МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Харківський національний університет радіоелектроніки
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до лабораторних робіт з дисципліни
„ЦИФРОВА СХЕМОТЕХНІКА”
для студентів денної та заочної форм навчання спеціальностей
6.050801 — Мікро- та наноелектроніка
6.050802 — Електронні пристрої та системи
6.050902 — Радіоелектронні апарати
6.051004 — Оптотехніка
6.051402 — Біомедична інженерія
ЗАТВЕРДЖЕНО
кафедрою біомедичних
електронних пристроїв і систем.
Протокол № 7 від 20.03.08 р.
Харків 2008
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни „Цифрова схемотехніка” для студентів денної та заочної форм навчання спеціальностей 6.050801 — Мікро- та наноелектроніка, 6.050802 — Електронні пристрої та системи, 6.050902 — Радіоелектронні апарати, 6.051004 — Оптотехніка, 6.051402 — Біомедична інженерія/ Упоряд. Скляр О.І. – Харків: ХНУРЕ, 2008.–– 72 с.
Упорядник О.І. Скляр
Рецензент А.П. Остроушко, канд. тех. наук, доцент каф. ЕОМ
ЗМІСТ
Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
5 |
Тема 1 ЛОГІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПРИСТРОЇ КОМБІНАЦІЙНОГО ТИПУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
8 |
Лабораторна робота №1. Дослідження найпростіших логічних елементів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
9 |
1.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
9 |
1.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
9 |
1.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
11 |
1.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
1.5 Контрольні запитання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
Лабораторна робота №2. Дослідження функціональних вузлів комбінаційного типу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
17 |
2.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
17 |
2.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
17 |
2.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
18 |
2.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
25 |
2.5 Контрольні запитання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
25 |
Тема 2 ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПРИСТРОЇ ПОСЛІДОВНІСНОГО ТИПУ. . . |
26 |
Лабораторна робота №3. Дослідження різних типів тригерів і регістрів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
26 |
3.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
26 |
3.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
26 |
3.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
27 |
3.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
35 |
3.5 Контрольні запитання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
36 |
Лабораторна робота №4. Дослідження цифрових лічильників. . . . . . |
36 |
4.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
36 |
4.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
37 |
4.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
38 |
4.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
44 |
4.5 Контрольні запитання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
44 |
Лабораторна робота № 5. Дослідження пристроїв пам’яті . . . . . . . . . |
44 |
5.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
45 |
5.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
45 |
5.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
48 |
5.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
50 |
5.5 Контрольні запитання та завдання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
50 |
Лабораторна робота №6. Дослідження паралельного інтерфейсу, що програмується . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
51 |
6.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
51 |
6.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
52 |
6.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
54 |
6.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
55 |
6.5 Контрольні запитання. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
56 |
Тема 3 ЦИФРОАНАЛОГОВІ ТА АНАЛОГО-ЦИФРОВІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
57 |
Лабораторна робота №7. Дослідження цифро-аналогових . . . . . . . перетворювачів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
60 |
7.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
60 |
7.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
60 |
7.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
61 |
7.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
65 |
7.5 Контрольні запитання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
65 |
Лабораторна робота №8. Дослідження аналого-цифрових перетворювачів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
65 |
8.1 Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
65 |
8.2 Підготовка до виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
65 |
8.3 Порядок виконання роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
66 |
8.4 Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
69 |
8.5 Контрольні запитання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
69 |
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
70 |
Додаток А. Довідкові дані . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
71 |
Додаток Б. Довідкові дані. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
72 |
ВСТУП
Елементна база сучасної електроніки представлена як аналоговими пристроями, так і цифровими. Цифрова елементна база включає найпростіші логічні елементи, цифрові пристрої різних ступенів інтеграції, а також все різноманіття мікропроцесорної техніки. Цифрова елементна база реалізує різні функціональні рішення та зазвичай виконана у вигляді цифрових інтегральних мікросхем (ІМ), які постійно удосконалюються та ускладнюються. Характеристикою складності ІМ є ступінь інтеграції (МІС – мала інтегральна схема, СІС – середня інтегральна схема, БІС – велика інтегральна схема), який визначається або кількістю базових логічних елементів, або кількістю транзисторів, які можуть бути розміщені на даному кристалі.
Необхідність підготовки спеціалістів, здатних розробляти сучасну електронну апаратуру, яка використовує цифрову елементну базу, є актуальним завданням.
Суть та задачі дисципліни. Дисципліна „Цифрова схемотехніка” є однією з обов’язкових дисциплін для студентів, які вивчають електроніку. Її основою є дисципліни фізика, математика, фізичні основи електроніки, аналогова електроніка.
