Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника цифровой электроники. Лабораторный практикум
.pdf
№ 3328
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Кафедра автоматизации
Л.В. Маркарян
СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Лабораторный практикум
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2018
УДК 004
М25
Рецензент
канд.техн.наук,доц.И.В. Баранникова
Маркарян Л.В.
М25 Схемотехника цифровой электроники : лаб. практикум /
Л.В.Маркарян.–М.:Изд.ДомНИТУ«МИСиС»,2018.–74с.
ISBN978-5-907061-72-9
В лабораторномпрактикумепредставлены материалы для выполнения7
лабораторныхработ.Рассмотреныэлементнаябазаипринципыработывэлектронной системе моделирования Electronics Workbench, которая предназначена для схемотехнического моделирования цифровых радиоэлектронных и
радиофизическихсхемиустройствразличногоназначения.Изложеныосновные принципы построения комбинационныхи последовательностных схем,
атакжеконтрольныевопросыдлясамопроверки.
Практикум предназначен для проведения лабораторных работ по курсу:
«Схемотехникацифровых устройств» для студентоввузов,обучающихсяпо
направлению27.03.04«Управлениевтехническихсистемах».
ISBN 978-5-907061-72-9
УДК 004
Л.В.Маркарян,2018
НИТУ«МИСиС»,2018
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................................................................4
Основныепринципысозданиясхемы..................................................... 5
Лабораторнаяработа1............................................................................. 8
Лабораторнаяработа2......................................................................16
Лабораторнаяработа3........................................................................... 29
Лабораторнаяработа4........................................................................... 37
Лабораторнаяработа5........................................................................... 45
Лабораторнаяработа6........................................................................... 51
Лабораторнаяработа7........................................................................... 67
Списоклитературы................................................................................ 73
3
ВВЕДЕНИЕ
СистемасхемотехническогомоделированияElectronicsWorkbench
предназначена для моделирования и анализа электрических схем.
Программа Electronics Workbench позволяет моделировать аналоговые,цифровыеицифро-аналоговыесхемывысокойстепенисложности.Имеющиеся в программе библиотекивключаютв себябольшой
набор широко распространенных электронных компонентов. Есть
возможностьподключенияисозданияновыхбиблиотеккомпонентов.
Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне
значений. Простые компоненты описываются набором параметров,
значения которых можно изменять непосредственно с клавиатуры,
активныеэлементы–моделью,представляющейсобойсовокупность
параметров иописывающей конкретный элемент или его идеальное
представление. Модель выбирается из списка библиотек компонентов,параметрымоделитакжемогутбытьизмененыпользователем.
Результатымоделированияможноимпортироватьвтекстовыйили
графическийредактордляихдальнейшейобработки.
Электронная система моделирования EWB имитирует реальное
рабочееместоисследователя–лабораторию,оборудованнуюизмерительнымиприборами,работающимивреальноммасштабевремени.
В настоящей лабораторной работе описываются основные принципы работы с электронной системой моделирования Electronics
Workbench.Для четкогопонимания принципов ее работы необходимо:
– знание основных принципов работы операционной системы
Windows;
– пониманиепринциповработыосновныхизмерительныхприбо-
ров(осциллограф,мультиметрит.п.);
– знаниеотдельныхэлементоврадиоэлектронныхустройств.
4
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ
СХЕМЫ
РаботасэлектроннойсистемоймоделированияEWBвключаетнесколькоосновныхэтапов:созданиесхемы,выбор и подключениеизмерительныхприборов,активациясхемыианализ процессов,протекающихвисследуемомустройстве.
Вобщемслучаепроцесссозданиясхемыначинаетсясразмещения
на рабочем поле EWB компонентов из библиотеки программы. ЧетырнадцатьразделовбиблиотекипрограммыEBWпоочередномогут
бытьвызваныспомощьюиконок,расположенныхнапанелиинструментов(рис.1).
Рис.1.ПанельинструментовпрограммыElectronicsWorkbench
Каталогвыбранногоразделабиблиотекирасполагаетсяввертикальномокнесправаилислеваотрабочегополя(устанавливаетсявлюбое
местоперетаскиванием стандартнымспособом–за шапкузаголовка).
