МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования «ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»
Кафедра информатики и вычислительной техники
ЦИФРОВЫЕ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Лабораторный практикум для студентов специальностей
2-45 01 03 – Сети телекоммуникаций 2-45 01 02 – Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения
В 4 частях
Часть 1
Минск
2009
УДК 81.332 ББК 32.97
Ц75
Рекомендовано к изданию кафедрой информатики и вычислительной техники
5 марта 2009 г., протокол № 6
Составитель В. И. Богородов, преподаватель высшей категории кафедры
информатики и вычислительной техники
Рецензент Е. В. Новиков, доцент кафедры информатики и вычислительной
техники, канд. техн. наук
Цифровые и микропроцессорные устройства : лабораторный Ц75 практикум для студентов специальностей 2-45 01 03 – Сети телекоммуникаций, 2-45 01 02 – Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения. В 4 ч. Ч.1 / сост. В. И. Богородов. – Минск : ВГКС, 2009. –
84 с.
ISBN
Приводятся методические указания к лабораторным работам № 1…6. Рассматривается система условных обозначений микросхем стандартной логики производства НПО «Интеграл». Приводятся условные графические обозначения, таблицы истинности и основные электрические параметры интегральных логических элементов, буферных элементов и комбинационных цифровых устройств схемотехники КМОП производства НПО «Интеграл».
Предназначено для студентов и преподавателей колледжа.
УДК 81.332 ББК 32.97
ISBN |
© Учреждение образования |
|
«Высший государственный |
|
колледж связи», 2009 |
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум содержит методические указания к лабораторным работам № 1…20 по дисциплине «Цифровые и микропроцессорные устройства» для студентов специальностей 2-45 01 03 – Сети телекоммуникаций, 2-45 01 02 – Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения, а также справочные данные микросхем стандартной логики на комплементарных МОП-транзисторах (схемотехники КМОП) отечественного производства.
Впервой и второй частях лабораторного практикума приводятся методические указания к лабораторным работам № 1…11 по цифровой схемотехнике. Рассматривается система условных обозначений микросхем стандартной логики схемотехники КМОП производства НПО «Интеграл», приводятся их условные графические обозначения и основные электрические параметры.
Втретьей и четвертой частях лабораторного практикума приводятся методические указания к лабораторным работам № 12…20 по микропроцессорной технике, в которых рассматриваются основы программирования на языке Ассемблер для восьмиразрядных микропроцессоров.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ И БУФЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. РАБОТА СО СПРАВОЧНИКОМ
Цель работы
1 Изучить основные статические и динамические параметры интегральных ЛЭ транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (схемотехники ТТЛШ) и схемотехники КМОП.
2 Приобрести практические навыки работы со справочной литературой и умение подбирать интегральные логические и буферные элементы с требуемыми параметрами.
Домашнее задание
1 Повторить по [5], [6] или [7] основные статические и динамические параметры интегральных ЛЭ, их физический смысл и единицы измерения.
3
2 Повторить по [6] или [7] типы выходов цифровых элементов, их схемотехнические особенности, достоинства и недостатки.
3 Повторить по [8] условные обозначения подгруппы ЛЭ по ГОСТ
17021-88.
4 Повторить по [8], [4] или [7] условные графические обозначения (УГО) основных ЛЭ по ГОСТ 2.743-91 и их международные варианты.
5 Изучить по приложению Б номенклатуру, условное графическое обозначение и основные электрические параметры интегральных логических и буферных элементов схемотехники КМОП производства НПО «Интеграл».
6 Подготовить ответы на вопросы для самоконтроля.
Вопросы для самоконтроля
1 Укажите основные статические и динамические параметры интегральных ЛЭ, поясните их физический смысл и единицы измерения.
2 Поясните взаимосвязь между быстродействием интегральных ЛЭ, потребляемой мощностью и помехоустройчивостью.
3 Поясните, почему выходные токи I0вых и I1вых имеют разные знаки? Покажите их направление на УГО инвертора.
4 Укажите напряжение источника питания для микросхем схемотехники ТТЛШ и современных серий схемотехники КМОП.
5 Поясните, какие параметры интегральных ЛЭ и как можно определить по передаточной характеристике?
6 Зарисуйте УГО основных ЛЭ по ГОСТ 2.743-91 и их международные варианты.