Метою вивчення дисципліни „Цифрова схемотехніка” є засвоєння принципів синтезу цифрових елементів, вузлів, або досить складних пристроїв на базі менш складних вузлів.
Окрім лекцій під час вивчення цієї дисципліни передбачено виконання лабораторних робіт з використанням лабораторних макетів, на яких розташовані мікросхеми різного функціонального призначення. Це дозволяє студентам набувати навичок роботи з реальними цифровими елементами, крім того існує можливість реалізовувати різні схемотехнічні рішення та проводити дослідження зібраних пристроїв.
Опис лабораторного робочого місця. На лабораторному місці є стенд, який має декілька макетів. Під час виконання лабораторної роботи можуть використовуватись або один макет, або одразу декілька, які попередньо вивчались при виконанні попередніх лабораторних робіт. Крім того, під час виконання лабораторної роботи використовуються вольтметр та осцилограф.
Під час виконання або захисту лабораторних робіт може додатково використовуватись сервісна плата (рис. В.1), яка розміщена на лабораторному стенді. На сервісній платі є: формувач сітки частот (17 різних частот), 2 семисегментні індикатори; подільник напруги (4В, 3В, 2В); групи гнізд, які об’єднані між собою, що дозволяє складати нескладні логічні схеми; мікросхема 561КП2 та 555ЛР11, які не використовуються в ході виконання лабораторних робіт, але можуть використовуватись під час захисту лабораторних робіт; динамік. У додатках А і Б наведено інформацію про деякі елементи сервісної плати.
Порядок виконання лабораторних робіт. На початку першого заняття всі студенти повинні ознайомитися з правилами техніки безпеки і розписатися про це в журналі обліку виконання лабораторних робіт. Студенти, які не ознайомилися з правилами техніки безпеки, до виконання лабораторних робіт не допускаються.
Кожній лабораторній роботі має передувати самостійна підготовка студентів, у процесі якої потрібно вивчити методичні вказівки до лабораторної роботи, конспект лекцій та рекомендовані літературні джерела. Перед початком лабораторної роботи викладач перевіряє підготовленість студентів до виконання конкретної лабораторної роботи, де студенти мають знати мету і порядок виконання роботи.
Рисунок В.1 — Вид сервісної плати
Результати виконання лабораторної роботи відображаються у звіті, який має вміщувати: назву лабораторної роботи, мету роботи, умовне графічне зображення всіх досліджуваних мікросхем, які вивчаються у даній лабораторній роботі, схеми електричні вузлів, які складаються під час проведення досліджень, результати виконаного завдання та висновки.
До початку наступної лабораторної роботи студент має подати викладачеві повністю оформлений звіт про попередню роботу. Залік з лабораторної роботи студент отримує після співбесіди з викладачем за темою виконання робіт.
Тема 1 логічні елементи та функціональні пристрої комбінаційного типу
У
цифровій схемотехніці оперують логічними
змінними — лог. „0” та лог. „1”. Ці
логічні змінні відображаються двома
різними значеннями напруги:
та
.
Цифрові елементи є як з позитивною, коли
>
,
так і з негативною логікою, коли
<
.
Під
час виконання даного циклу лабораторних
робіт використовуватиметься позитивна
логіка. В іноземних літературних джерелах
напруга високого рівня
позначається як H
(High),
а напруга низького рівня
— як L
(Low).
В
залежності від технології виготовлення
мікросхеми поділяються на серії. В одній
серії рівні
та
для мікросхем різного призначення
завжди однакові (окрім мікросхем
перетворення рівнів). Мікросхеми, які
виготовлені за транзисторно-транзисторною
(ТТЛ) технологією, мають рівень
В та
В. У кожній серії мікросхеми в залежності
від виконуваних функцій мають позначку
з двох літер (табл. 1.1).
Таблиця 1.1 —Позначка мікросхем різного функціонального призначення
Функціональне призначення |
Літерна позначка |
Логічні елементи:
|
ЛН ЛА ЛИ ЛЛ ЛЕ ЛП |
Пристрої комбінаційного типу: — шифратори —дешифратори — комутатори — управління вводом/виводом — схеми порівняння |
ИВ ИД КП ВВ СП |
Пристрої послідовного типу — регістри — тригери: – універсальні типу JK – з затримкою типу D — лічильники |
ИР
ТВ ТМ ИЕ |
Пристрої пам’яті — оперативної — постійної (з ультрафіолетовим стиранням) |
РУ РФ |
Пристрої перетворювачів — цифро-аналогові — аналого-цифрові |
ПА ПВ |
Робота цифрових пристроїв може бути описана за допомогою алгебри логіки (алгебра Буля) або за допомогою таблиць істинності.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1
ДОСЛІДЖЕННЯ НАЙПРОСТІШИХ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ
Мета роботи
Дослідження найпростіших логічних елементів цифрової схемотехніки.
