напряжения). В широко распространенной транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) высокий уровень выходного напряжения лежит в пределах от 2,4 В до 3,3 В, низкий уровень – от 0,2 В до 0,4 В. Для входного напряжения эти пределы принимают значения от 2 В до 3,3 В и от 0,2 В до 0,8 В соответственно,

Таблица 1.1 – Уровни логических сигналов

Вид логики
Положительная	Отрицательная

В импульсных элементах в одном варианте логической единице соответствует наличие импульса напряжения (рис. 1.2, а, б). Импульс может быть как положительным, так и отрицательным. Логическому нулю соответствует отсутствие импульса (рис. 1.2, а) или значительно меньший по значению импульс, называемый “помехой” нуля, как показано на рис. 1.2, б. В другом варианте единице соответствует положительный, а нулю – отрицательный импульс (рис. 1.2, в).

Рисунок 1.2 – Виды импульсного кодирования цифровой информации

Используются также комбинированные импульсно-потенциальные элементы, в которых одна часть сигналов кодируется различными уровнями напряжения, а другая – импульсами. Как правило, в полупроводниковых схемах применяют потенциальные и импульсно-потенциальные элементы, а в магнитных – импульсные.

Любое дискретное устройство и составляющие его элементы и узлы осуществляют ту или иную булеву функцию. Известно, что булеву функцию можно задать тремя способами: содержательно (путем словесного описания), таблично и алгебраически. Таблицы, показывающие связь между входными и выходными переменными комбинационных устройств, называют таблицами истинности, а алгебраическая форма этих связей представляет систему алгебраических функций:

y 1 = y 1 (x 1 , x 2 , …, x n ),

y 2 = y 2 (x 1 , x 2 , …, x n ),

……………………,

y s = y s (x 1 , x 2 , …, x n )

В данной лабораторной работе необходимо по результатам эксперимента получить таблицы истинности для основных логических элементов.

3. Описание лабораторной установки

В состав лабораторной установки входят: лабораторная макетная плата, блок питания и контактные перемычки.

4. Порядок выполнения теоретических расчетов

Выучить принцип работы, параметры, характеристики, схемы включения и возможности применения типовых логических элементов на микросхемах. Подготовить таблицы истинности для логических элементов И, ИЛИ, НЕ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и РАВНОЗНАЧНОСТЬ.

5. Порядок выполнения экспериментальных исследований

1. На лабораторном стенде собрать с помощью контактных перемычек схему для исследования логической микросхемы И. Напряжение на входы схемы подавать при помощи переключателей X1…X4. Коммутация верхних контактов позволяет подавать на схему прямой сигнал, коммутация нижних – инверсные.

2. Построить таблицу истинности для исследуемого элемента. Состояние входов и выхода элемента определяется при помощи светодиодов.

3. Повторить пункты 1 и 2 для элементов ИЛИ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и РАВНОЗНАЧНОСТЬ.

4. На лабораторном стенде собрать с помощью контактных перемычек схему для исследования логической микросхемы НЕ. Для реализации элемента НЕ объединить входы логической микросхемы И–НЕ или ИЛИ–НЕ.

5. Построить таблицу истинности для исследуемого элемента НЕ.

6. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Условные графические обозначения логических элементов.

3. Логические выражения для исследуемых логических элементов.

4. Таблицы истинности по результатам экспериментов.

5. Выводы по работе.

7. Контрольные вопросы

1. Основные параметры логических элементов.

2. Назовите основные типы логических операций.

3. Что такое основной базис логических элементов?

4. На какие виды по виду кодирования двоичных цифр делят цифровые микросхемы?

5. Назовите уровни напряжений логического нуля и единицы для элементов транзисторно-транзисторной логики?