Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

Методические указания к выполнению цикла

лабораторных работ

по дисциплине «Электроника»

для студентов специальности 220201.65

всех форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково 2010

ЦЕЛЬ ЦИКЛА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ: изучить базовые логические элементы и основные комбинационные устройства, а также исследовать особенности счетчиков электрических импульсов и устройство модели четырехзразрядной ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Комбинационными называют функциональные узлы, которые не содержат элементов памяти (триггеров). Состояние такого узла однозначно определяется комбинацией входных сигналов и не зависит от предыдущего состояния. К этому классу функциональных узлов относятся логические ИС, шифраторы, дешифраторы, кодопреобразователи, устройства сравнения, сумматоры, муль­типлексоры. Эти узлы имеют микроэлектронное исполнение, т. е. являются микросхемами, но могут быть также реализованы на основе нескольких ИС, более простых в функциональном отношении. Логические ИС выполняют операции конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ), инверсии (НЕ) и более сложные логические операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др.

Логическая функция - это функция логических переменных, которая может принимать только два значения: 0 или 1

Логический элемент - это устройство, реализующее ту или иную логическую функцию.

Y=f(X1,X2,X3,...,Xn) - логическая функция, она может быть задана таблицей, которая называется таблицей истинности.

Число строк в таблице - это число возможных наборов значений аргументов. Оно равно 2ⁿ, где n - число переменных. Таблицы истинности показывают, каким будет сигнал на выходе, т. е. низкого уровня (лог. 0) или высокого уровня (лог. 1), при той или другой комбинации сигналов на входах.

Дешифратором называется преобразователь кода, в котором при поступлении на вход определённого символа двоичного кода возбуждается один из выходов. Количества входов и выходов полного дешифратора, т.е. дешифратора, использующего все комбинации двоичного кода, связаны соотношением: N=2^m, где N – число выходов дешифратора; m – число двоичных входов.

Сумматором называется устройство, образующее сумму двух чисел, представленных сигналами на его входах. Существующие сумматоры можно классифицировать по ряду различных признаков – по способу реализации суммирующей схемы, по способу обработки многоразрядных чисел, по способу реализации переноса и т.д. Операция суммирования осуществляется в сумматорах поразрядно с использованием одноразрядных суммирующих схем. При этом в каждом требуется выполнить сложение трех двоичных цифр: цифры данного разряда первого слагаемого x_i , цифры этого же разряда второго слагаемого y_i и цифры переноса P_i из соседнего младшего разряда.

Преобразователем кодов называется устройство для автоматического изменения по заданному алгоритму соответствия между входными и выходными кодами без изменения их смыслового содержания.

Мультиплексоры и демультиплексоры – цифровые многопозиционные переключатели, по другому, коммутаторы. Мультиплексоры предназначены для коммутации в желаемом порядке информации, поступающей с нескольких входных шин на одну выходную.

Устройство контроля четности предназначено для проверки кодовых комбинаций, поступающих на его входы, на наличие в них четного (нечетного) числа единиц.

Кроме комбинационных устройств, существует класс цифровых устройств, в которых при одинаковых воздействиях на входе, на выходе автомата могут возникать различные выходные состояния. Состояние выхода такого устройства зависит не только от того, какие сигналы присутствуют на его входах в данный момент времени, но и от того, какие последовательности сигналов поступали на входы устройства в предшествующие моменты времени, т.е. как говорят, автомат помнит свою предысторию и хранит ее в памяти. Поэтому такие устройства называют последовательными или микросхемами с памятью.

В качестве элементов памяти могут быть применены как однобитовые элементы памяти (различные типы триггеров), так и многобитовые (многоразрядные) цепочки триггеров.

Триггеры - элементарные цифровые автоматы с двумя устойчивыми состояниями. Одному состоянию присваивается значение 0, другому - 1, служит для хранения информации. Различают RS, D, T (счетный), JK (универсальный) триггеры.

