Учебное пособие 800343

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В.В. Горбатенко

ЦИФРОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА: ПРАКТИКУМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2016

УДК 621.374

Горбатенко В.В. Цифровые и импульсные устройства: практикум: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (1,7 Мб) / В.В. Горбатенко. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением

1024х768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

Практикум предназначен для освоения студентами дисциплины «Цифровые и импульсные устройства», включает краткий теоретический курс по цифровым и импульсным устройствам, индивидуальные варианты заданий по расчету устройств с методическими рекомендациями и примерами выполнения.

Издание соответствует рабочей программе дисциплины «Цифровые и импульсные устройства» для студентов направления подготовки 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» (направленность «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»).

Табл. 24. Ил. 84. Библиогр.: 10 назв.

Рецензенты: кафедра информационных технологий моделирования и управления Воронежского государственного университета инженерных технологий (канд. физ.-мат. наук, доц. С.Н. Черняева); д-р физ.-мат. наук, проф. Л.Н. Коротков

©Горбатенко В.В., 2016

©Оформление. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………………. .5

1.Логические функции………………………………………………………………..7

1.1.Понятие о логических функциях и логических устройствах…………………..7

1.2.Понятия алгебры логики. Базовые логические функции. Аксиомы алгебры логики…………………………………………………………………………………...7

1.3.Способы задания функций алгебры логики…………………………………...10

1.4.Функционально полные системы………………………………………………12

2.Цифровые последовательностные устройства. Триггеры……………………….13

2.1.Определение цифровых последовательностных устройств…………………...13

2.2.Триггеры. Классификация триггеров…………………………………………...14

2.3.Асинхронные триггеры…………………………………………………………..15

2.4.Синхронные триггеры. Статические триггеры и триггеры с динамическим управлением…………………………………………………………………………...18

2.4.1.Синхронные статические триггеры…………………………………………...18

2.4.2.Синхронные триггеры с динамическим управлением……………………….21

3.Функциональные узлы цифровых устройств последовательностного типа…….26

3.1.Основы проектирования последовательностных функциональных узлов……26

3.2.Счетчики и делители частоты……………………………………………………27

3.2.1.Асинхронные счетчики………………………………………………………...28

3.2.2.Синхронные счетчики………………………………………………………….33

3.3.Регистры…………………………………………………………………………...34

4.Схемотехника импульсных устройств……………………………………………35

4.1.Импульсные устройства на интегральных логических элементах транзисторно-транзисторной логики………………………………………………...35

4.1.3. Особенности расчета импульсных устройств на интегральных логических

4.1.4. Мультивибраторы на интегральных логических элементах транзисторно-

4.2. Импульсные устройства на интегральных логических элементах типов КМОП и МОП………………………………………………………………………………….46

4.2.2. Мультивибраторы на интегральных логических элементах типов КМОП и

4.2.3. Мультивибраторы на интегральных логических элементах типов КМОП и

4.3. Импульсные устройства на операционных усилителях……………………….55

5. Методические указания по выполнению практических заданий……………….59

5.1.4.Минимизация логических функций……………………………………….65

6.1.Исходные данные……………………………………………………………….. .79

6.2.Порядок расчета…………………………………………………………..............79 7. Cxемотехническое моделирование разрабатываемого устройства при помощи пакета прикладных программ МС-1…………………………………………………86

7.1.Cxемотехническое моделирование генератора импульсов счета…………….86

7.2.Cxемотехническое моделирование блока формирования функции…………..86

7.3.Cxемотехническое моделирование устройства формирования выходного сигнала…………………………………………………………………………………86

Заключение…………………………………………………………………………….87

Библиографический список…………………………………………………………..87

4

ВВЕДЕНИЕ

Цифровые и импульсные устройства - дисциплина, изучающая основные принципы построения и работы цифровых и импульсных устройств в микроэлектронном исполнении, которые нашли широкое применение в биомедицинских устройствах (БМУ) и системах (БМС).

Роль дисциплины в подготовке специалиста заключается в том, что проектирование микроэлектронных цифровых и импульсных устройств, с учетом специфики их использования в БМС, позволяет создавать малогабаритные и высокоэффективные устройства и системы биомедицинской техники.

