30

Федеральное агентство по образованию

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «УПРАВЛЯЮЩИЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»

ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА

Методические указания к лабораторному практикуму

Часть II

Факультет электроэнергетический

Специальность 200402– «Инженерное дело в медико-биологической практике»

Вологда

2006

УДК 681.3.06(075)

Электроника и микропроцессорная техника: методические указания к лабораторному практикуму. Часть II - Вологда: ВоГТУ, 2006. – 30 с.

В методических указаниях описаны четыре лабораторные работы по исследованию работы электронных устройств, используемых в медицинской аппаратуре, и дающие представление о программировании микропроцессорной техники.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Составитель: Машкин А. В., канд. техн. наук, доцент кафедры УВС

Рецензент: Анкудинов В.Б., канд. техн. наук, доцент кафедры АВТ

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа содержит описание второй части лабораторного практикума по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника», предназначенного для студентов специальности 200402. Лабораторные работы выполняются в шестом семестре обучения одновременно с изучением логических, цифровых и аналого-цифровых электронных схем в теоретическом курсе. Четыре лабораторные работы, описанные в методических указаниях, рассчитаны на лабораторный практикум объемом в 16 аудиторных часов.

Выполнение каждой лабораторной работы практикума предусматривает изучение теоретических сведений, изложенных в методических указаниях. В двух первых лабораторных работах студентам требуется осуществить сборку и математическое моделирование цифровых схем в пакете Electronics Workbench. Оставшиеся работы, посвящены изучению выполнения наиболее распространенных типов машинных команд, применяемых при программирование микропроцессорных систем.

По каждой лабораторной работе оформляется отчет. Требования к оформлению отчета представлены в первой части методических указаний.

Лабораторная работа №1 Исследование внутренней структуры логических элементов

1. Цель работы

Изучение внутренней структуры, принципа действия и основных статических характеристик базовых элементов ТТЛ, МОП и КМОП логики.

2. Теоретические сведения

Цифровые логические элементы на интегральных микросхемах (ИМС)- это микроэлектронные изделия, предназначенные для преобразования и обработки логических сигналов. Все логические элементы описываются набором параметров, которые оговариваются в технических условиях (ТУ). К основным параметрам логических элементов относятся:

• набор логических функций;

• число входов по И и по ИЛИ;

• коэффициент разветвления по выходу;

• потребляемая мощность;

• динамические параметры: задержка распространения сигнала и (или) максимальная частота входного сигнала.

Коэффициент разветвления по выходу характеризует нагрузочную

способность логических элементов и определяется количеством входов однотипных элементов, которые можно подключать к выходу. В некоторых случаях в ТУ указывается максимальный выходной ток логического элемента.

В зависимости от технологии изготовления логические ИМС делятся на серии, отличающиеся набором элементов, напряжением питания,

потребляемой мощностью, динамическим параметрам и др. Наибольшее распространении получили серии логических ИМС, выполненные по ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) и КМОП (комплементарная МОП логика) технологиям. Каждая из перечисленных технологий совершенствовалась, поэтому в каждой серии ИМС имеются подсерии, отличающиеся по параметрам.

В ИМС, выполненных по технологии ТТЛ, в качестве базового элемента используется многоэммитерный транзистор. Упрощенная внутренняя структура двухвходового логического элемента И-НЕ с многоэммитерным транзистором VT1 и его условное обозначение на принципиальных электрических схемах приведены на рис. 1.1.

&

X1

Y=X1X2

X2

а) б)

Рис. 1.1. Базовый элемент ТТЛ: а) упрощенная внутренняя структура; б) условное обозначение

Многоэммитерный транзистор (МЭТ), отличается от обычного транзистора тем, что он имеет несколько эммитеров, расположенных так, что прямое взаимодействие между ними исключается. Благодаря этому переходы база-эммитер можно рассматривать как параллельно включенные диоды. Второй транзистор VT2 является инвертором сигнала, выполняющим функцию НЕ. Если хотя бы на один эммитер МЭТ подан низкий уровень, то ток базы VT2 равен нулю и на коллекторе VT2 будет высокий уровень. Для того, чтобы напряжение на коллекторе VT2 имело низкий уровень, необходимо на все эммитеры МЭТ подать высокий уровень. Благодаря такой внутренней структуре элемента реализуется логическая операция И-НЕ.

