Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника высокопроизводительных систем. Лабораторный практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Вычислительная техника»
А.И. ПУГАЧЕВ, С.А. ФЕДОСОВ
СХЕМОТЕХНИКА
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ
Лабораторный практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2021
1
Печатается по решению методического совета Института автоматики и
информационных технологий (протокол № 7 от 15.02.2021 г.).
УДК 621.3.049.77(07)
ББК 32.844я73
П 88
Пугачев А.И.
Схемотехника высокопроизводительных систем: лабораторный практи-
кум / А.И. Пугачев, С.А. Федосов. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2021. – 68 с.
Рассмотрены вопросы построения и исследования различных схемотехни-
ческих устройств: статические и динамические характеристики логических
элементов, схем сумматоров и арифметико-логических устройств, мультиплексоров, схем последовательной и параллельной передачи данных. Изложена методика проведения лабораторных занятий, приведены контрольные вопросы
для оценки качества усвоения материала.
Материал предназначен для обучающихся по дисциплине «Схемотехника
высокопроизводительных систем» программы бакалавриата направления
09.03.01 – «Информатика и вычислительная техника».
Ре ц е н зе н т : д-р техн. наук, профессор А.В. Иващенко
УДК 621.3.049.77(07)
ББК 32.844я73
П 88
© А.И. Пугачев, С.А. Федосов, 2021
© Самарский государственный
технический университет, 2021
2
ВВЕДЕНИЕ
В пособии рассматриваются принципы исследования статических
и динамических характеристик логических элементов, основные комбинационные и последовательностные элементы, типовые схемы узлов высокопроизводительных вычислительных устройств.
Рассмотрены схемотехнические решения обмена данными между
элементами вычислительных систем.
3
Лабораторная работа № 1.
F
Y
X
x1
x2
xn
y1
. . .
ym
. . .
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Цель работы – приобретение навыков исследования статических
характеристик интегральных микросхем (ИМС).
1.1. Краткие теоретические сведения
Функциональные узлы высокопроизводительных вычислительных систем строятся из логических элементов. Логические элементы
(ЛЭ) – устройства, предназначенные для обработки информации
в цифровой форме (последовательности сигналов высокого и низкого
уровней напряжения в двоичной логике) [4]. В целом их принято делить на два вида:
комбинационные;
последовательностные.
В комбинационных ЛЭ сигналы на выходах в любой момент однозначно определяются комбинацией сигналов на их входах
(рис. 1.1). Комбинационные ЛЭ реализуют одну или нескольких булевых функций Y = (y1, y2, …, ym) от входных сигналов X = (x1, x2, …,
xn). Характерной особенностью комбинационных устройств является
отсутствие цепей обратной связи.
Рис. 1.1. Комбинационный логический элемент
Последовательностные ЛЭ обладают способностью сохранять
выходные сигнал при различных комбинациях входных сигналов.
4
Физически ЛЭ – это электронное устройство, на входы которого
Уровень напряжения U
1
вых
логической единицы
Уровень
логического нуля U
0
вых
Неопределенное
состояние
U
Eп = 5В
2,4В
0,4В
подаются напряжения, высокий уровень которого интерпретируется
как логическая единица, а низкий – как логический ноль. Напряжения, устанавливающиеся на выходах ЛЭ, также либо высокого, либо
низкого уровня. Из ЛЭ строятся интегральные микросхемы (ИМС).
В большинстве из них также логическому нулю соответствует низкий
уровень напряжения U0, а логической единице – высокий уровень
напряжения U1.
Различают статические параметры и характеристики логических элементов и динамические. Статические снимаются в установившемся режиме. Параметры, зависящие от времени, называются
динамическими.
С помощью экспериментов и расчетов определяют следующие
основные статические параметры элементов:
значения напряжений логического нуля U0 и логической единицы U1,
нагрузочную способность,
помехоустойчивость,
потребляемую мощность.
Уровни напряжений U0 и U1 определяются диапазонами значе-
ний, между которыми находится диапазон неопределенных значений.
На рис. 1.2 приведены уровни выходных сигналов микросхем с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ).
Рис. 1.2. Уровни логических сигналов на выходе
цифровых ТТЛ микросхем
5
Нагрузочная способность ЛЭ оценивается максимально возмож-
ным количеством подключаемых входов аналогичных ЛЭ к его выходу, при котором он сохраняет свою работоспособность. Поэтому
нагрузочную способность также называют коэффициентом разветвления по выходу.
Помехоустойчивость означает невосприимчивость ЛЭ к дей-
ствию наложенных на входной сигнал отклонений (помех). Помехоустойчивость характеризуется максимально допустимым уровнем
напряжения помехи, при котором еще будет сохраняться правильное
функционирование ЛЭ. Так, например, для элементов ТТЛ максимально допустимый уровень помехи как для напряжения логической
единицы, так и для напряжения логического нуля составляет 0,4 В,
так как любой сигнал ниже 0,8 В интерпретируется ими как низкий
уровень, а любой сигнал выше 2 В – как высокий, в то время как
уровни выходных сигналов составляют в самом неблагоприятном
случае 0,4 В и 2,4 В соответственно.
В общем же случае максимально допустимые уровни помехи
напряжения логической единицы и напряжения логической единицы
отличаются и поэтому приводятся для ИМС отдельно.
