ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЦИФРОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Цель работы : Ознакомление с основными понятиями цифровой электроники, основами синтеза сложных логических функций, логических схем и триггеров.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Основные понятия и термины цифровой электроники.
В настоящее время для построения систем обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы.
Быстрый прогресс в области технологии изготовления интегральных схем привел к резкому росту объема их производства и снижению стоимости. В результате использование микросхем стало возможным не только в сложных специализированных вычислительных устройствах (таких, как ЭВМ), но и в разнообразных контролирующих системах. Интенсивное производство микропроцессоров не снижает потребности в цифровых микросистемах, выполняющих логические функции различной сложности (от элементарных таких, как И, ИЛИ, НЕ до более сложных таких, как выборка, шифрация, дешифрация, счет, распределение и принятие решения).
Основу цифровой электроники составляют базовые логические “элементы” (функции) И, ИЛИ, НЕ. Эти элементарные функции могут быть скомбинированы в более сложные функции, которые в свою очередь, можно снова скомбинировать и получить функции еще более высокого порядка сложности. Эту процедуру можно продолжать до тех пор, пока мы не получили в результате микропроцессор (МП).
Математическим аппаратом анализа и синтеза логических схем, реализующих определенную логическую функцию служит алгебра логики (булева алгебра), которая изучает связи между переменными, принимающими только два значения: логическая единица “1” и логический “0”. Символы “0” и “1” в алгебре логики характеризуют состояние переменных или состояния их функций. в связи с чем эти символы нельзя рассматривать как арифметические числа. Алгебра логики является алгеброй состояний, а не алгеброй чисел. Основные положения из алгебры логики (функции, правила вычислений, постулаты, теоремы и законы) приведены в Приложении 1.
Логические функции Y нескольких переменных (Хо, Х1,...Хn-1) определяют характер логических операций, в результате которых набору входных переменных ставится в соответствие переменная Y
Y = f ( X0, X1, ... Xn-1 )
Функция преобразования характеризуется таблицей истинности. В этой таблице для каждой комбинации входных переменных Х указывается значение выходной переменной Y. На рис.1 приведен пример таблицы истинности функций логического умножения (конъюнкции) для двух входных переменных Х1 и Х2.
Таким образом, таблица истинности дает исчерпывающую характеристику работы логической схемы и определяет алгоритм работы цифровой схемы.
Понятие цифровой электронной схемы.
Электрическая цепь, показанная на рис.2а, создает на выходе аналоговый сигнал напряжения. Если движок потенциометра перемещается вверх, напряжение между точками А и В будет плавно увеличиваться. Когда движок перемещается вниз, напряжение постепенно уменьшается от 5 до 0 В. График изменения напряжения, показанный на рис.2б, характеризует аналоговый выходной сигнал. В левой части графика напряжение между точками А и В постепенно возрастает до 5 В, в правой части напряжение постепенно снижается до 0 В. Останавливая движок где- нибудь в средней части потенциометра, мы можем получать на выходе любое напряжение между 0 и 5В. Таким образом, аналоговое устройство - это такое устройство, в котором сигнал на выходе меняется непрерывно при постепенном изменении сигнала на входе.
Электрическая цепь, показанная на рис.3а, вырабатывает на выходе цифровой сигнал напряжения. Когда контакт двухпозиционного переключателя перемещается из верхнего положения в нижнее и обратно, формируется цифровой сигнал , форма которого показана на рис.3б. В цифровом сигнале имеются только два уровня напряжения : + 5 и 0 В. В течение времени t1 напряжение равно 0 В (контакт в нижнем положении), а на интервале t2 оно равно + 5В (контакт в верхнем положении) и т.д. Таким образом, для цифровых электронных схем существенны только два значения напряжения. Эти значения напряжения называются ВЫСОКИМ (+ 5В) и НИЗКИМ (0 В) уровнями. Таким образом, принимая ВЫСОКИЙ уровень напряжения за логическую единицу, а НИЗКИЙ уровень - за логический нуль, цифровые электронные схемы можно использовать для реализации логических схем, вход и выход которых также, как и цифровых схем, может находиться только в двух состояниях (логический нуль или логическая единица).
Рабочие уровни напряжения, соответствующие ВЫСОКОМУ и НИЗКОМУ уровню, зависят от параметров транзисторных схем , которые применяются для реализации данной логической функции и указываются в технических характеристиках (паспорте) на данную схему.