Основной целью преподавания дисциплины является формирование у студентов знаний о назначении, принципах действия и построения, возможностях применения микроэлектронных цифровых и импульсных устройств в БМУ и БМС. Достижение этой цели осуществляется путем решения следующих задач:

1)изучение принципов функционирования микроэлектронных цифровых и импульсных устройств (ЦиИУ);

2)изучение особенностей схемотехнической реализации базовых узлов

ЦиИУ;

3)освоение методов анализа и расчета ЦиИУ;

4)приобретение практических навыков построения и расчета схем ЦиИУ с заданными характеристиками.

Требования к знаниям и умениям по дисциплине.

Врезультате изучения дисциплины студент должен:

иметь представление о:

-принципах действия, построения и тенденциях развития микроэлектронных цифровых и импульсных устройств и систем биомедицинской техники;

знать:

-принципы проектирования БМС при использовании микроэлектронных цифровых и импульсных устройств;

уметь:

-выбирать и обосновывать выбор элементной базы для создания малогабаритных цифровых и импульсных устройств, соответствующих современному уровню развития науки и техники;

-осуществлять расчет микроэлектронных цифровых и импульсных устройств с учетом требований технического задания, структуры биомедицинской системы, электромагнитной совместимости и сопряжения параметров с общими параметрами системы.

Структурно дисциплина состоит из 7 разделов. Первый раздел «Логические функции» включает в себя описание логических функций и логических устройств, понятия алгебры логики, способы задания функций алгебры логики. Во втором

разделе «Цифровые последовательностные устройства. Триггеры» рассмотрены вопросы построения цифровых последовательностных устройств (триггеров). Четвертый раздел «Схемотехника импульсных устройств» посвящен изучению

5

принципов построения и методов расчета импульсных устройств на основе интегральных логических элементов (ИЛЭ) транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), на основе интегральных логических элементов типа КМОП и МОП и на основе операционных усилителей, а также - получению практических навыков проектирования импульсных устройств биомедицинской техники. В пятом разделе «Методические указания по выполнению практических заданий» представлены варианты индивидуальных заданий по проектированию биомедицинских устройств и методические рекомендации по их выполнению. В шестом разделе «Пример выполнения практического задания» показан алгоритм расчета схемы электрической принципиальной БМУ - устройства формирования выходного сигнала. В седьмом разделе «Cxемотехническое моделирование разрабатываемого устройства при помощи пакета прикладных программ МС-1»

6

1. ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

1.1. Понятие о логических функциях и логических устройствах

В цифровой технике для обмена информацией пользуются кодовыми словами. На входы цифрового устройства (ЦУ) поступают кодовые слова, на выходе образуются другие кодовые слова. Поэтому можно считать, что выходное слово представляет собой векторную функцию, для которой аргументами являются входные слова. Каждый компонент этой функции (каждый разряд выходного слова) является логической функцией от входных переменных (аргументов), образующих входное слово. Логическая функция и аргументы могут принимать значения логического 0 или логической 1.

разделяются на два класса: комбинационные и последовательностные устройства. Комбинационные устройства относятся к цифровым автоматам без памяти.

Их выходное состояние зависит только от текущих значений входных сигналов,

т.е. Yi = F (Xn-1, . . , X0), i = 0,…., m-1. Десятичные и двоичные кодовые комбинации связаны следующими алгебраическими выражениями

i 1

Комбинационными устройствами являются логические элементы, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, сумматоры и ряд других устройств.

Последовательностные устройства относятся к цифровым автоматам с памятью. Их выходное состояние зависит не только от текущих значений входных сигналов, но и от предыдущих состояний устройства. К ним относятся триггеры, регистры, счетчики, запоминающие устройства, микропроцессоры и многие другие устройства.

1.2. Понятия алгебры логики. Базовые логические функции. Аксиомы алгебры логики

Математическим аппаратом анализа и синтеза цифровых систем является алгебра логики, основы которой были заложены в работах математика Джорджа Буля в XIX века. В его работах были изложены основы математического описания логики высказываний и теории вероятностей. Поэтому в технической литературе наряду с термином «алгебра логики» часто используется термин «булева алгебра».

