Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Среднее Заочное отделение / 4 семестр / Цифровые и микропроцессорные устройства / Лаб. работы № 1...5 для учащихся ФЗиДО, 4 семестр (ЦиМПУ)

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
04.01.2020
Размер:
1.08 Mб
Скачать

Учреждение образования

«Белорусская государственная академия связи»

ЦИФРОВЫЕ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Лабораторный практикум для учащихся заочной формы обучения специальностей

2-45 01 33 – Сети телекоммуникаций 2-45 01 32 – Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения

4 семестр

Составитель:

Богородов В.И.

Утвержден на заседании кафедры ИКТ Протокол № 1 от 03.11.2015 г.

Зав. кафедрой Новиков В.И.

Минск

2015

Оглавление

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

 

СИНТЕЗ КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ В БАЗИСАХ И-НЕ, ИЛИ-НЕ

.........3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПРОСТЕЙШИХ

 

КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ .........................................................................

10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ .......................

15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТРИГГЕРОВ .........................................................................................

21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЧЕТЧИКОВ ........................................................................................

28

ЛИТЕРАТУРА .............................................................................................................................................

32

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

СИНТЕЗ КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ В БАЗИСАХ И-НЕ, ИЛИ-НЕ

Цель работы

1 Сформировать практические навыки синтеза комбинационных цифровых устройств (КЦУ) в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

2 Сформировать практические навыки и начальные умения построения принципиальных электрических схем КЦУ на микросхемах стандартной логики схемотехники КМОП.

Домашнее задание

1 Повторить по [5] или [7] теорию синтеза КЦУ и пример синтеза КЦУ в методических указаниях к данной лабораторной работе. В результате изучения учащиеся должны знать ответы на вопросы для самоконтроля.

2 Повторить по [5] или [7] УГО основных ЛЭ.

3 Выполнить индивидуальное задание № 1. Синтезировать КЦУ в базисе И, ИЛИ, НЕ согласно заданному варианту (таблица 4).

3.1Задать логическую функцию (ЛФ) с помощью карты Карно. Для МДНФ и МКНФ ЛФ использовать отдельные карты Карно.

3.2Минимизировать ЛФ с помощью карты Карно. Результат минимизации записать в МДНФ и МКНФ.

3.3Построить две логические схемы устройства по МДНФ и МКНФ ЛФ. Сравнить логические схемы по сложности.

3.4Проверить правильность функционирования логических схем устройства для пятого набора аргументов. Для этого проставить уровни сигналов на выводах всех логических элементов. Значения сигналов на выходах схем сравнить со значением ЛФ для пятого набора аргументов, они должны совпадать.

Таблица 4 – Исходные данные для синтеза КЦУ

Номер

 

Наборы

 

 

 

 

Номер варианта

 

 

 

набора

аргументов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

аргументов

x1

x2

x3

x4

f1

f2

f3

f4

f5

f6

f7

f8

f9

f10

f11

0

0

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

0

1

2

0

0

1

0

1

1

Ф

0

Ф

Ф

Ф

1

1

0

1

3

0

0

1

1

Ф

0

1

Ф

0

1

0

Ф

Ф

1

0

4

0

1

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

1

1

Ф

5

0

1

0

1

0

1

1

1

Ф

0

1

1

0

1

1

6

0

1

1

0

1

0

0

0

1

Ф

1

Ф

Ф

0

Ф

7

0

1

1

1

0

0

Ф

1

Ф

0

Ф

1

1

1

1

8

1

0

0

0

1

Ф

0

0

Ф

1

0

0

1

Ф

1

9

1

0

0

1

Ф

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

10

1

0

1

0

1

1

Ф

Ф

0

Ф

Ф

0

Ф

0

1

11

1

0

1

1

1

Ф

1

1

1

1

0

1

1

1

0

12

1

1

0

0

1

1

0

Ф

Ф

1

Ф

0

0

Ф

1

13

1

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

0

0

0

14

1

1

1

0

1

0

1

1

0

0

0

Ф

Ф

Ф

Ф

15

1

1

1

1

0

1

1

Ф

Ф

1

1

0

0

1

0

Вопросы для самоконтроля

1Перечислите способы, которыми можно задать одну и ту же ЛФ. Поясните в чем они заключаются?