Дляоткрытия каталоганужногоразделабиблиотеки необходимоподвестикурсормышиксоответствующейиконкеинажатьодинразеелевуюкнопку.Необходимыйдлясозданиясхемызначок(символ)компонентапереноситсяизкаталоганарабочееполепрограммыдвижением
мышипринажатойлевойкнопки,после чегокнопкаотпускается(для
фиксированиясимвола).Приразмещениикомпонентовсхемынарабочемполепрограммыможнотакжевоспользоватьсяконтекстнымменю,
возникающим при нажатии на правую клавишу мыши на свободном
месте рабочегополя. На этомэтапе необходимопредусмотреть место
дляразмещенияконтрольныхточекииконокконтрольно-измерительных приборов. Выделенный компонент схемы (отражается красным
цветом) можно повернуть (с помощью сочетания клавиш Ctrl+R или
пунктаменюCircuit>Rotate).Приповоротебольшинствокомпонентов
поворачиваетсяна 90°против часовой стрелки прикаждом выполнениикоманды,адляизмерительныхприборов(амперметр,вольтметри
др.)меняютсяместамиклеммыподключения.
5
С помощью двойного щелчка по значку компонента можно из-
менить его свойства. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (цвет проводника, сопротивление
резистора, тип транзистора и т.д.) и выбор подтверждается нажатием кнопки «Ok» или клавиши «Enter» на клавиатуре. Для большого
числакомпонентовможновыбратьпараметры,соответствующиереальнымэлементам(диодам,транзисторамит.п.)различныхпроизводителей.
Если в схеме используются компоненты одинакового номинала
(например, резисторы с одинаковым сопротивлением), то номинал
такогокомпонентарекомендуетсязадатьнепосредственновкаталоге
библиотеки,изатемпереноситькомпонентывнужномколичествена
рабочееполе. Для измененияноминала компонента необходимодва
разащелкнутьмышьюпосимволуегографическогоизображенияив
раскрывающемсяпослеэтогоокневнестиизменения.
При создании схем удобно также пользоваться динамическим
меню, которое вызывается нажатием правой кнопки мыши. Меню
содержиткомандыHelp (помощь),Paste (вставить),Zoom In(увеличить),ZoomOut(уменьшить),SchematicOptions (параметрысхемы),
атакжекомандыAdd<Названиекомпонента>.Этакомандапозволяет
добавитьнарабочееполекомпоненты,необращаяськкаталогамбиблиотеки.КоличествокомандAdd <Название компонента> в списке
менюопределяется количествомтиповкомпонент(резисторов,знака
заземленияит.д.),ужеимеющихсянарабочемполе.
После размещения компонентовпроизводитсясоединение их выводовпроводниками.Приэтомнеобходимоучитывать,чтоквыводу
компонента можноподключитьтолькоодинпроводник. Длявыполненияподключениякурсормышиподводитсяквыводукомпонентаи
послепоявленияплощадкинажимаетсялеваякнопкаипоявляющийся приэтом проводникпротягивается к выводу другогокомпонента
до появления на нем такой же площадки, после чего кнопка мыши
отпускается,и соединениеготово.Принеобходимости подключения
кэтим выводамдругихпроводниковв библиотекеBasic выбирается
точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный
проводник.
Чтобыточкапочернела(первоначальноонаимеет красныйцвет),
необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля.
Еслиэтаточкадействительноимеетэлектрическоесоединениеспроводником,то она полностью окрашивается черным цветом. Еслина
6
нейвиденследотпересекающегопроводника,тоэлектрическогосоединениянетиточкунеобходимоустановитьзаново.После удачной
установкикточкесоединенияможноподключитьещедвапроводника. Если соединение нужно разорвать,курсор подводится к одному
извыводовкомпонентовилиточкесоединенияиприпоявленииплощадкинажимается левая кнопка,проводник отводитсяна свободное
месторабочегополя,послечегокнопкаотпускается.
Еслинеобходимоподключитьвыводкимеющемусянасхемепроводнику,топроводникотвыводакомпонентакурсоромподводитсяк
указанномупроводникуипослепоявленияточкисоединениякнопка
мыши отпускается. Следует отметить, что прокладка соединительныхпроводниковпроизводитсяавтоматически,причемпрепятствия–
компонентыидругиепроводники–огибаютсяпоортогональнымнаправлениям(погоризонталииливертикали).Точкасоединенияможет
бытьиспользовананетолькодляподключенияпроводников,ноидля
введениянадписей(например,указаниявеличинытокавпроводнике,
егофункциональногоназначенияит.п.).Дляэтогонеобходимодважды щелкнуть по точкеи враскрывшемся окне ввести необходимую
надпись.
Каждыйэлементможетбытьпередвинутнановоеместо.Дляэтого он должен быть выделен и перетащен с помощью мышки. При
этомрасположениесоединительныхпроводовизменитсяавтоматически.Можнотакжепереместитьцелуюгруппуэлементов:дляэтогоих
нужнопоследовательновыделятьмышкойпринажатойклавишеCtrl,
азатемперетащитьихвновое место.Еслинеобходимопереместить
отдельныйсегмент проводника,к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и, после появления в вертикальной или горизонтальной плоскостидвойногокурсора, производятсянужные перемещения.