7 Укажите схемотехнические особенности цифровых элементов (логических, запоминающих, буферных) с логическим выходом, с открытым коллектором (стоком), с третьим или Z-состоянием. Зарисуйте их УГО, принципиальную электрическую схему выходного каскада, поясните принцип работы, укажите достоинства и недостатки.
Порядок выполнения работы
1 Проверка подготовки студентов к занятию по вопросам самоконтроля в виде фронтального или программированного опроса.
2 Выполнить индивидуальное задание № 1. Изучить микросхемы интегральных логических и буферных элементов разных схемотехнических типов (таблица 1).
4
Таблица 1 – Исходные данные к индивидуальному заданию № 1
Номер |
Условное обозначение микросхем по ГОСТ 17021-88 |
|||
варианта |
(международное обозначение) и схемотехника |
|||
|
Логические |
Логические |
Буферные элементы |
|
|
элементы ТТЛШ |
элементы КМОП |
КМОП |
|
1 |
1533ЛА1 |
ЭКР1564ЛЕ1 |
ЭКР1554ЛП8 |
|
(SN54ALS20) |
(IN74HC02AN) |
(IN74AC125N) |
||
|
||||
2 |
1533ЛН2 |
ЭКР1554ЛИ6 |
ЭКР1554АП3 |
|
(SN54ALS05) |
(IN74AC21N) |
(IN74AC240N) |
||
|
||||
3 |
1533ЛЕ1 |
ЭКР1564ЛН2 |
ЭКР1564ЛП8 |
|
(SN54ALS02) |
(IN74HC05AN) |
(IN74HC125AN) |
||
|
||||
4 |
1533ЛА4 |
ЭКР1554ЛИ1 |
ЭКР1554АП4 |
|
(SN54ALS10) |
(IN74AC08N) |
(IN74AC241) |
||
|
||||
5 |
1533ЛА8 |
ЭКР1564ЛП5 |
ЭКР1594АП6 |
|
(SN54ALS01) |
(IN74HC86AN) |
(IN74ACT245N) |
||
|
||||
6 |
1533ЛА7 |
ЭКР1554ЛЕ4 |
ЭКР1594АП5 |
|
(SN54ALS22) |
(IN74AC27N) |
(IN74ACT244N) |
||
|
||||
7 |
1533ЛА3 |
ЭКР1564ЛЛ1 |
ЭКР1564АП4 |
|
(SN54ALS00) |
(IN74HC32AN) |
(IN74HC241AN) |
||
|
||||
8 |
1533ЛП5 |
ЭКР1554ЛА3 |
ЭКР1554АП6 |
|
(SN54ALS86) |
(IN74AC00N) |
(IN74AC245N) |
||
|
||||
9 |
1533ЛИ1 |
ЭКР1564ЛЕ4 |
ЭКР1554АП25 |
|
(SN54ALS08) |
(IN74HC27AN) |
(IN74AC620N) |
||
|
||||
10 |
1533ЛА2 |
ЭКР1554ЛИ3 |
ЭКР5564АП26 |
|
(SN54ALS30) |
(IN74AC11N) |
(IN74HCT623AN) |
||
|
||||
2.1Выбрать из таблицы 1 заданную микросхему интегрального ЛЭ схемотехники ТТЛШ для заданного варианта и найти ее в справочнике [8], используя алфавитно-цифровой указатель. Номер варианта соответствует последней цифре номера студента в списке учебного журнала группы, за исключением варианта № 10, который выполняют студенты, имеющие в списке группы номер 10, 20 или 30. Затем выбрать из таблицы 1 заданные микросхемы интегрального логического или буферного элементов схемотехники КМОП и найти их в приложении Б.
2.2Зарисовать по [8] и приложению B УГО заданных микросхем, таблицы истинности и проставить номера выводов. Указать выполняемые логические операции.
2.3Определить по [8] и приложению Б основные статические и динамические параметры заданных микросхем. Результаты записать в таблицу, аналогичную по форме таблице 2.