Підготовка до виконання роботи
Під час підготовки до виконання роботи слід повторити матеріал, який стосується побудови та функціонування найпростіших логічних елементів цифрової схемотехніки [1] .
Складність мікросхеми визначають за її рівнем інтеграції, який у свою чергу оцінюють або за кількістю базових логічних елементів, або за кількістю транзисторів, які розміщено на кристалі. Мікросхеми з малим ступенем інтеграції реалізують найпростіші логічні перетворення.
Будь-які найскладніші перетворення цифрової інформації зводяться до простих логічних операцій над логічними змінними — лог. „0” та лог. „1”.
Дії, які реалізують найпростіші логічні функції, описують формулами алгебри логіки, а елементи, які реалізують ці функції, зображені на рис. 1.1 – 1.6:
— операція інверсії (рис. 1.1)
; (1.1)
— операція кон’юнкції (рис. 1.2)
; (1.2)
— операція кон’юнкції з інверсією (штрих Шефера) (рис. 1.3)
; (1.3)
— операція диз’юнкції (рис. 1.4)
; (1.4)
— операція диз’юнкції з інверсією (стрілка Пірса) (рис. 1.5)
; (1.5)
— операція виключної диз’юнкції (рис. 1.6)
. (1.6)
Рисунок 1.1 Рисунок 1.2 Рисунок 1.3
Рисунок 1.4 Рисунок 1.5 Рисунок 1.6
Під час проектування та експлуатації цифрових пристроїв слід знати параметри логічних елементів. Найважливішими параметрами логічного елемента є значення вхідних і вихідних напруг та струмів. У даній лабораторній роботі використовується макет (рис. 1.7), на якому розміщені мікросхеми транзисторно-транзисторної логіки з діодами Шотки (ТТЛШ) типу. Це мікросхеми: КР1533ЛА3, КР1533ЛЕ1, КР1533ЛИ6, КР1533ЛП5, КР1533ЛН1, КР1533ЛЛ1. Напруга живлення мікросхем серії 1533 становить 5В, відповідно рівень логічної „1” для цих мікросхем буде близьким до цієї величини.
На макеті позначені номери тих виводів
мікросхем, які підключені до гнізд. На
рис. 1.8 додатково показано підключення
виводів мікросхеми КР1533ЛАЗ. На рис. 1.9
наведено умовне графічне зображення
кожної мікросхеми, їх будова (кількість
логічних елементів в одному корпусі)
та нумерація виводів. Мікросхема
КР1533ЛН1 у даній роботі використовується
для створення тактового генератора
(рис.1.10). Для цього у місця, які зазначені
на рис. 1.7, підключаються резистори
та
і ємність
,
ємність
встановлена на макеті стаціонарно. На
макеті у лівому нижньому кутку поряд з
резисторами розміщені гнізда, до яких
підключено напруги лог. „1”, а знизу в
центрі макету — гнізда, до яких підключено
напругу з рівнем лог. „0”, крім того у
лівому нижньому кутку макета є гніздо
для підключення загального проводу
вимірювальних приладів. Для індикації
стану виходів мікросхем може
використовуватись індикаторний
світлодіод, який знаходиться у правому
нижньому кутку макета, гніздо для його
підключення знаходиться зліва від
світлодіода.
Живлення на макет подається за допомогою тумблера „Вкл”.
1.3 Порядок виконання роботи
Увага! Всі комутації на макеті виконуються при відключеному живленні. Для вимірювань під час виконання роботи використовуються тестер, осцилограф і індикаторний світлодіод.
1.3.1 Вивчити макет для виконання лабораторної роботи (рис. 1.7).
1.3.2 Дослідити роботу логічних елементів „2–АБО–НІ”, (мікросхема КР1533ЛЕ1), „4–І”(мікросхема КР1533ЛИ6), „2–І–НІ” (мікросхема КР1533ЛА3), „2–АБО” (мікросхема , КР1533ЛЛ1), „2–ВИКЛЮЧНЕ АБО” (мікросхема КР1533ЛП5) у статиці.