Потребляемая ЛЭ мощность в статическом режиме при U
и U
вых =
U1 отличается. Средняя мощность, потребляемая ЛЭ в стати-
вых
= U0
ческом режиме, определяется выражением:
Р
= Еп (I
ст
Здесь I
Е
– напряжение питания исследуемой схемы.
п
0
и I
п
1
– токи, потребляемые ЛЭ при U
п
0
+ I
п
1
) / 2.
п
= U0 и U
вых
вых =
U1;
К статическим характеристикам ЛЭ так же относятся передаточная, входная и выходная характеристики.
Передаточная характеристика определяет зависимость выходного
напряжения U
ЛЭ от входного напряжения Uвх. С ее помощью
вых
можно определить ряд параметров ЛЭ, например, уровни напряжений
логической единицы U1, логического нуля U0, оценить помехоустойчивость элемента.
6
Для снятия этой характеристики многовходовой ЛЭ преобразуют
ЛЭ
Uвх
+
_
V
V
Eп
U
вых
V1
V2
≥ 1
x «0» & x
«1»
а)
б)
≥ 1
&
x
в одновходовой, превращая его в простой инвертор. Первый вариант
преобразования заключается в объединении всех входов в один
(рис. 1.3). Недостатком такого варианта является увеличение входной
емкости, что ухудшает динамические характеристики ЛЭ.
Рис. 1.3. Преобразование многовоходового
логического элемента в одновходовой
Другим вариантом преобразования ЛЭ для снятия характеристик
является использование одного входа. Для схемы ИЛИ-НЕ на остальные входы нужно подавать логический ноль, а для схемы И-НЕ – логическую единицу (рис. 1.4). При таком использовании входов на динамические характеристики ЛЭ, в частности на быстродействие, будет оказывать влияние емкость только одного входа.
Рис. 1.4. Преобразование многовоходового ЛЭ в одновходовой
На рис. 1.5 приведена схема для снятия передаточной характеристики ЛЭ.
Рис. 1.5. Схема снятия передаточной характеристики
7
Входное напряжение задается регулируемым источником напря-
ЛЭ
Uвх
+
_
V
A
Eп
Iвх
Uвх
A
U
вых
U
1
вых
U
0
вых
B
жения и контролируется вольтметром V1. Диапазон изменения Uвх
от 0 В до максимального значения U
1
, соответствующего логиче-
вх
ской единице. Выходное напряжение измеряется вольтметром V2.
Результаты измерений заносят в таблицу, по которой затем строят
график U
стики масштабы по осям Uвх и U
= f(Uвх). При построении графика передаточной характери-
вых
следует выбирать одинаковыми.
вых
Типовая передаточная характеристика инвертора изображена
на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Передаточная характеристика
Входная характеристика – зависимость Iвх = fвх(Uвх) входного тока
от входного напряжения.
Схема для снятия входной характеристики приведена на рис. 1.7.
Входное напряжение задается регулируемым источником напряжения и контролируется вольтметром. Диапазон изменения Uвх от 0 В
Рис. 1.7. Схема снятия входной характеристики
8
до максимального значения U
U
1
вх
U
0
вх
Uвх
Iвх
I
0
вх
I
1
вх
1
, соответствующего логической еди-
вх
нице. Для каждого установленного значения Uвх входной ток Iвх измеряется амперметром.
Результаты измерений заносят в таблицу и строят график
Iвх = fвх(Uвх). Входные характеристики для ЛЭ различных типов логи-
ки (ТТЛ, ТТЛШ, КМОП) отличаются. На рис. 1.8 изображена типовая
входная характеристика ТТЛ элемента.
По этой характеристике можно определить входной ток I
соответствующий входному напряжению U
цы, соответствующий входному напряжению U
0
, и входной ток I
вх
1
логической единицы.
вх
0
нуля,
вх
1
едини-
вх
Рис. 1.8. Входная характеристика
Выходная характеристика ЛЭ – это зависимость выходного
напряжения от величины тока нагрузки. Также ее еще называют
нагрузочной характеристикой. Снимают две выходные характеристики: выходную характеристику нуля, то есть при U
ную характеристику единицы, то есть при U
= U1. Ввиду нелиней-
вых
= U0, и выход-
вых
ного режима работы электронных цепей логических элементов эти
характеристики отличаются друг от друга.
На рис. 1.9 приведена схема для снятия выходной характеристики
нуля ЛЭ типа ТТЛ.
Для снятия выходной характеристики нуля инвертирующего ЛЭ
на его вход нужно подать напряжение Uвх = U1. В данной схеме в качестве такого напряжения на вход подается напряжение Еп источника
питания.
9
I
0
н max
A
I
0
н
U
0
вых
Eп
ЛЭ
I
0
н
V
A
Rн
U
0
вых
Рис. 1.9. Схема снятия выходной характеристики нуля
К этому же источнику подключена и цепь нагрузки. Она включает регулируемое сопротивление Rн и амперметр. Ток нагрузки задают,
изменяя сопротивление Rн, Устанавливающееся при этом выходное
напряжение измеряется вольтметром. Результаты измерений записывают в таблицу, на основании которой строят график выходной характеристики.
Типовая выходная характеристика нуля показана на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Выходная характеристика нуля
По этой характеристике можно определить максимальный ток
0
I
напряжение U
нагрузки нуля. Он определяется в точке графика, где выходное
н max
0
начинает резко увеличиваться, но еще не достигает
вых
порогового значения (точка А на рис. 1.10).
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]