Контрольные вопросы и задания

1. Что такое интегратор на ОУ и каков принцип его действия?

2. Каково соотношение напряжений U_вых и U_вх в интеграторах?

3. Какими свойствами обладает интегратор?

4. Какими свойствами обладает дифференциатор?

5. Назовите виды обратной связи в мультивибраторе.

6. Нарисуйте временные диаграммы, характеризующие работу мультивибратора.

7. Изобразите формы сигналов на выходе дифференциатора при разных U_вх.

8. Каково назначение мультивибратора?

9. Поясните на временной диаграмме принцип действия мультивибратора.

Лабораторная работа №7 «Исследование логических элементов и цифровых интегральных схем»

Целью работы является приобретение знаний и умений по исследованию базовых логических и цифровых интегральных микросхем.

I. Задание по выполнению лабораторной работы

1. Ознакомиться с лабораторным оборудованием.

2. Исследовать элементы, выполняющие логические операции «2И», «2ИЛИ», «2НЕ».

3. Исследовать элементы, выполняющие логические операции «2И-НЕ», «2ИЛИ-НЕ».

4. Исследовать D-триггер и JK-триггер.

5. Исследовать двоично-десятичный счетчик К155ИЕ6.

Внимание!!!

Подавать напряжение на любую из собранных схем можно только после ее проверки преподавателем.

II. Методические указания к лабораторной работе

К пункту 1

Описание лабораторного оборудования

Стенд состоит из модулей «Питание», «Мультиметры», «Наборное поле», «Цифровые приборы» и мини-модулей.

1.1. Модуль «Питание» предназначен для питания модулей «Наборное поле» и «Цифровые приборы», а также внешнего дополнительного измерительного прибора (двухканального осциллографа и пр.).

Для подачи питания модуля следует включить двухполюсный автоматический выключатель и устройство защитного отключения.

Наличие питания индицируется лампой «Сеть».

1.2. Модуль «Мультиметры» состоит из двух мультиметров. Для подачи напряжения питания модуля следует перевести тумблер «Вкл.» в верхнее положение.

Необходимый диапазон измерений и род тока и напряжения устанавливаются вращением поворотного переключателя мультиметра.

1.3. Модуль «Наборное поле» имеет гнезда для установки мини-модулей и сборки исследуемых схем. Для включения модуля следует перевести тумблер «Вкл.» в верхнее положение (расположен в левом нижнем углу модуля).

1.4. Модуль «Цифровые приборы» разделен на шесть функциональных полей: «Генератор тактовых импульсов ТТЛ», «Логические уровни ТТЛ», «Импульс одиночный ТТЛ», «Индикация ТТЛ», «Индикация КМОП», «Питание +5 В, 1 А».

Поле «Генератор тактовых импульсов ТТЛ» содержит три генератора прямоугольных импульсов – 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц – логического уровня ТТЛ с двумя выходными гнездами, каждый с общей «землей».

Поле «Логические уровни ТТЛ» содержит четыре тумблера для подачи статических логических сигналов. Соответствующие выходы расположены под тумблерами SA1–SA4. Верхнее положение тумблера соответствует логической «1» (индицируется зеленым светодиодом), нижнее положение тумблера – логическому «0». «Земля» у всех четырех выходов общая.

Примечание. Логическая «1» – это напряжение с амплитудой от 3 до 4,5 В, логический «0» – от 0,4 до 2 В.

Поле «Импульс одиночный TTЛ» содержит два гнезда с прямым и инверсным выходом ТТЛ. Наличие логической «1» на соответствующем выходе индицируется светодиодом. Для изменения полярности логического уровня следует нажать кнопку SB1 либо SB2. «Земля» у всех двух выходов общая.

Поле «Индикация ТТЛ» имеет четыре входа для подачи сигнала логической «1» и общую «землю». При подаче на вход модуля сигнала высокого уровня ТТЛ загорается светодиод. В случае, когда уровня сигнала не достаточно, светодиодная индикация не загорается. Модуль имеет защиту от переполюсовки.

Поле «Индикация КМОП» имеет четыре входа для подачи сигнала логической «1» и общую «землю». При подаче на вход модуля сигнала уровня КМОП загорается светодиод. В случае, когда уровня сигнала не достаточно, светодиодная индикация не загорается. Модуль имеет защиту от переполюсовки.

Поле «Питание +5 B, 1 A» содержит источник постоянного напряжения 5 В с защитой от перегрузки и короткого замыкания.

При возникновении перегрузки (свыше 1 A) загорается красный светодиод, при этом подача питания на выходные гнезда прекращается. Для сброса данного состояния следует устранить источник возникновения перегрузки и нажать кнопку «Сброс».