2Перечислите этапы синтеза КЦУ и поясните их содержание.

3Объясните, что представляют собой СДНФ и СКНФ ЛФ?

4Сформулируйте правила перехода от табличной формы задания ЛФ к аналитической в СДНФ или СКНФ.

5Объясните, какие задачи решает минимизация и в чем заключается минимизация с помощью карт Карно?

6Объясните, из какой формы ЛФ и как осуществляется переход из базиса И, ИЛИ, НЕ в базисы И-НЕ и ИЛИ-НЕ?

7Зарисуйте условное графическое обозначение основных ЛЭ по ГОСТ 2.743-91 ЕСКД.

8Укажите, в какой последовательности выполняются логические операции И, ИЛИ, НЕ.

Порядок выполнения работы

1Проверка подготовки учащихся к занятию по вопросам самоконтроля в виде фронтального или программированного опроса.

2Проверка выполнения индивидуального задания № 1 по синтезу схем КЦУ.

3Выполнить индивидуальное задание № 2. Синтезировать в базисе И-НЕ КЦУ согласно заданному варианту, функционирование которого задано таблицей истинности (таблица 4).

3.1Преобразовать МДНФ ЛФ в базис И-НЕ.

3.2Построить логическую схему КЦУ в базисе И-НЕ.

3.3Построить принципиальную электрическую схему КЦУ в базисе И-НЕ на микросхемах схемотехники КМОП серии 1554.

4Выполнить индивидуальное задание № 3. Синтезировать в базисе ИЛИ-НЕ КЦУ согласно заданному варианту, функционирование которого задано таблицей истинности (таблица 4).

4.1Преобразовать МКНФ ЛФ в базис ИЛИ-НЕ.

4.2Построить логическую схему КЦУ в базисе ИЛИ-НЕ на микросхемах схемотехники КМОП серии 1564.

4.3Построить принципиальную электрическую схему КЦУ в базисе ИЛИ-НЕ на микросхемах схемотехники КМОП.

5Проверить правильность функционирования логических и принципиальных схем КЦУ для пятого набора аргументов и сделать вывод о правильности их функционирования.

6Определить среднюю задержку распространения сигнала от входов к выходу в принципиальных электрических схемах устройств в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

7Определить среднюю потребляемую мощность в принципиальных электрических схемах в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

8Ответить на контрольные вопросы.

9Оформить отчет и сдать зачет.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1Наименование и цель занятия.

2Условие и решение задачи домашнего задания по заданному варианту (индивидуальное задание № 1).

3Условия и решения задач по заданному варианту (индивидуальные задания № 2 и № 3).

4Выводы о результатах проверки правильности функционирования логических и принципиальных схем.

5Результаты расчетов средней потребляемой мощности и средней задержки распространения сигналов от входов к выходу устройства в принципиальных схемах.

6Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1Укажите особенности минимизации ЛФ, заданной в СКНФ, с помощью карт Карно. Приведите примеры.

2Объясните, как в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ реализуется ЛЭ НЕ?

3Поясните, как оценивается сложность логической схемы?

Требования к знаниям и умениям учащихся

В результате выполнения лабораторного занятия учащийся должен знать теоретические основы синтеза КЦУ.

Должен уметь:

минимизировать ЛФ с помощью карт Карно;

преобразовывать ЛФ из основного базиса в неосновные;

строить логические схемы КЦУ в различных базисах и проверять правильность их функционирования;

строить принципиальные электрические схемы КЦУ на микросхемах стандартной логики и производить расчет их основных электрических параметров.

Методические указания

Рассмотрим особенности минимизации ЛФ с помощью карт Карно и примеры синтеза КЦУ в различных базисах.