После подготовки схемы рекомендуется составить ее описание
(соответствующее окно вызывается из меню Window > Description
илиспомощьюсочетанияклавишCtrl+D).
7
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
И ХАРАКТЕРИСТИК БАЗОВЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ТТЛ ЛОГИКИ
Цель работы: изучить базовые элементы, входящие в состав
сложныхцифровыхИМС.
Большинство цифровых ИС представляет собой логические элементы, выполняющие функции НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ,
триггерыJKиD–типов.Этотакназываемыебазовыефункциональные элементы. Их основные электрические параметры определяют
характеристикипрактически всех ИС, входящихв состав серии. От
этихпараметров зависят возможности совместнойработ ИСразных
серийвсоставеаппаратуры.
Основойдля биполярных цифровых интегральных схемявляется
многоэмиттерныйтранзистор, обеспечивающийреализацию логическихоперацийИ и ИЛИ.Ониспользуетсявовходныхцепях микросхем, а вместе с обычным транзистором-инвертором образует базовуюлогическую схему. Цифровые ИС, в которыхдля логических
операций И и ИЛИ используются многоэмиттерные транзисторы,
а для операции НЕ – транзисторный инвертор, получили название
транзисторно-транзисторнойлогикиилисокращенноТТЛ.СхемабазовогоэлементаТТЛсодержиттриосновныхкаскада.
Первый каскад создан на базе многоэмиттерного транзистора Т1,
выполняетлогическуюфункциюИ,работаетлибоврежименасыщения
(привходныхлогических0),либовинверсномрежиме(привходныхлогических1),новэтомрежимекоэффициентусиленияпотокумал.
Второй каскад – фазоразделительный(фазоинверсный,расщепительфазы),обеспечиваетв любой моментвремениоткрытоесостояниелиботранзистораТ3,либотранзистораТ4.Этопозволяетсделать
R4малым,иврезультатевентильТТЛимеетнизкоевыходноесопротивление как в состоянии логического 0,так и в состоянии логической1. Это в свою очередь обеспечиваетмалое время заряда емкостейнавыходеи,следовательно,повышаетбыстродействиесхемы.
Однако когдатранзистор Т2 открывается,он сразу открываетТ4
и пытается закрытьТ3. Благодарянакоплениюносителей заряда Т3
закрываетсяне мгновенно, ивтечениенекоторогоинтервала време-
8
ни оба транзистора будутнаходитьсяв проводящем состоянии. Это
приводит к возникновению броска тока в цепи источника питания,
величинакоторогоограниченарезисторомR4.Бросоктоканетолько
создаётпомехи,нотакжеувеличиваетмощность,рассеиваемуювентилем.Этоткаскадпри необходимостиможетбыть использовандля
реализациифункцииИЛИиработаетврежимесмалымрабочимтокомихорошимбыстродействием.
Третий каскад выполняет функциюсложного инвертора на базе
транзисторовТ3иТ4.Этодвухтактныйусилитель,обеспечивающий
потреблениетока отисточника питания в основном в момент переключениясхемыиз 0 в1 или из 1 в 0. Транзистор Т4рассчитан на
большойрабочийтокивысокоебыстродействие.
Рис.1.1.Транзисторно-транзисторнаялогика(ТТЛ)
1. Собратьсхемупорис.1.1иисследовать.
2. Составитьтаблицупорезультатамэксперимента.
3. Потаблицеопределить,какуюлогическуюфункциюреализует
схема.
ВкачествеVT1используетсямногоэмиттерныйтранзистор,отсутствующийв библиотекеEWB. Поэтомудля рассмотрения принципа
действия входногокаскада переходыбаза эмиттеры представлены в
видедиодов,какнарис.1.2.
9
Рис.1.2.ТТЛсэквивалентнойсхемоймногоэмиттерноготранзистора
Эмиттерно-связная логика
МикросхемынаосновеЭСЛполучили широкоераспространение
в качестве элементной базы быстродействующей вычислительной и
радиоэлектроннойаппаратуры.ОсновноедостоинствоИСЭСЛ–высокоебыстродействие присредней потребляемоймощности и средневысокое быстродействие при большой потребляемой мощности,
малаяэнергияпереключения,большаянагрузочнаяспособность,широкийфункциональныйнабормикросхем.
ОсновныесерииИСЭСЛ:100,500,К500,700,К1500.
1. Собратьпредставленныенарис.1.3ирис.1.4схемы.
2. Изучитьданныесхемы.
3. Составитьтаблицусостоянийпорезультатамкаждогоэкспери-
мента.
4. Потаблицеопределить,какуюлогическуюфункциюреализует
каждаяизпредставленныхсхем.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]