Регистры - нашли широкое применение для приема, хранения и выдачи информации. Регистр состоит из триггеров, число которых равно числу разрядов кодов комбинации. Имеется несколько разновидностей регистров. Наибольшее применение получили регистры сдвига, или последовательные регистры, запись информации в которые производится только через первую ячейку, и регистры памяти, или параллельные регистры, запись в которые производится через се ячейки.

По способу записи информации, регистры делятся на 3 типа:

1. Параллельные (регистры памяти);

2. Последовательные (регистры сдвига);

3. Параллельно-последовательные.

В параллельные регистры запись числа осуществляется параллельным кодом, т.е. во все разряды одновременно.

Последовательные регистры характеризуются последовательной записью кода числа, начиная с младшего или старшего разряда, путем последовательного сдвига кода тактирующими импульсами.

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОРУДОВАНИЯ

Методические указания к лабораторным работам по элементам, узлам и устройствам циф­ровой техники разработаны на инженерно-строительном факультете БИТТУ преподавателями кафедры УИТ БИТТУ. Основой практикума является универсальный стенд ОАВ 1.

Назначение универсального стенда

Стенд предназначен для проведения лабораторных занятий по курсу «Электроника». Электрическая схема и фотография стенда ОАВ 1 представлены на рис. 1 и рис. 2 соответственно.

Рис. 1- Схема электрическая принципиальная универсального стенда ОАВ1

Рис.2- Внешний вид универсального стенда ОАВ 1

Стенд позволяет проводить лабораторные работы по изучению и исследованию следующих элементов, узлов и устройств цифровой макросхемотехники:

1. Логических элементов НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И, И-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ;

2. Комбинационных устройств, собранных на базовых логических элементах - трехразрядного устройства проверки на четность, устройства сравнения двух двухразрядных чисел, двоичного однораз­рядного сумматора (два варианта);

3. Комбинационных устройств, выполненных в виде самостоятельных ИМС-дешифратора, демультиплексора, мультиплексора, преобразователя двоичного кода в код семисегментного индикатора, четырехразрядного двоичного сумматора, четырехразрядного арифметическо-логического устройства;

4. Устройств с памятью, собранных на базовых ло­гических элементах - RS -триггера на элементах И-НЕ, RS – триггера на элементах ИЛИ-НЕ;

5. Устройств с памятью, выполненных в виде самостоятельных ИМС: RS- триггера, D - триггера, Т - триггера, двухразрядного параллельного регистра, двухразрядного последовательного регистра, четырехразрядного универсального регистра, кольцевого счетчика, суммирующего и вычитающего двоичных счетчиков, счетчика с коэффициентом счета, некратным степени 2, реверсивного счетчика с предустановкой, оперативного запоминающего устройства с организацией 16х4 бит.

6. Модели микроЭВМ в составе: АЛУ, ОЗУ, регистров операндов, команды и адреса, регистра-аккумулятора, мультиплексора общей шины, дешифратора сигналов управления, устройств ввода и вывода информации.

Стенд состоит из общего блока ввода-вывода информации и шес­ти сменных плат, на которых установлены все исследуемые элемент, узлы и устройства. Стенд комплектуется набором сменных технологических карт (28 штук) с функциональными схемами исследуемых устройств.

Описание блока ввода-вывода информации

Разъём XI предназначен для подключения сменных плат с исследуемыми устройствами П1-П6.