1Для нанесения значений логической функции на карту Карно изучите рисунок 1, на котором указано распределение наборов аргументов по клеткам карты Карно.

2Для записи результата минимизации в МДНФ в замкнутые контуры (области) объединяйте клетки с единичными и неопределенными значениями ЛФ (Ф – неопределенное или факультативное значение ЛФ), а для записи ЛФ в МКНФ – с нулевыми и неопределенными значениями. При этом следует помнить, что в замкнутые области можно объединять одну, две, четыре, восемь и т.д. клеток. В результат минимизации входят только те аргументы, которые не меняют значение для всех клеток замкнутой области. Если значение аргумента равно 0, то его символ в МДНФ записывается со знаком отрицания, а в МКНФ – без знака отрицания.

X

X

4

3

 

X

X

2

1

 

 

 

00

 

 

01

11 10

00 0 4 12 8

01 1 5 13 9

11 3 7 15 11

10 2 6 14 10

Рисунок 1 – Распределение наборов аргументов по клеткам карты Карно

3Для построения логической схемы устройства в базисе И-НЕ результат минимизации необходимо сначала записать в базисе И, ИЛИ, НЕ в МДНФ, а затем полученную ЛФ преобразовать в базис И-НЕ.

4Для построения логической схемы устройства в базисе ИЛИ-НЕ результат минимизации необходимо сначала записать в базисе И, ИЛИ, НЕ в МКНФ, а затем полученную ЛФ преобразовать в базис ИЛИ-НЕ.

5Рассмотрим пример синтеза КЦУ в базисе И, ИЛИ, НЕ, функционирование которого задано таблицей истинности (f11(x1, x2, x3)) в таблице 4.

5.1Нанесем значения логической функции f11(x1, x2, x3, x4) на карту Карно (рисунок 2)

ипроведем минимизацию, причем результат минимизации запишем в МДНФ.

 

 

X

X

4

 

X

X

3

 

00

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

00

 

1

 

 

01

 

Ф

 

 

11

 

1

 

 

10

 

1

01

1

1

0

0

11

0

1

0

0

10

1

Ф

Ф

1

Рисунок 2 – Карта Карно для минимизации логической функции в МДНФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f11(МДНФ)(X1,X2,X3,X4) X4 X1 X3 X1 X2

(1)

5.2Построим логическую схему устройства по выражению (1). Для этого потребуется:

1два логических элемента 2 И;

2один логический элемент 3 ИЛИ;

3три логических элемента НЕ.

Логическая схема устройства в базисе И, ИЛИ, НЕ, построенная по логической функции (1), представлена на рисунке 3.

X

1

X

2

X

3

X

 

 

 

4

 

0

 

1

 

0

1

1

X

4

 

 

 

0

1

X

3

 

 

 

1

1

X1

 

1

 

&

&

X 1 X 3 1

X

1

X

2

 

 

1

 

 

 

1

f

(X ,X ,X ,X

)

11

1

2

3

4

 

1

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Логическая схема устройства в базисе И, ИЛИ, НЕ в МДНФ

5.3 Запишем результат минимизации в МКНФ. Для этого еще раз начертим карту Карно для ЛФ f11(x1, x2, x3, x4) (рисунок 4).

X

X

4

3

 

X

X

2

1

 

00

01

11

10

00

1

1

0

1

01 11 10

Ф

1

1

Ф

1

0

0

Ф

1

0

0

1

Рисунок 4 – Карта Карно для минимизации логической функции в МКНФ

При записи результата минимизации в МКНФ аргументы следует брать с инверсией, если их значения равны 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f11(МКНФ)(X1,X2,X3,X4) (X1 X4) (X2 X3

X

4).

(2)

5.4 Построим логическую схему устройства по выражению (2). Для этого потребуется:

1один логический элемент 2 ИЛИ;

2один логический элемент 3 ИЛИ;

3один логический элемент 2 И;

4три логических элемента НЕ.

