Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы комбинационной схемотехники. Ч.1. Лабораторный практикум по курсу «Основы информационной техники». Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
А.В. Руденко
ЭЛЕМЕНТЫ
КОМБИНАЦИОННОЙ СХЕМОТЕХНИКИ
Часть 1
Лабораторный практикум
по курсу «Основы информационной техники»
Москва 2021
УДК 004.3:004.42 (076.5)
ББК 32.973.2я73
Р 83
Руденко А.В. Элементы комбинационной схемотехники. Ч. 1. Лабораторный практикум по курсу «Основы информационной техники»:
Учебное пособие [Электронный ресурс]. М.: НИЯУ МИФИ, 2021. 96 с.
Пособие состоит из трех частей, во вторую часть войдут арифметикологические элементы ЦЭВМ, а третья часть будет посвящена элементам
ЦЭВМ и запоминающим устройствам.
Данный практикум содержит работы, которые посвящены изучению
принципов построения и функционирования логических элементов и
устройств формирования управляющих сигналов, использующихся в
средствах вычислительной техники на базе готовых интегральных микросхем малой и средней степени интеграции. Работы могут выполняться как
на лабораторных стендах, так и с использованием моделирующих программ, например Multisim. Каждая работа включает теоретическое изложение материала, методику выполнения, контрольные вопросы и задания.
Пособие предназначено для студентов III курса дневного отделения
ИАТЭ НИЯУ МИФИ, специальности 14.05.04 «Электроника и автоматика
физических установок», и может быть полезно для студентов и преподавателей вузов других специальностей.
Рецензент д-р физ.-мат. наук О.С. Старков
ISBN 978-5-7262-2805-1 © Национальный исследовательский
ядерный университет «МИФИ», 2021
Редактор М.В. Макарова
Оригинал-макет подготовлен С.В. Тялиной
Подписано в печать 15.10.2021. Формат 60×84 1/16.
Уч.-изд.л. 6,0. Печ.л. 6,0. Изд. № 044-1.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».
115409, Москва, Каширское ш., 31
2
Содержание
Предисловие ........................................................................................... 4
Лабораторная работа 1
Логические элементы и их электромеханические аналоги ................ 5
Лабораторная работа 2
Схемы сравнения и контроля .............................................................. 17
Лабораторная работа 3
Двоичные дешифраторы и шифраторы ............................................. 34
Лабораторная работа 4
Мультиплексоры и демультиплексоры .............................................. 51
Лабораторная работа 5
Преобразователи кодов ....................................................................... 64
Лабораторная работа 6
Применение мультиплексора
как многофункционального узла цифровых устройств .................... 81
3
Предисловие
Схемотехническая реализация всего многообразия цифровых
интегральных схем осуществляется на основе логических элементов (ЛЭ), которые представляют собой электронные схемы, выполняющие элементарные логические функции. Эти схемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по
законам дискретных функций.
В пособии изложены принципы функционирования, синтеза и
проектирования основных схемотехнических элементов, которые
демонстрируются с использованием систем компьютерного схемотехнического проектирования и моделирования – Electronics Work-
bench, Multisim, CircuitMaker.
Целью представленных лабораторных работ является практическое изучение принципов проектирования цифровых электронных
схем на базе устройств комбинационного типа, а также готовых
интегральных микросхем малой и средней степени интеграции.
Лабораторный практикум позволяет студентам:
− изучить схемотехнику и алгоритмы функционирования ком-
бинационных логических схем;
− освоить основы построения управляющих устройств, прове-
сти сравнительное исследование их преимуществ и недостатков;
− приобрести практический опыт в отладке и анализе функци-
онирования управляющих комбинационных схем;
− приобрести навыки тестирования основных цифровых эле-
ментов и узлов средств вычислительной техники.
Настоящее учебное пособие предназначено для обучения студентов практическим основам цифровой схемотехники относительно простых электронных средств.
4
Лабораторная работа 1
ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
И ИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ
Цель: изучить принципы работы цифровых логических элемен-
тов; получить навыки использования логического преобразователя
при реализации и исследовании логических функций, заданных табличным способом.