Рисунок 1.7 — Зовнішній вигляд макету з розміщеними найпростішими логічними елементами
Рисунок 1.8 — Підключення виводів мікросхеми КР1533ЛА3 до гнізд макета
Рисунок 1.9 — Умовне графічне зображення мікросхем, встановлених на лабораторному макеті
1.3.2.1 Вивчити нумерацію виводів мікросхем КР1533ЛН1, КР1533ЛЕ1, КР1533ЛИ6, КР1533ЛА3, КР1533ЛЛ1, КР1533ЛП5 (рис. 1.9). Звернути увагу на відмінність нумерації виводів мікросхеми КР1533ЛЕ1 від усіх інших.
Дослідити по одному логічному елементу кожної мікросхеми КР1533ЛН1, КР1533ЛЕ1, КР1533ЛИ6, КР1533ЛА3, КР1533ЛЛ1, КР1533ЛП5 у статиці та скласти для досліджуваних мікросхем таблиці істинності за зразком табл. 1.2. Під час дослідження мікросхеми КР1533ЛИ6 вигляд табл. 1.2 слід відкоригувати, оскільки для цієї мікросхеми задаються чотири вхідні сигнали — Х1, Х2, Х3, Х4.
Рисунок 1.10 — Схема електрична генератора прямокутних імпульсів на інверторах
Таблиця 1.2 — Таблиця істинності логічного елемента (вказати тип елемента, наприклад, „2І-НІ” мікросхема КР1533ЛА3)
Входи |
Виходи |
|
Х2 |
Х1 |
Y |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
|
1 |
1 |
|
При дослідженні логічних елементів на їх входи слід подавати різні рівні вхідних сигналів (див. табл. 1.2), а вимірювання стану мікросхеми проводити на їх виходах. Для вимірювань стану виходів мікросхем використовувати вольтметр постійної напруги або індикаторний світлодіод, який світиться за наявності на виході мікросхеми рівня лог. „1” і не світиться, коли на виході мікросхеми лог. „0”.
Увага! На вихід мікросхеми сигнали подавати забороняється!
1.3.2.2 Виміряти величину напруги живлення досліджуваних мікросхем (14 вивід усіх досліджуваних мікросхем) за допомогою вольтметра (тестера).
1.3.2.3 Виміряти величину лог. „1” та лог. „0” на не навантаженому виході будь-якої з досліджуваних мікросхем.
1.3.2.4 Виміряти величину напруги на відкритому вході (вхід мікросхеми нікуди не підключено) будь-якої з досліджуваних мікросхем.
1.3.2.5 Результати вимірювань за пп. 1.3.2.2–1.3.2.4 зафіксувати і зробити висновки.
1.3.3 Дослідити роботу генератора імпульсів на логічних елементах.
1.3.3.1 Зібрати генератор імпульсів (тактовий генератор) (рис. 1.10 і 1.11). З виданого набору елементів вибирається ємність (С1) та два резистора з однаковим опором (R1, R2), які встановлюються на місця, вказані на рис. 1.11. Електричні з’єднання (рис.1.10) між гніздами на платі макету вже виконані, тому при підключенні осцилографа до гнізда, яке з’єднано з виводом 6 мікросхеми КР1533ЛН1, спостерігатиметься послідовність прямокутних імпульсів.
Рисунок 1.11 — Підключення мікросхеми КР1533ЛН1 до гнізд макета
1.3.3.2 Зарисувати осцилограму, виміряти тривалість періоду та визначити частоту сформованого сигналу. За значеннями ємності та опору розрахувати теоретично значення частоти тактового генератора за формулою:
. (1.7)
Порівняти дані, отримані з досліду та під час розрахунку, зробити висновки.
1.3.3.3 Повторити пп. 1.3.3.1, 1.3.3.2 для декількох значень ємності та опорів, які видані викладачем.
1.3.3.4 Встановити ємність
пФ і
кОм. У подальших експериментах
використовувати тактовий генератор,
який зібрано саме на цих елементах.
1.3.4 Дослідити роботу логічних елементів „2–АБО–НІ”(мікросхема КР1533ЛЕ1), „4–І” (мікросхема КР1533ЛИ6), „2–І–НІ” (мікросхема КР1533ЛА3), „2–АБО” (мікросхема КР1533ЛЛ1), „2–ВИКЛЮЧНЕ АБО” (мікросхема КР1533ЛП5) у динаміці.