Рекомендуемая установка мини-модулей типа «Логический элемент» показана на рис. 7.1. Установка мини-модулей типа «Триггер» и «Счетчик» аналогична.

Рис. 7.1. Способ установки мини-модуля на наборном поле

Примечание. Питание на логические мини-модули подается через две пары штыревых контактов, причем «+» питания подключается сверху (красная полоска на корпусе мини-модуля), а «–» питания подключается снизу (синяя полоска на корпусе мини-модуля). Напряжение питания микросхемы указано на лицевой стороне мини-модуля. Цепи питания могут подключаться как с левой стороны мини-модуля, так и с правой. Между парами штыревых контактов питания одной полярности установлена перемычка внутри корпуса.

Вся коммутация на таких мини-модулях выполняется на лицевой стороне корпуса с помощью специальных проводов с узкими штыревыми контактами плоской формы.

В лабораторной работе используются наборное поле, модуль «Цифровые приборы» и мини-модули с логическими элементами «2И-НЕ», «2ИЛИ-НЕ», «2И», «НЕ», «2ИЛИ»; D- и JK-триггеры; счетчик К155ИЕ6.

В качестве дополнительного оборудования используется двухканальный осциллограф.

Варианты размещения мини-модулей представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Варианты размещения мини-модулей

К пункту 2

2.1. Исследуйте логический элемент «2И» (рис. 7.3).

На наборном поле разместите мини-модуль «Логический элемент 2И», используя способ установки, показанный на рис. 7.1.

С помощью соединительных проводов подключите два тумблера SA1 и SA2 для подачи логических сигналов на вход логического элемента. Выход логического элемента подключите к входному гнезду поля «Индикация ТТЛ».

Рис. 7.3. Схема для исследования элемента «2И»

Рекомендуется нижний ряд объединенных между собой гнезд на наборном поле подсоединить к гнезду «Земля» на поле «Источник постоянного напряжения». Таким образом создается «Общий провод» («Земля») для подключения индикаторов и тумблеров при подаче логических сигналов.

Включите тумблер питания модуля «Цифровые приборы» (в левом нижнем углу). Заполните таблицу истинности (рис. 7.4). Для этого задавайте возможные комбинации входных логических сигналов с помощью тумблеров SA1 и SA2.

Рис. 7.4. Таблица истинности элемента «2И»

Верхнее положение тумблера соответствует логической «1», при этом наличие логической «1» на выходе DD1 индицируется свечением светодиода; нижнее положение тумблера соответствует логическому «0» и индицируется отсутствием свечения.

2.2. Исследуйте логический элемент «2ИЛИ» (рис. 7.5).

Для этого, не разбирая схемы, замените мини-модуль.

Рис. 7.5. Схема для исследования элемента «2ИЛИ»

Затем повторите исследование элемента в той же последовательности (см. п. 2.1) и заполните таблицу истинности (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Таблица истинности элемента «2ИЛИ»

2.3. Исследуйте логический элемент «НЕ» (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Схема для исследования элемента «2НЕ»

Для этого, не разбирая схемы, замените мини-модуль. Затем повторите исследование элемента в той же последовательности (см. п. 2.1) и заполните таблицу истинности (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Таблица истинности элемента «2НЕ»

К пункту 3

3.1. Исследуйте логический элемент «2И-НЕ» (рис. 7.9).

Для этого соберите схему и повторите исследование элемента в той же последовательности (см. п. 2.1).

Рис. 7.9. Схема для исследования элемента «2И-НЕ»

Заполните таблицу истинности (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Таблица истинности элемента «2И-НЕ»

3.2. Исследуйте логический элемент «2ИЛИ-НЕ» (рис. 7.11).

Для этого, не разбирая схемы, замените мини-модуль «2И-НЕ» на «2ИЛИ-НЕ» и повторите исследование элемента в той же последовательности (см. п. 2.1).

Рис. 7.11. Схема для исследования элемента «2ИЛИ-НЕ»

Заполните таблицу истинности (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Таблица истинности элемента «2ИЛИ-НЕ»

Пример заполнения таблицы истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» приведен на рис. 7.13, а.

Работу логического элемента можно проиллюстрировать с помощью временной диаграммы. На рис. 7.13, б приведен пример временной диаграммы для элемента «ИЛИ-НЕ». Последовательность построения временной диаграммы следующая:

• отмечают систему осей U_вх = f(t), U_вых = f(t) (количество осей должно соответствовать общему количеству входных и выходных сигналов);

• на вертикальных осях отмечают уровни сигналов логического «0» и логической «1»;

• входные сигналы изображают на временной диаграмме так, чтобы имели место все возможные комбинации;

• состояние на выходах элемента анализируется по показаниям индикаторов и наносится на диаграмму.