Логическая схема устройства в базисе И, ИЛИ, НЕ, построенная по ЛФ (2), представлена на рисунке 5.

5.5 Укажем на рисунках 3 и 5 на выходе каждого логического элемента выполняемую логическую операцию и уровень сигнала для пятого набора аргументов. Уровни сигналов на выходах логических схем соответствуют значению ЛФ f11(x1, x2, x3, x4) для пятого набора аргументов (таблица 4), что позволяет судить о правильности их функционирования.

X

1

X

2

 

 

 

0

1

X3 0

X4 1

1

1

1

X1 1

X4 0

X 3 1

1

1

X1 X 4 1

X

2

X

3

X

4

 

 

 

1

 

 

 

 

&

f

(X ,X ,X ,X

)

11

1

2

3

4

 

1

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Логическая схема устройства в базисе И, ИЛИ, НЕ в МКНФ

5.6 Сравним по сложности логические схемы КЦУ на рисунках 3 и 5, для этого подсчитаем общее число входов логических элементов. По этому критерию обе схемы одинаковы.

6Рассмотрим пример синтеза КЦУ в базисе И-НЕ для той же ЛФ.

6.1Преобразуем ЛФ (1) в базис И-НЕ, используя правило де Моргана:

f11(МДНФ) (X1 ,X 2 ,X3 ,X 4 ) X4 X1 X3 X1 X 2

X 4 X1 X3 X1 X 2 X 4 X1 X3 X1 X 2

 

 

 

 

X 4 |(X1|X3 )|(X

1|X 2 ).

(3)

6.2 Построим логическую схему устройства в базисе И-НЕ по выражению (3), при этом одиночные отрицания аргументов реализуем на основе ЛЭ 2 И-НЕ с объединенными входами. Для этого необходимо использовать:

1четыре логических элемента 2 И-НЕ;

2один логический элемент 3 И-НЕ.

Логическая схема устройства в базисе И-НЕ представлена на рисунке 6.

X X X

3

X

1

2

4

0

1

0

1

&

&

X3 1

X1 1

&

&

X1 |X 3 0

X1 |X 2 0

&

f11 (X1, X2 , X3 , X4 )

1

Рисунок 6 – Логическая схема устройства в базисе И-НЕ

6.3 Построим принципиальную электрическую схему устройства в базисе И-НЕ на микросхемах стандартной логики схемотехники КМОП серии 1554. Для этого по приложениям Б и В выбираем стандартные микросхемы интегральных ЛЭ серии 1554 и соединяем их между собой в соответствии с логической схемой на рисунке 6. Выбираем микросхему ЭКР1554ЛА3 (IN74AC00N), в одном корпусе которой выполнено четыре ЛЭ 2 И-НЕ, а также ЭКР1554ЛА4 (IN74AC10N) – три ЛЭ 3 И-НЕ (два останутся свободными). Принципиальная электрическая схема устройства в базисе И-НЕ представлена на рисунке 7. На схеме указаны буквенно-позиционные обозначения микросхем по ГОСТ 2.710-81, номера выводов, а также уровни сигналов для пятого набора аргументов (уровни сигналов указаны под линиями выводов микросхем).

X X

1

2

X3

X4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DD1 - ЭКР1554ЛА3,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

0

 

1

 

DD2 -ЭКР1554ЛА4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DD1.1

 

DD1.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

&

3

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

&

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

Вывод 14 DD1, DD2 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DD1.2

 

 

 

 

 

 

питание, вывод 7 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

общий.

 

 

 

 

 

 

4

&

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

DD1.4

 

DD2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

&

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

&

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

f11 (X1, X2 , X3 , X4 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

13

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Принципиальная электрическая схема устройства в базисе И-НЕ

6.4 Определим среднюю задержку распространения сигнала от входа к выходу устройства и среднюю потребляемую мощность.