1.3.4.1 Дослідження проводяться аналогічно п.1.3.2.1, але одних із входів досліджуваної мікросхеми підключається до виходу тактового генератора (вивід 6 мікросхеми КР1533ЛН1), а на інший вхід подається рівень лог. „0” або лог.„1”, до виходу досліджуваної мікросхеми підключається осцилограф. Зарисувати отримані осцилограми. Порівняти їх з сигналом тактового генератора.
Увага! На деяких макетах рівень вихідного сигналу тактового генератора може виявитись низьким і недостатнім для роботи інших логічних елементів, у такому випадку вихідний сигнал тактового генератора слід підсилити за рахунок використання інших логічних елементів, наприклад, використати один з елементів мікросхеми КР1533ЛА3, для чого сигнал від тактового генератора підключити до одного із входів цієї мікросхеми, а до іншого входу підключити сигнал лог. „1”. Після цього вже вихід мікросхеми КР1533ЛА3 використовувати як вихід тактового генератора.
Скласти таблиці істинності для роботи мікросхем у динаміці. Проаналізувати отримані результати, порівняти їх з результатами, отриманими у п. 1.3.2.1. Зробити висновки.
1.3.5 Зібрати цифровий пристрій на логічних елементах за вказаною викладачем схемою (рис. 1.12 – 1.17), визначивши номери виводів мікросхем. Дослідити роботу пристрою у статиці, результати занести до таблиці істинності. Використовуючи формули (1.1)–(1.6) записати булеве рівняння, яке описує роботу даного пристрою.
Рисунок 1.12 Рисунок 1.13 Рисунок 1.14
Рисунок 1.15 Рисунок 1.16 Рисунок 1.17
1.3.6 Зібрати цифровий пристрій, схема якого зображена на рис. 1.18. Визначити номери виводів мікросхем для даної схеми. Теоретично визначити, за якої комбінації вхідних сигналів на виході пристрою буде рівень логічної одиниці. Подати на входи пристрою визначені рівні вхідних сигналів. До виходу зібраного пристрою підключити індикаторний світлодіод, перевірити правильність теоретично визначеного коду, результат продемонструвати викладачеві. Записати булеве рівняння, яке описує роботу даного пристрою.
1.4 Зміст звіту
У звіті наводяться:
— назва роботи;
— мета роботи;
— умовні графічні зображення досліджуваних логічних елементів;
— таблиці істинності за пп. 1.3.2.1, 1.3.4.1;
— дані за п.1.3.2.5;
— схему тактового генератора (рис.1.10);
— дані за п. 1.3.3.3 (як теоретично розраховані, так і отримані з досліду);
— схеми пристроїв за пп. 1.3.5, 1.3.6;
— булеві рівняння за пп. 1.3.5, 1.3.6;
— таблиця істинності за п. 1.3.5;
— один з кодів за п. 1.3.6;
— висновки до всіх пунктів.
Рисунок 1.18
1.5 Контрольні запитання
1. Що таке цифровий сигнал, які він має рівні?
2. Що таке логічний елемент?
3. Які основні види логічних елементів?
4. Як теоретично можна описати роботу цифрових пристроїв?
5. Що означає логічна операція кон’юнкції?
6. Що означає логічна операція диз’юнкції?
7. Що називають інверсією?
8. Які умовні позначення мають основні логічні елементи?
9. З якою метою складають таблиці істинності?
10. Як графічно зображують логічні елементи?
11. Як визначається ступінь інтеграції мікросхеми?
12. Що означає вираз «серія мікросхем»?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2.
ДОСЛІДЖЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ВУЗЛІВ КОМБІНАЦІЙНОГО ТИПУ
Функціональні вузли комбінаційного типу являють собою комбінацію логічних елементів різних типів та різної кількості. Робота всіх вузлів комбінаційного типу може бути описана за допомогою булевої алгебри і ситуація на їх виходах однозначно визначається комбінацією вхідних сигналів та не залежить від попереднього стану, тобто не має пам’яті. До класу функціональних вузлів комбінаційного типу належать шифратори, дешифратори, пристрої порівняння, мультиплексори, суматори.
Шифратор (кодер) — це пристрій, який призначений для перетворення коду „1 з N” у двійковий. Шифратори є повні двійкові та пріоритетні. Пріоритетні шифратори працюють так, що за наявності на входах декількох збуджених ліній на виході завжди буде лише одна, яка відповідає стану входу, який має найвищий пріоритет.
Дешифратор (декодер) — виконує операцію перетворення m-елементного паралельного коду в псевдо послідовний, коли на виході сигнал (високого або низького рівня) буде присутній лише на одному з n-виходів. Дешифратор називають повним, коли кількість виходів дорівнює кількості можливих комбінацій вхідних сигналів.