а) б)

Рис. 7.13. Логический элемент «ИЛИ-НЕ»:

а – таблица истинности; б – временные диаграммы

К пункту 4

4.1. Исследуйте D-триггер (рис. 7.14).

На наборном поле разместите мини-модуль «D-триггер», используя способ установки, показанный на рис. 7.1.

С помощью соединительных проводов подключите два тумблера SA1 и SA2 для подачи логических сигналов на входы D и С триггера. Выходы триггера подключите к входным гнездам на поле «Индикация ТТЛ».

Рис. 7.14. Схема для исследования D-триггера

Заполните таблицу истинности (рис. 7.15). Для этого задавайте с помощью тумблеров SA1 и SA2 различные комбинации входных сигналов.

Рис. 7.15. Таблица истинности: Qⁿ – исходное состояние; Q^{n + 1} – последующее состояние выхода

Примечание. В случае необходимости подключите к тумблеру SA3 установочный вход S триггера, который используется для предварительной установки выхода Qⁿ = 0 (при = 1).

Фиксируйте свечение светодиодов, принимая за логическую «1» наличие выходного напряжения, а за логический «0» – его отсутствие.

Изменение состояния триггера (Q = 0) происходит в момент времени, когда на обоих входах действуют сигналы логической «1».

4.2. Исследуйте JK-триггер (рис. 7.16).

Рис. 7.16. Схема для исследования JK-триггера

На наборном поле разместите мини-модуль «JK-триггер», используя способ установки, показанный на рис. 7.1.

С помощью соединительных проводов подключите два тумблера SA1 и SA2 на поле «Логические уровни ТТЛ» для подачи логических сигналов на входы J и K триггера. Выходы триггера подключите к входным гнездам на поле «Индикация ТТЛ».

Настройте функциональный генератор:

- нажатием кнопки «Диапазон» выберите поддиапазон частоты 100 Гц–1 кГц;

- вращением ручки потенциометра «Частота» установите внутри выбранного поддиапазона частоту 1 кГц;

- нажатием кнопки «Форма» выберите синусоидальную форму сигнала.

Заполните таблицу истинности (рис. 7.17). Для этого задавайте с помощью тумблеров SA1 и SA2 различные комбинации входных сигналов. При этом на вход С с гнезда на поле «Генератор тактовых импульсов» подавайте серию тактовых импульсов с частотой 1 Гц.

Рис. 7.17. Таблица истинности JK-триггера

Фиксируйте свечение светодиодов, принимая за логическую «1» наличие выходного напряжения, а за логический «0» – его отсутствие.

Пример временных диаграмм приведен на рис. 7.18.

При построении временных диаграмм триггеров и счетчиков необходимо обратить внимание на то, как происходит переключение сигнала на выходе по фронту (знак ) или срезу (знак ) входных сигналов.

Рис. 7.18. Временные диаграммы работы JK-триггера при воздействии на входы J и K

К пункту 5

5.1. Исследуйте двоично-десятичный счетчик К155ИЕ6 (рис. 7.19).

На наборном поле разместите мини-модуль «Счетчик», используя способ установки, показанный на рис. 7.1.

Перед началом исследований обнулите счетчик, подав на вывод R сигнал при помощи тумблера SА1 от поля «Логические уровни».

Внимание!!! Для подсоединения проводов к выходам Q0…Q3 счетчика используйте первый столбец гнезд на лицевой панели мини-модуля.

Рис. 7.19. Схема для исследования счетчика

Заполните таблицу счета импульсов (рис. 7.20).

Номер тактового импульса	Двоичная счетная серия				Десятичные числа
	Q3	Q2	Q1	Q0
	D	C	B	A
0	0	0	0	0	0
1					1
2					2
3					3
4					4
5					5
6					6
7					7
8					8
9					9

Рис. 7.20. Таблица счета импульсов

Для этого произведите следующие действия:

- на вход R микросхемы DD8 подайте сигнал с помощью тумблера SA1 на поле «Логические уровни», а затем переведите тумблер в нижнее положение;

- на вход «–1» микросхемы DD8 подайте сигнал с гнезда +5 В на поле «Источник постоянного напряжения»;

- нажимая на кнопку SB2 на поле «Импульс одиночный», наблюдайте и записывайте состояние светодиодов на выходах (поле «Индикация ТТЛ») после каждого очередного нажатия.

Количество входных импульсов заканчивается 9 (1001).