В худшем случаем сигнал передается через три ЛЭ. Для расчета средней задержки возьмем данные из приложения Б. В результате получаем суммарную среднюю задержку распространения

сигнала от входа к выходу устройства

tзд.р.ср

2 7,75 7,25 22,75

нс.

Для расчета средней потребляемой мощности всей схемы необходимо расчетным путем определить среднюю потребляемую мощность каждой микросхемы путем умножения среднего потребляемого тока (приложение Б) на напряжение источника питания. В результате получаем

суммарную среднюю потребляемую мощность Pпот.ср (40 40) 5 400 мкВт.

7Проверим правильность функционирования логических и принципиальных схем КЦУ в базисе И-НЕ (рисунки 6,7). Для этого проставим на выходах всех логических элементов значения сигналов для пятого набора аргументов. Поскольку на выходах логических схем единичный уровень сигнала, то они функционируют в соответствии с таблицей истинности (см. значение логической функции f11 для пятого набора аргументов).

8Сравним по сложности логические и принципиальные схемы КЦУ на рисунках 6,7, для этого подсчитаем общее число входов логических элементов. По этому критерию схемы в базисе

И-НЕ проще.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПРОСТЕЙШИХ КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Цель работы

1Исследовать работу интегральных ЛЭ схемотехники ТТЛШ.

2Сформировать практические навыки и начальные умения построения КЦУ и контроля их работы по элементам индикации.

Домашнее задание

1Повторить по [5] или [7] основные статические и динамические параметры ЛЭ.

2Повторить по [5] или [7] основные законы и тождества алгебры логики, теорию синтеза КЦУ, а также особенности построения логических схем в различных базисах.

3Изучить по [8] микросхемы схемотехники ТТЛШ 1533ЛН1, 1533ЛА3, 1533ЛА4, 1533ЛА9, 1533ЛИ1, 533ЛЛ1, 1533ЛП5. Начертить в отчете к лабораторной работе их УГО, указать число ЛЭ

водном корпусе и основные электрические параметры в виде таблицы, аналогичной по форме таблице 2.

4Подготовить ответы на вопросы для самоконтроля.

5Подготовить бланк отчета.

Вопросы для самоконтроля

1Начертите УГО ЛЭ НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ по ГОСТ 2743-91

ЕСКД.

2Покажите на УГО ЛЭ НЕ направление входных и выходных токов нуля и единицы.

3Укажите значения уровней логического нуля и единицы для ЛЭ ТТЛШ, а также напряжение источника питания.

4Поясните физическую сущность коэффициента разветвления по выходу и укажите его типовое значение для ЛЭ ТТЛШ.

5Поясните, как поступают с неиспользованными входами ЛЭ?

6Поясните, как реализовать логические операции И, ИЛИ, на ЛЭ с недостаточным числом входов?

Приборы, оборудование и документация

1Универсальный стенд ОАВТ.

2Комплект сменных технологических карт (I-1…I-9).

3Плата П1.

Порядок выполнения работы

1 Проверка подготовки студентов к занятию по вопросам для самоконтроля в виде фронтального или программированного опроса.

2 Получить первичный инструктаж по технике безопасности.

3 Получить инструктаж по лабораторной работе.

4 Исследовать работу основных ЛЭ ТТЛШ. Для этого вставить в разъем сменную плату П1, включить питание универсального стенда ОАВТ и последовательно менять сменные технологические карты I-1…I-6. Комбинации входных сигналов набирать с помощью тумблеров SA1…SA5. Выходной сигнал определять по свечению соответствующего светодиода. Следует помнить, что в нижнем по схеме положении тумблера на вход ЛЭ подается уровень логического 0,

а в верхнем – уровень логической 1. Аргумент X1 подается с помощью тумблера SA1, X2 – SA2 и т.д. Свечение светодиодного индикатора соответствует уровню логической 1 на выходе ЛЭ (значение функции равно 1). По результатам исследований заполнить таблицы истинности в таблице 5, записать логическую функции для каждого ЛЭ, определить и обозначить ЛЭ, а также записать его название.