Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №1

Изучение основных логических элементов и цифровых микросхем

Цель работы: Изучение основных логических элементов. Приобретение практических навыков при работе с цифровыми микросхемами.

Лабораторная работа состоит из двух этапов:

1. Подготовка к выполнению лабораторной работы. Заключается в выполнении студентом индивидуального задания в соответствии с вариантом, указанным преподавателем. Задание предъявляется для проверки преподавателю до начала лабораторной работы. Студент допускается к выполнению лабораторной работы, если задание выполнено правильно.

2. Практическая часть. Заключается в моделировании, проверке работоспособности и изучении свойств цифровых интегральных микросхем.

1. Теоретическая часть

1.1. Логические элементы

При изложении материала будет рассматриваться только положительная логика, при которой логической единице соответствует высокое напряжение (или Н), а логическому нулю – низкое напряжение (или L).

Логическими элементами (ЛЭ) называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции.

ЛЭ работают с двоичным кодированием информации, которое характеризуется двумя уровнями напряжения двоичной переменной. Высокий уровень напряжения обозначают цифрой 1 или буквой H. Низкий уровень напряжения обозначают цифрой 0 или буквой L.

В зависимости от уровня напряжения, при котором воспринимается или вырабатывается информация, различают прямые и инверсные входы и выходы логических элементов.

Прямым считается такой вход (выход), на котором двоичная переменная имеет значение 1, когда уровень напряжения на этом входе (выходе) соответствует состоянию, принятому за 1.

Если двоичная переменная на входе (выходе) имеет значение 1 при уровне напряжения на нем, соответствующем состоянию, принятому за 0, такой вход (выход) называется инверсным.

Каждый ЛЭ преобразует последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов или сигнал. Способ преобразования чаще всего описывается:

• логическим выражением;

• в виде таблицы (таблицы истинности), которая отображает значение выходного сигнала (сигналов), соответствующее конкретному набору значений входных сигналов;

• в виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости во времени значений выходного сигнала (сигналов) от значений входных сигналов.

1.2. Простейшие логические элементы

Логический элемент И реализует операцию логического умножения (конъюнкции): F = Х1*Х2 или F = Х1^Х2. На выходе ЛЭ И сигнал 1 появится только тогда, когда на всех его входах присутствуют сигналы 1.

Условно-графическое обозначение (УГО), таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ И представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ И

Логическое выражение	УГО	Таблица истинности	Диаграмма
F = Х1*Х2 или F = Х1^Х2		Х1 Х2 F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Логический элемент ИЛИ реализует операцию логического сложения (дизъюнкции): F = Х1+Х2 или F = Х1٧Х2. На ЛЭ ИЛИ сигнал 1 появится только тогда, когда хотя бы на одном из его входов присутствует сигнал 1.

УГО, таблица истинности, диаграмма работы ЛЭ ИЛИ представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ ИЛИ

Логическое выражение	УГО	Таблица истинности	Диаграмма
F = Х1+Х2 или F = Х1٧Х2		Х1 Х2 F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

Логический элемент НЕ реализует функцию логического отрицания (инверсии). Состояние выхода ЛЭ НЕ всегда противоположно состоянию входа. УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ НЕ представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ НЕ

Логическое выражение	Условное обозначение	Таблица истинности	Диаграмма работы
___ F = Х1		Х1 F 0 1 1 0

ЛЭ И, ИЛИ, НЕ предназначены для выполнения трех основных операций цифровой логики над дискретными сигналами. С помощью этих ЛЭ можно реализовать логические операции любой сложности. Иначе эти элементы называют основными.

Логический элемент И-НЕ является комбинацией ЛЭ И и ЛЭ НЕ. На выходе ЛЭ И-НЕ сигнал уровня 0 будет только в том случае, когда на обоих его входах присутствует сигнал уровня 1. УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ И-НЕ представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ И-НЕ

Логическое выражение	УГО	Таблица истинности	Диаграмма работы
F= Х1 * Х2		Х1 Х2 F 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Логический элемент ИЛИ-НЕ является комбинацией ЛЭ ИЛИ и ЛЭ НЕ. На выходе ЛЭ ИЛИ-НЕ сигнал уровня 1 будет только в том случае, когда на обоих его входах присутствует сигнал уровня 0. УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ И-НЕ представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – УГО, таблица истинности и диаграмма работы ЛЭ ИЛИ-НЕ

Логическое выражение	Условное обозначение	Таблица истинности	Диаграмма работы
F= Х1 + Х2		Х1 Х2 F 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0