Введение
Математической основой цифровых вычислительных устройств
является двоичная арифметика, в которой используются всего два
числа − 0 и 1. Выбор двоичной системы счисления диктовался требованиями простоты технической реализации самых сложных задач с использованием всего одного базового элемента − ключа, который имеет два состояния: включен (замкнут) или выключен
(разомкнут).
Электромеханический имитатор логической единицы и логического нуля, реализованный в программе электронного моделирования Multisim, представлен на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схема электромеханического имитатора логических уровней
Если первое состояние ключа 1 принять за условную (логическую) единицу, то второе 0 будет отражать условный (логический)
нуль или наоборот.
На рис. 1.1 показан ключ SА1, управляемый клавишей «А» клавиатуры компьютера, и вспомогательные устройства в виде батареи GB1 напряжением 5 В с внутренним сопротивлением R1 10 Ом
5
и лампы накаливания HL1 на 5 В с мощностью 1 Вт, которая позволяет судить о состоянии ключа: если ключ SA1 находится в положении 1, лампа горит; или не горит, если он находится в положении 0.
Возможно другое расположение ключа по отношению к вспомогательным устройствам, показанное на рис. 1.2.
а б
Рис. 1.2. Электромеханические имитаторы «лог. 1» (а)
и «лог. 0» (б) в инверсном режиме
В этой схеме состояние индикатора «лог. 0» и «лог. 1» противоположно показанному на рис. 1.1. При нажатии на клавишу SА1
индикатор HL1 фиксирует состояние 0 (см. рис. 1.2,а) и наоборот
(см. рис. 1.2,б). Следовательно, схемы на рис. 1.2 по выходному
сигналу (состоянию индикаторных лампочек) являются обратными
(инверсными) по отношению к схемам на рис. 1.1, такие ключи
называют инверторами.
Элемент «НЕ». Инвертор
В цифровых системах содержится огромное количество ключей,
только в одном микропроцессоре их несколько миллионов. Так как
они не имеют возможности сообщать друг другу о своем состоянии
миганием лампочек, то для взаимного обмена информацией используются электрические сигналы напряжения. Самый простой
логический элемент – логический элемент «НЕ» – инвертор (англ.
inverter). Инвертор выполняет простейшую логическую функцию –
инвертирование, т.е. изменение уровня входного сигнала на противоположный.
Обычно, ключи в реальных схемах используются в обратном
(инверсном) режиме, как показано на имитирующей модели в программе Multisim (рис. 1.3).
6
а б
Рис. 1.3. Электромеханические имитаторы «лог. 1» (а)
и «лог. 0» (б) в инверсном режиме с индикаторами выходного напряжения
Сопротивление 490 Ом имитирует внутреннее сопротивление
нагрузки ключа (аналог коллекторного сопротивления в транзисторном ключе), сопротивление 10 Ом − сопротивление замкнутого
электронного ключа, сопротивление 500 Ом − сопротивление разомкнутого ключа с учетом внешней нагрузки.
Как видно из рис. 1.3, наличие на выходе логического нуля (инверсия «лог. 1») индицируется напряжением 100 мВ (в практических конструкциях может быть и немного больше), а наличие логической единицы − напряжением 2,75 В (обычно нормируется на
уровне 2,4 В).
Электронные ключи проектируются таким образом, чтобы при
наихудших сочетаниях входных и выходных параметров ключи
могли уверенно различать сигналы логической единицы и нуля.
Условные графические обозначения буферных элементов и инверторов, принятые в нашей стране и за рубежом, показаны в
табл. 1.1.
Таблица 1.1
Функция
Условные графические обозначения
Буферный
логический
элемент
Инвертор
(отрицание
NOT)
Буферный
логический
элемент с
z-состоянием
Триггер
Шмитта
с инвертором
Отечественное
обозначение
Иностранное
обозначение
7
Две основные области применения инверторов – изменение полярности сигнала и его фронта (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Инверсия полярности сигнала и инверсия полярности фронта сигнала
В этом случае из положительного входного сигнала инвертор
делает отрицательный выходной сигнал и, наоборот, а из положительного фронта входного сигнала – отрицательный фронт выходного сигнала и, наоборот.