5
6
Таблица 2 – Основные статические и динамические параметры заданных микросхем (образец заполнения)
Международ- |
Условное обо- |
Схемо- |
UИП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ное обозначе- |
значение по |
техника |
(VCC) |
(V ), |
(V ), |
(I ), |
(I |
IH |
), |
(I ), |
(I |
OH |
), |
(I ), |
(t |
|
), |
(t |
), |
ние микросхем |
ГОСТ 17021-88 |
|
|
OL |
OH |
IL |
|
|
OL |
|
|
CC |
PLH |
||||||
|
|
не |
не ме- |
не |
не |
не |
не |
|
не |
|
|
|
PHL |
||||||
|
|
|
|
не |
|
|
не |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
более |
нее |
более |
более |
более |
более |
более |
более |
более |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
В |
В |
В |
мкА |
мкА |
мА |
мА |
мкА |
|
нс |
|
|
нс |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
IN74HC21AN |
ЭКР1564ЛИ6 |
КМОП |
5 |
0,1 |
4,9 |
– 1,0 |
1,0 |
4 |
– 4 |
20 |
|
28 |
|
|
28 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
IN74AC20N |
ЭКР1554ЛА1 |
КМОП |
5 |
0,1 |
4,9 |
– 1,0 |
1,0 |
24 |
– 24 |
40 |
|
8 |
|
|
7 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
SN54ALS04 |
1533ЛН1 |
ТТЛШ |
5 |
0,5 |
2,5 |
– 200 |
20 |
2,0 |
– 0,2 |
2450 |
|
12 |
|
|
12 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечания |
|
|
|
|
|
|
1 |
В скобках указаны международные обозначения соответствующих параметров. |
|
|
|
||
2 |
Для микросхем схемотехники КМОП параметры указаны для напряжения источника |
питания |
||||
UИП = 5 В и рабочей температуры от минус 40 до плюс 85°С. Максимальный потребляемый ток Iпот |
||||||
указан для выходного тока |
= 0 мкА, а уровни выходных напряжений |
и |
– для |
≤ |
50 мкА. |
|
Для микросхем схемотехники ТТЛШ указан средний потребляемый ток Iпот. Его значение можно найти в справочнике [3] либо определить расчетным путем.
2.4 Проанализировать данные таблицы 2 и сделать сравнительную характеристику интегральных ЛЭ различных схемотехнических типов, указать их достоинства и недостатки.
3 Выполнить индивидуальное задание № 2 (таблица 3). По заданной логической операции, типу схемотехники и типу выхода выбрать микросхему.
Таблица 3 – Исходные данные к индивидуальному заданию № 2
Номер |
|
Логическая |
Схемотехника |
Тип выхода |
|
варианта |
|
операция |
|
|
|
1 |
6 ЛЭ |
НЕ |
КМОП |
Открытый сток |
|
2 |
2 ЛЭ |
4 |
И-НЕ |
ТТЛШ |
Логический |
3 |
4 ЛЭ |
2 |
И-НЕ |
КМОП |
Открытый сток |
4 |
4 ЛЭ 2 ИЛИ-НЕ |
ТТЛШ |
Логический |
||
5 |
4 ЛЭ |
2 |
ИЛИ |
КМОП |
Логический |
6 |
4 ЛЭ |
2 |
И-НЕ |
ТТЛШ |
Открытый коллектор |
7 |
4 ЛЭ |
2 |
Искл. ИЛИ |
КМОП |
Логический |
8 |
4 ЛЭ |
2 |
И |
ТТЛШ |
Открытый коллектор |
9 |
4 ЛЭ |
2 |
И-НЕ |
КМОП |
Логический |
10 |
2 ЛЭ |
4 |
И-НЕ |
ТТЛШ |
Z-состояние |
3.1Подобрать по справочнику [8] или приложению Б микросхему схемотехники ТТЛШ или КМОП в соответствии с заданными в таблице 3 требованиями. Для подбора микросхемы схемотехники ТТЛШ следует использовать таблицу 2.2 в справочнике [8]. Для подбора микросхемы схемотехники КМОП следует использовать приложение Б. Указать возможные варианты микросхем, соответствующих заданию, и выбрать одну из них с лучшими параметрами.
3.2Зарисовать УГО выбранной микросхемы и таблицу истинности, указать ее условное обозначение, а также записать в таблицу 2 основные статические и динамические параметры.
4 Ответить на контрольные вопросы.
5 Оформить отчет и сдать зачет.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1 Наименование и цель лабораторной работы.
2 Выполненные индивидуальные задания № 1, 2 (условия и ответы).
7
3 Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1 Укажите назначение, УГО и особенности интегральных ЛЭ с третьим состоянием на выходе.
2 Укажите назначение, УГО и особенности интегральных ЛЭ с открытым коллектором (стоком).
3 Укажите назначение, УГО и особенности интегральных ЛЭ с логическим выходом.
4 Укажите назначение, УГО и особенности буферных элементов и двунаправленных приемопередатчиков.