Мультиплексор
(комутатор, який керується кодом) —
призначений для комутації одного з m
входів
на
вихід. Мультиплексор має m
інформаційних входів та k
входів управління, зв’язок між кількістю
цих входів такий
.
Вихід зазвичай один, і він може бути як
прямим, так і інверсним.
Пристрій
порівняння (цифровий компаратор) —
виконує функцію порівняння двох кодів
(А та В) і формує ознаку порівняння у
вигляді сигналу високого рівня на одному
з трьох виходів:
,
,
.
2.1 Мета роботи
Дослідження функціонування шифраторів, дешифраторів, мультиплексорів і пристроїв порівняння.
2.2 Підготовка до виконання роботи
У даній лабораторній роботі використовується макет, який зображено на рис. 1.19. З цього макета у лабораторній роботі використовуються мікросхеми шифратора КР1533ИВ1, дешифратора КР1533ИД7, мультиплексорів КР1533КП11А, КР155КП7, 589АП16 (шинний формувач) та пристрою порівняння КР1533СП1.
На макеті зліва знаходяться 8 індикаторних світлодіодів та ще два додаткових світлодіоди розміщено в центрі макета знизу. В нижній частині макета є гнізда, куди підключено напруги лог. „0” і лог. „1”, які мають використовуватись для створення кодів вхідних сигналів.
2.3 Порядок виконання роботи
2.3.1 Дослідити роботу шифратора. На макеті шифратор подано мікросхемою пріоритетного шифратора КР1533ИВ1. Умовне графічне зображення мікросхеми шифратора наведено на рис. 1.20. Цей шифратор дозволяє перетворювати сигнал, який подано тільки на один старший вхід у вихідний паралельний код.
Рисунок 1.19 — Вид макету лабораторної роботи для дослідження шифраторів, дешифраторів, мультиплексорів, пристроїв порівняння
Мікросхема КР1533ИВ1 має вісім входів (7-0), три виходи (4-2-1), один вхід управління Е1, два інформаційні виходи GS, E0. Під час подачі на вхід управління Е1 лог. „0” шифрація дозволена, при подачі на цей вхід лог.”1” шифрація заборонена.
Підключити виходи шифратора до індикаторних світлодіодів. На інформаційні входи (7-0) та вхід управління Е1 подати сигнали відповідно до табл. 1.3, знаком „Х” позначено довільний вхідний сигнал. Зафіксувати стан виходів мікросхеми, результати занести до табл. 1.3. Зробити висновки. Увага! Якщо на макеті не вистачає гнізд з потрібними рівнями лог. „0” або лог. „1”, то можна використати відповідні гнізда на сусідньому макеті.
Рисунок 1.20 — Умовне графічне зображення мікросхеми КР1533ИВ1
Таблиця 1.3 — Таблиця істинності мікросхеми шифратора КР1533ИВ1
Входи |
Виходи |
||||||||||||
E1 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
4 |
2 |
1 |
GS |
E0 |
1 |
X |
X |
X |
X |
X |
X |
X |
X |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
X |
X |
X |
X |
X |
X |
Х |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
0 |
X |
X |
X |
X |
Х |
Х |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
0 |
X |
X |
Х |
Х |
Х |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Х |
Х |
Х |
Х |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Х |
Х |
Х |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Х |
Х |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Х |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
2.3.2 Дослідити роботу дешифратора. На макеті дешифратор подано мікросхемою трирозрядного двійкового дешифратора КР1533ИД7. Умовне графічне зображення мікросхеми дешифратора показано на рис. 1.21.
Цей дешифратор має три інформаційні входи D3–D1, вісім виходів Y8–Y1, три входи управління V3–V1. При подачі на входи управління V2 та V3 лог. „0”, а на вхід V1 лог. „1 дешифрація дозволена. У цьому випадку при подачі на інформаційні входи будь-якого коду на одному з виходів мікросхеми буде присутній рівень лог. „0”, а на всіх інших — рівень лог. „1”.
Підключити виходи дешифратора до світлодіодних індикаторів. На входи управління та на інформаційні входи подати сигнали відповідно до табл. 1.4 і зафіксувати стан виходів мікросхеми. Зробити висновки.