Еще одно важное применение инвертора – буферирование сигнала (с инверсией), т.е. увеличение нагрузочной способности элемента. Это бывает нужно в том случае, когда какой-то сигнал надо
подать на несколько входов, а выходной ток источника сигнала недостаточен.
Кроме основной своей функции, инвертор, как наиболее простой элемент, чаще других элементов используется в нестандартных включениях.
Элементы «И», «И-НЕ», «ИЛИ», «ИЛИ-НЕ»
Более сложные, чем инверторы, компоненты цифровой электроники – элементы, выполняющие простейшие логические функции –
логическое «И» и логическое «ИЛИ». Объединяет все эти элементы
то, что у них есть несколько равноправных входов (от 2 до 12) и
один выход, сигнал на котором определяется комбинацией значений входных сигналов.
Название самих функций «И» и «ИЛИ» говорит об условии на
входах, при котором появляется сигнал «истина» на выходе.
Элемент «И» формирует на выходе единицу тогда и только тогда, если на всех его входах (и на первом, и на втором, и на всех
последующих) присутствуют логические единицы. Если речь идет
об элементе «И-НЕ», а это уже составной элемент, выполняющий
две логические операции «И» и «НЕ», то на выходе формируется
«лог.0», когда на всех входах – «лог. 1» (табл. 1.2).
8
Таблица 1.2
Таблица состояний логических элементов
Входные
переменные
Выходная функция
А В И И-НЕ ИЛИ ИЛИ-НЕ
0 0 0 1 0 1
0 1 0 1 1 0
1 0 0 1 1 0
1 1 1 0 1 0
Электрические уровни
Если логический элемент «И» или «ИЛИ» имеет входов больше,
чем два, то перед названием элемента ставится цифра, которая говорит о количестве входов элемента. Например, «8И-НЕ» – это
8-входовой элемент «И» с инверсией на выходе.
Электромеханические аналоги двухвходовых элементов «И»
(AND), «ИЛИ» (OR) показаны на рис. 1.5,а и б, соответственно.
а б
Рис. 1.5. Электромеханические имитаторы двухвходовых логических элементов:
элемент «И» (а), элемент «ИЛИ» (б)
9
Самые распространенные логические элементы, которые еще
называют базовыми, выполняют функции:
«И» (в отечественной системе обозначений интегральных микросхем имеют обозначение ЛИ, например К155ЛИ1 (зарубежный
аналог 7408));
«И-НЕ» обозначаются как ЛА, например К155ЛА3 (зарубежный
аналог 7400);
«ИЛИ» обозначаются как ЛЛ, например К155ЛЛ1 (зарубежный
аналог 7432);
«ИЛИ-НЕ» обозначаются как ЛЕ, например К155ЛЕ1 (зарубежный аналог 7402).
Присутствие слова «НЕ» в названии элемента обозначает только
одно – встроенную инверсию сигнала.
В табл. 1.3 показаны условные графические обозначения базовых логических элементов, принятые в нашей стране и за рубежом.
Условные графические обозначения базовых логических элементов
Функция
Отечественное
обозначение
Иностранное
обозначение
«И»,
AND
«И-НЕ»,
NOT AND
«ИЛИ»,
OR
Таблица 1.3
«ИЛИ-НЕ»,
NOT OR
В международной системе обозначений используются следующие сокращения: AND – функция «И», NAND – функция «И-НЕ»,
OR – функция «ИЛИ», NOR – функция «ИЛИ-НЕ».
Использование инвертора
для преобразования логической функции
Часто бывает необходимо преобразовывать такие основные логические элементы, как «И», «ИЛИ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», для получения других логических функций. Это можно легко осуществить при помощи инверторов. Если инвертировать входы логических элементов, то это приводит к изменению логической функции
элемента, конечно, в строгом соответствии с теоремой де Моргана.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]