На передней (наклонной) панели блока установлены тумблеры (SА1 - SА5) и кнопки (SВ1-SВ3) ввода информации и задания режимов работы исследуемых устройств. Выводы всех тумблеров и кнопок, кроме SВ1, подключены непосредственно к контактам разъёма XI. В разъем XI вставляются платы П1-П6.Переключатели SА1- SА4, SВ2 и SВЗ предназначены для подачи логических сигналов с уровнями "О" (соответствующий вывод замкнут на общий провод) или "I" (вывод - на +5В). Тумблер SА5 подключается всеми своими выводами к разъёму и поэтому может использоваться в качестве переключателя "двух сигналов в одну линию" или, наобо­рот, "одного сигнала на два направления". Кнопка SВ1 подключена к схеме защиты от "дребезга" на триггере. С помощью этой кнопки на выходе триггера формируется одиночный импульс с крутыми фронтами необходимый для нормальной работы исследуемых триггеров, регистров и счетчи­ков. При нажатии SВ1 появляется логический 0, а при отпускании - логическая I. Этот блок в дальнейшем на схемах обозначается как формирователь одиночного импульса (Fת.).

На передней панели блока установлен светодиодный дисплей для индикации режимов работы, а также входной и выходной информа­ции исследуемого устройства. Дисплей состоит из девяти светодио­дов НL1 - HL9, позволяющих индицировать в 9 разрядах уровни логической "I" (светодиоды светятся) и логического "О" (не све­тятся) , и семисегментного индикатора НG1 для индикации числа в десятичном или шестнадцатеричном виде.

Индикатор НG1 подключается к исследуемой схеме через деши­фратор на ИМС, преобразующий четырехразрядный двоичный код в семисегментный код индикатора НG1. Светодиоды НL1 - НL9 подключаются к элементам схемы через инверторы. В дальнейшем устройство, содержащее дешифратор, индикатор НG1, инверторы с подключенными к ним светодиодами НL1 - НL9, обозначается как блок индикации (БИ).

Помимо описанных устройств ввода и вывода информации основ­ной блок содержит следующие вспомогательные устройства:

- несколько инверторов, реализующих вспомогатель-ные функции в платах П4 и П6;

- Тумблеры и кнопки, формирователь Fл, инверторы образуют блок управления.

Описание плат П1-П6 и технологических карт.

Плата П1

Логические элементы и устройства, расположенные на плате П1, исследуются при подаче на их входы логических сигналов (0 или I) от тумблеров SА1 - SА5. Уровень сигнала, подаваемого от соответ­ствующего тумблера, определяется по положению подвижного контакта (вверху - I, внизу - 0), уровень выходного сигнала - по свечению индикаторов НL1 - НL9.

Все исследуемые элементы и устройства собраны на печатной плате П1. Используя технологические карты(шаблоны) 1.1-1.9, мож­но провести исследование девяти устройств.

Карта 1.1 разрешает использование тумблеров SА1, SА2 и индикатора НL3. В этом случае устройством реализуется функция функция И-НЕ.

Карта 1.2 Разрешается использование SА1, SА2 и НL5. Реали­зуется логическая функция И-НЕ и далее НЕ (элемент D2.2). Следовательно, по отношению к входным сигналам SА1(Х1) и SА2(Х2) выходной сигнал У (НL5) определяется логической функцией И.

Карта.1.3. Разрешается использование SА1, SА2 и НL2. Функция

ИЛИ-НЕ.

Карта 1.4. SА1, SА2 и НL4. Реализуемая функция ИЛИ.

Карта 1.5. SА1, SА2 и HL6. Реализуемая функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (сумматор по модуля 2).

Карта 1.6. SА1, SА2 и НL7. Реализуемая функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ (НЕ­РАВНОЗНАЧНОСТЬ).

Карта 1.7. SА1, SА2, SАЗ и НL9. Трехразрядное устройство проверки на четность.

Карта 1.8. SА1, SА2, SА4, SА5 и НL1. Устройство сравнения двух двухразрядных чисел. Х1(SА1) Х2( SА4) и Z1(SА2) Z2( SА5). При выполнении условия XI Х2 = Z1 Z2 на выходе появляется I (све­тится НL1).

Карта 1.9 SА1, SА2 и НL8, НL5. Одноразрядный сумматор по модулю два. Выход суммы – НL8, выход переноса в следующий разряд –HL5.