Таблиця 1.4 — Таблиця істинності мікросхеми дешифратора КР1533ИД7
Входи |
Виходи |
||||||||||||
V3 |
V2 |
V1 |
D3 |
D2 |
D1 |
Y8 |
Y7 |
Y6 |
Y5 |
Y4 |
Y3 |
Y2 |
Y1 |
X |
1 |
X |
X |
X |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
X |
Х |
X |
X |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
Х |
X |
0 |
X |
X |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.3 Дослідити роботу різних видів мультиплексорів. На макеті мультиплексори подані трьома типами мікросхем: двоканальний чотирирозрядний мультиплексор з трьома станами на виході — мікросхема КР1533КП11А; триканальний чотирирозрядний шинний формувач — мікросхема КР589АП16; восьмиканальний однорозрядний мультиплексор — КР1533КП7.
2.3.3.1 Дослідити роботу мікросхеми мультиплексора КР1533КП11А. Умовне графічне зображення мікросхеми наведено на рис. 1.22.
Рисунок 1.21 — Умовне графічне зображення мікросхеми КР1533ИД7
Рисунок 1.22 — Умовне графічне зображення мікросхеми мультиплексора КР1533КП11А
Мікросхема має два вхідні чотирирозрядні канали А3–А0, В3–В0 і один вихідний чотирирозрядний канал С3–С0. Крім того, мікросхема має два входи управління: вхід „Дозвіл виходу” С і вхід „Напрямок передачі інформації” А. Коли на вхід „Дозвіл виходу” подано сигнал заборони (лог. „1”), то на виході мікросхеми спостерігається третій стан, а коли на цей вхід подано сигнал дозволу (лог. „0”), то до вихідного каналу С3–С0 будуть підключені сигнали одного з двох каналів: А3–А0 або В3–В0. Вибір каналу проводиться сигналом на вході „Напрямок передачі інформації”.
Подати на інформаційні входи мікросхеми А3–А0 та В3–В0 різні коди. Виходи мікросхеми С3–С0 підключити до індикаторних світлодіодів. На входи управління подати сигнали відповідно до табл. 1.5.
Таблиця 1.5 — Таблиця істинності мікросхеми мультиплексора КР1533КП11А
Режим роботи |
Входи |
Виходи |
|||
С |
А |
А3,А2,А1,А0 |
В3,В2,В1,В0 |
С3,С2,С1,С0 |
|
Робота |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
Третій стан |
1 |
X |
|
|
|
Встановити відповідність між каналом передачі інформації та сигналом управління „Напрямок передачі інформації”. Результати дослідження роботи мультиплексора занести до табл. 1.5.
2.3.3.2 Дослідити роботу мікросхеми мультиплексора КР589АП16. Умовне графічне зображення мікросхеми наведено на рис. 1.23.
Мультиплексор КР589АП16 являє собою триканальний чотирирозрядний комутатор, де один канал А3–А0 призначений лише для прийому інформації, другий канал С3–С0 — лише для виводу інформації, а третій канал В3–В0 може використовуватись як для прийому інформації, так і для її виводу. Вхід С забезпечує переведення мікросхеми у третій стан. Вхід А призначений для вибору напрямку передачі інформації.
Рисунок 1.23 — Умовне графічне зображення шинного формувача (мультиплексора) КР589АП16
Триканальний мультиплексор КР589АП16 використовується для зміни напрямку потоків даних, тому часто називається шинним формувачем.
Дослідити передачу коду з каналу А3–А0. З цією метою подати на входи А3–А0 довільний код, який слід зафіксувати. Індикаторні світлодіоди підключити до виводів каналів В3–В0 і С3–С0. Змінюючи сигнал на вході А —„Напрямок передачі”, встановити, при якому рівні цього сигналу інформація з каналу А3–А0 буде передана та в який саме з каналів. Результати дослідження занести до табл. 1.6. Дослідити роботу мікросхеми при подачі на вхід „Дозвіл роботи” С сигналу заборони роботи (див. табл. 1.6).
Дослідити передачу інформації з каналу В3–В0. Відключити індикаторні світлодіоди від каналу В3–В0, замість них на ці входи подати довільний код, відмінний від коду раніше встановленого на входах каналу А3–А0, який слід зафіксувати. До виводів каналу А3–А0 підключити світлодіоди та залишити підключеними світлодіоди до виводів каналу С3–С0. Змінюючи сигнал на входах А і С, встановити, куди і при яких рівнях цих сигналів буде передана інформація з каналу В. Результати дослідження занести до табл. 1.7.
Проаналізувати отримані результати за табл. 1.6 – 1.7. Зробити висновки.