Основными электрическими характеристиками схемы являются входная, передаточная и выходная. Входная характеристика элемента ТТЛ-типа представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения I_ВХ=f(U_ВХ). Передаточная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения схемы от входного, т.е. U_вых=f(U_вх) (рис. 1.2). Передаточная характеристика элемента позволяет определить уровень логического нуля U⁰_ВХ, уровень логической единицы U¹_ВХ, логический перепад U_лог= U¹_ВХ- U⁰_ВХ, запас помехоустойчивости по уровню 0 U⁺_ПОМ=U^A_ВХ-U⁰_ВХ, запас помехоустойчивости по уровню 1 U^-_ПОМ=U¹_ВХ-U^B_ВХ.

Рис. 1.2. Передаточная характеристика базового элемента ТТЛ-логики

Выходная характеристика элемента описывается зависимостью выходного тока от выходного напряжения I_ВЫХ=f(U_ВЫХ). Характеристика снимается для двух состояний элемента: элемент включен и элемент выключен. Характеристика позволяет оценить ток короткого замыкания элемента и его сопротивление в различных режимах.

Логические элементы на полевых транзисторах являются наиболее перспективными при создании цифровых интегральных схем и устройств с малой потребляемой мощностью и большой степенью интеграции. Базовые элементы могут быть реализованы на МДП-транзисторах с одинаковым типом электропроводности, с p- или n-каналом (ключ с динамиченской нагрузкой) или с различным типом электропроводности (комплементарный ключ). Первый тип логических элементов называется МДПТЛ (МДП-транзисторная логика), а второй КМДПТЛ (МДП-транзисторная логика на комплементарных ключах). Поскольку наряду с названием «МДП-транзистор» используется название «МОП-транзистор», то широкое распространение получили названия логических элементов МОПТЛ и КМОПТЛ. Точно так же, как и для элементов ТТЛ, основными электрическими характеристиками элементов МОПТЛ и КМОПТЛ являются входная, передаточная и выходная. Базовые логические элементы могут осуществлять операции И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Элемент МОПТЛ состоит из нагрузочного транзистора VT3 и нескольких управляющих транзисторов VT1, VT2 (рис. 1.3). Если управляющие транзисторы включены параллельно, то элемент осуществляет операцию ИЛИ-НЕ, а при последовательном соединении выполняется операция И-НЕ. При наличии на входах X1 и X2 напряжения U_ВХ=U⁰_ВХ при этом напряжении на выходе U_ВЫХ=U¹_ВЫХ (для элемента ИЛИ-НЕ). При подаче на вход напряжения большего, чем пороговое напряжение полевого транзистора, соответствующий управляющий транзистор открывается, на выходе элемента напряжение снижается и устанавливается уровень логического нуля.

а) б)

Рис. 1.3. Элементы n-МОПТЛ: а) ИЛИ-НЕ; б) И-НЕ

Через элемент МОПТЛ протекает сквозной ток и в том случае, когда он находится в состоянии логического нуля на выходе. Поэтому средняя потребляемая мощность имеет заметное значение. Для исключения потребления мощности в статическом состоянии используются элементы КМОПТЛ, в состав которых входят транзисторы с дополняющим типом электропроводности (рис.1.4).

+E

X2

VT4

X1

VT3

Y=X1+X2

VT2

VT1

X2

X1

VT1

VT2

VT3

VT4

+E

Y=X1X2

а) б)

Рис. 1.4. Элементы КМОПТЛ: а) ИЛИ-НЕ; б) И-НЕ

3. Программа работы

1.3.1. Исследование логики работы элемента

В соответствии с рис.1.1 а в пакете Electronics Workbench собрать базовый элемент ТТЛ. Следует учесть, что в данном пакете не имеется модели МЭТ, но его работу можно смоделировать с помощью двух обычных транзисторов. Для этого их требуется соединить в соответствии с рис. 1.5.