Результаты работ Буля развил американский ученый Клод Шеннон в 1938 году, создав теорию анализа и синтеза переключательных устройств. Булева алгебра является фундаментом всех информационных технологий. Основное

7

понятие булевой алгебры – логическая функция. Работу цифрового устройства можно описать с помощью двузначных логических функций, которые также как их аргументы принимают только два значения 0 или 1.

Количество возможных различных наборов из n входных переменных равно 2n. Таким образом, любая логическая функция может быть задана таблицей с 2n строками. В строках таблицы записываются все возможные двоичные наборы значений аргументов x0, x1 … xn-1 и значения функции, которые она принимает для этих наборов. Такая таблица называется таблицей истинности.

Простейшими логическими функциями являются функции одного и двух аргументов (переменных). Эти функции называются элементарными. Таблица истинности для логических функций одного аргумента приведена в табл. 1.1. Существуют 4 элементарные функции от одного аргумента.

Таблица 1.1

Рассмотрим все функции одного аргумента. Функция f0 = 0 является константой или генератором «0»; f1 = x - повторитель. Функция f2 x носит название инверсии или отрицания и представляет собой операцию логическое НЕ; f3 = 1 – генератор «1».

Если число аргументов функции равно n, то число различных сочетаний значений аргументов составляет 2n, а число различных функций (число

комбинаций от сочетаний аргументов) будет равно 22n . От двух аргументов из 16-ти возможных элементарных функций в алгебре логики используются только 6 функций, представленные в табл. 1.2.

Конъюнкция – функция, реализующая логическую операцию И (логическое

реализующая операцию суммирования аргументов по модулю 2. F = X1 X2.

Функция эквивалентности (функция равнозначности). F = X1 X2.

При записи логических алгебраических выражений, если в тексте не используются выражения десятичной алгебры, допускается использовать символы “∙” вместо символов “&”, “ ” и “+” вместо символа “ ”.

8

Таблица 1.2

Вышеперечисленные элементарные логические функции от одного и двух аргументов в цифровых устройствах реализуются логическими элементами. Эти элементы имеют следующие условно - графические обозначения на схемах

(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Условно – графические обозначения элементарных логических функций

Рассмотренные логические функции являются базовыми. Они позволяют строить произвольные функции алгебры логики. Функция, полученная из функций f1, f2, …, fk, является сложной и представляет собой суперпозицию этих функций.

Теперь, после предварительного знакомства с основными элементарными логическими функциями, можно дать определение самой алгебре логики и рассмотреть систему аксиом, принятых в ней. Алгеброй логики называется множество элементов, включающее константы 0 (ложь), 1 (истина), на котором

9

X1 X1 1, X1 X1 0, X1 1 1, X1 0 0, X1 X1 X1, X1 X1 X1.

Из рассмотренных выше аксиом можно получить наиболее часто используемые в алгебраических преобразованиях правила де Моргана, которые позволяют выполнять переход от конъюнкции к дизъюнкции и от дизъюнкции к конъюнкции для произвольного числа аргументов

X1 X2 ... Xn X1 X2 ... Xn ,

X1 X2 ... Xn X1 X2 ... Xn .

Представленные выше тождества отражают закон двойственности, который действует в булевой алгебре. Если справедливо какое-либо тождество, то справедливо также тождество, которое получается из первого заменой в нем символов 0 и 1 (если они имеются) и операций дизъюнкции и конъюнкции.

1.3. Способы задания функций алгебры логики

Для задания логических функций используются два способа: табличный и алгебраический. При табличном способе строится таблица истинности, в которой приводятся все возможные сочетания значений аргументов и соответствующие им значения логических функции. Так как число таких сочетаний конечно, таблица истинности позволяет определять значение функции для любых значений аргументов. В табл. 1.3, которая в дальнейшем будет использоваться в примерах, приведены значения некоторой логической функции от трех аргументов.

Логическая функция является определённой, если известно её логическое

место, когда некоторые наборы переменных по условиям задачи невозможны. В этом случае для последующего анализа логическую функцию можно доопределить для запрещенных наборов любыми значениями («0» или «1»).

10