Таблиця 1.6 — Таблиця істинності мікросхеми мультиплексора КР589АП16 при передачі інформації з каналу А3–А0
Режим роботи |
Вхід С |
Вхід А |
Канал А3–А0 (встановлено код) |
Канал В3–В0 (індикаторні світлодіоди) |
Канал С3–С0 (індикаторні світлодіоди) |
|||||||||
А3 |
А2 |
А1 |
А0 |
В3 |
В2 |
В1 |
В0 |
С3 |
С2 |
С1 |
С0 |
|||
Робота |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Третій стан |
1 |
Х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 1.7 — Таблиця істинності мікросхеми мультиплексора КР589АП16 при передачі інформації з каналу В3–В0
Режим роботи |
Вхід С |
Вхід А |
Канал А3–А0 (індикаторні світлодіоди) |
Канал В3–В0 (встановлено код) |
Канал С3–С0 (індикаторні світлодіоди) |
|||||||||
А3 |
А2 |
А1 |
А0 |
В3 |
В2 |
В1 |
В0 |
С3 |
С2 |
С1 |
С0 |
|||
Робота |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Третій стан |
1 |
Х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3.3.3 Дослідити роботу мікросхеми мультиплексора КР155КП7. Умовне графічне зображення мікросхеми наведено на рис. 1.24.
Мікросхема
даного мультиплексора являє собою
восьмиканальний комутатор на один
вихід. Мікросхема має вісім інформаційних
каналів D7–D0,
три управляючі входи V2–V0,
два виходи (прямий Y
і інверсний
),
вхід стробування R
— вхід дозволу (лог. „0”) або заборони
(лог. „1”) роботи.
В залежності від кодової комбінації на входах управління V2–V0, один з інформаційних каналів D7–D0 підключається до виходу Y.
Підключити виходи мультиплексора до індикаторних світлодіодів. На всі входи подати сигнали відповідно до табл. 1.8. Результати дослідження занести до табл. 1.8. Зробити висновки.
Використовуючи виходи формувача частот сервісної плати, підключити до входів мультиплексора вісім різних частот, до виходу мікросхеми підключити осцилограф, подавати на входи управління V2–V0 різні комбінації сигналів і спостерігати за станом виходу мультиплексора, отримані осцилограми зарисувати. Зробити висновки.
2.3.4 Дослідити роботу пристрою порівняння (цифрового компаратора). Пристрій порівняння на даному макеті подано мікросхемою КР1533СП1. Умовне графічне зображення пристрою порівняння наведено на рис. 1.25. Цей пристрій дозволяє виконувати порівняння двох чотирирозрядних чисел у прямому двійковому коді. Пристрій виконує три повністю декодовані операції, і результат відображається на трьох відповідних виходах.
Таблиця 1.8 — Таблиця істинності мультиплексора КР155КП7
Інформаційні входи |
Управляючі входи |
Вхід строб. |
Виходи |
||||||||||
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
V2 |
V1 |
V0 |
R |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
Рисунок 1.24 — Умовне графічне зображення мультиплексора КР155КП7
Мікросхема
пристрою порівняння КР1533СП1 має канал
А3–А0, канал В3–В0, три входи управління
та три виходи. Входи управління
використовуються для нарощування
розрядності пристрою порівняння. Якщо
мікросхема використовується самостійно
(без нарощування розрядності), то на
входи управління подаються такі сигнали:
,
— сигнал лог. „0”,
— сигнал лог. „1”.
Подати на управляючі входи вказані сигнали. Виходи мікросхеми підключити до індикаторних світлодіодів. Встановити на інформаційних входах мікросхеми два однакові коди, потім встановити два різних коди (код на входах каналу А має бути більшим, ніж код на входах каналу В), поміняти коди на входах каналів між собою. Щоразу спостерігати за отриманим результатом, який зафіксувати у табл. 1.9. Зробити висновки.
Рисунок 1.25 — Умовне графічне зображення пристрою порівняння КР1533СП1
Таблиця 1.9 — Таблиця істинності пристрою порівняння КР1533СП1
Входи управління |
Входи каналу А |
Входи каналу В |
Виходи |
||||||||||
A>B |
A<B |
A=B |
A3 |
A2 |
A1 |
A0 |
B3 |
B2 |
B1 |
B0 |
A>B |
A<B |
A=B |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.4 Зміст звіту
У звіті наводять:
— назву роботи;
— мету роботи;
— умовні графічні зображення та таблиці істинності досліджуваних мікросхем, осцилограми;
— висновки.
2.5 Контрольні запитання
1. Які функції виконують шифратори?
2. Як працює пріоритетний шифратор?
3. Що таке дешифратор?
4. Які функції виконує мультиплексор?
5. Які є різновиди мультиплексорів?
6. Як функціонує пристрій порівняння?