X2

Рис. 1.5. Модель многоэмиитерного транзистора

Типы используемых транзисторов в данной схеме взять в соответствии со своим номером варианта из таблицы 1.1.

Подключив к входам МЭТ источники напряжения, а к выходу подсоединив вольтметр, заполнить таблицу истинности логического элемента. В этом опыте в качестве уровня логической единицы принять напряжение +5 В, а в качестве уровня логического нуля напряжение 0 В. По таблице истинности определить логическое уравнение элемента.

Таблица 1.1

Типы используемых моделей транзисторов в схеме

№ варианта	Модель	№ варианта	Модель	№ варианта	Модель
1	2N2218	11	BD533	21	2N3859
2	BD239	12	2N3903	22	BD901
3	BD243	13	BC617	23	BC517
4	BC107	14	BC547	24	BCY56
5	BC338	15	BD239	25	BDY90
6	BD643	16	2N3904	26	BC548
7	BC549	17	BSS71	27	BC639
8	2N3415	18	BCY65	28	BC108
9	BC337	19	BF422	29	BD239
10	2N4401	20	BC184	30	2N2222

Отключить один из входов МЭТ от всех цепей. Изменяя состояние второго входа и наблюдая сигнал на выходе элемента определить как реагирует логический элемент на «свободный вход». Измерить напряжение на свободном входе.

1.3.2. Исследование входной характеристики элемента

На вход Х1 МЭТ подать сигнал логической единицы. Изменяя напряжение на входе Х2 в пределах от 0 до 5 В снять входную характеристику элемента I_ВХ=f(U_ВХ). Результаты измерений оформить в виде таблицы. Построить график выходной характеристики логического элемента, определив входные токи I⁰_ВХ и I¹_ВХ. Обратить внимание на направление токов в различных режимах. Результаты опыта объяснить.

1.3.3. Исследование переходной характеристики элемента

На вход Х1 МЭТ подать сигнал логической единицы. Изменяя напряжение на входе Х2 в пределах от 0 до 5 В снять переходную характеристику элемента U_ВЫХ=f(U_ВХ). Результаты измерений оформить в виде таблицы. Построить график переходной характеристики, обозначить на графике характерные точки, вычислить напряжения различных логических уровней и показатели помехоустойчивости элемента.

1.3.4. Исследование входной характеристики элемента

Собрать схему в соответствии с рис. 1.6. Установить выходное состояние элемента Y=1. С помощью ключа S1 замкнуть сопротивление R_Н на землю. Изменяя сопротивление R_Н снять зависимость выходного напряжения элемента от выходного тока U_ВЫХ=f(I_ВЫХ). Оформить результаты измерений в виде таблицы. Построить график выходной характеристики элемента. Вычислить выходное сопротивление на характерных участках графика и определить ток короткого замыкания. Опыт повторить (кроме определения тока короткого замыкания) при Y=0 и замыкании R_Н через резистор R1 на источник +5 В.

R3

Рис. 1.6. Схема исследований выходной характеристики логического элемента

1.3.5. Исследование двухвходового элемента И-НЕ со сложным инвертором

Собрать схему двухвходового логического элемента И-НЕ,

изображенную на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схема двухвходового элемента И-НЕ ТТЛ-логики со сложным инвертором

Повторить для этой схемы опыты 1.3.1-1.3.4.

1.3.6. Исследование элементов МОП и КМОП логики

Для элементов, изображенных на рис. 1.3 и 1.4 повторить опыт 1.3.1 и опыт 1.3.3.

1.4. Содержание отчета

Титульный лист. Схемы испытаний. Данные, полученные путем моделирования работы схем. Графики полученных зависимостей. Выводы по каждому пункту работы.