Требования к знаниям и умениям студентов
В результате выполнения лабораторной работы студент должен знать:
–основные статические и динамические параметры интегральных ЛЭ, их физический смысл и единицы измерения;
–количественные значения основных статических и динамических параметров интегральных ЛЭ схемотехники ТТЛШ и КМОП.
Должен уметь:
–определять параметры интегральных логических и буферных элементов по справочнику;
–подбирать по справочнику интегральные логические и буферные элементы с заданными параметрами.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
СИНТЕЗ КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ В БАЗИСАХ И-НЕ, ИЛИ-НЕ
Цель работы
1 Сформировать практические навыки синтеза комбинационных цифровых устройств (КЦУ) в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
2 Сформировать практические навыки и начальные умения построения принципиальных электрических схем КЦУ на микросхемах стандартной логики схемотехники КМОП.
8
Домашнее задание
1 Повторить по [5] или [7] теорию синтеза КЦУ и пример синтеза КЦУ в методических указаниях к данной лабораторной работе. В результате изучения учащиеся должны знать ответы на вопросы для самоконтроля.
2 Повторить по [5] или [7] УГО основных ЛЭ.
3 Выполнить индивидуальное задание № 1. Синтезировать КЦУ в базисе И, ИЛИ, НЕ согласно заданному варианту (таблица 4).
3.1Задать логическую функцию (ЛФ) с помощью карты Карно. Для МДНФ и МКНФ ЛФ использовать отдельные карты Карно.
3.2Минимизировать ЛФ с помощью карты Карно. Результат минимизации записать в МДНФ и МКНФ.
3.3Построить две логические схемы устройства по МДНФ и МКНФ ЛФ. Сравнить логические схемы по сложности.
3.4Проверить правильность функционирования логических схем устройства для пятого набора аргументов. Для этого проставить уровни сигналов на выводах всех логических элементов. Значения сигналов на выходах схем сравнить со значением ЛФ для пятого набора аргументов, они должны совпадать.
Таблица 4 – Исходные данные для синтеза КЦУ
Номер |
|
Наборы |
|
|
|
|
Номер варианта |
|
|
|
|||||
набора |
аргументов |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
– |
|||
аргументов |
x1 |
x2 |
x3 |
x4 |
f1 |
f2 |
f3 |
f4 |
f5 |
f6 |
f7 |
f8 |
f9 |
f10 |
f11 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Ф |
0 |
Ф |
Ф |
Ф |
1 |
1 |
0 |
1 |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Ф |
0 |
1 |
Ф |
0 |
1 |
0 |
Ф |
Ф |
1 |
0 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Ф |
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Ф |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
1 |
Ф |
Ф |
0 |
Ф |
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
Ф |
1 |
Ф |
0 |
Ф |
1 |
1 |
1 |
1 |
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
0 |
0 |
Ф |
1 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
1 |
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Ф |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Ф |
Ф |
0 |
Ф |
Ф |
0 |
Ф |
0 |
1 |
11 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Ф |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
12 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
Ф |
Ф |
1 |
Ф |
0 |
0 |
Ф |
1 |
13 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
14 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Ф |
Ф |
Ф |
Ф |
15 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Ф |
Ф |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
9
Вопросы для самоконтроля
1 Перечислите способы, которыми можно задать одну и ту же ЛФ. Поясните в чем они заключаются?
2 Перечислите этапы синтеза КЦУ и поясните их содержание. 3 Объясните, что представляют собой СДНФ и СКНФ ЛФ?
4 Сформулируйте правила перехода от табличной формы задания ЛФ к аналитической в СДНФ или СКНФ.
5 Объясните, какие задачи решает минимизация и в чем заключается минимизация с помощью карт Карно?
6 Объясните, из какой формы ЛФ и как осуществляется переход из базиса И, ИЛИ, НЕ в базисы И-НЕ и ИЛИ-НЕ?
7 Зарисуйте условное графическое обозначение основных ЛЭ по ГОСТ 2.743-91 ЕСКД.
8 Укажите, в какой последовательности выполняются логические операции И, ИЛИ, НЕ.
Порядок выполнения работы
1 Проверка подготовки учащихся к занятию по вопросам самоконтроля в виде фронтального или программированного опроса.
2 Проверка выполнения индивидуального задания № 1 по синтезу схем КЦУ.
3 Выполнить индивидуальное задание № 2. Синтезировать в базисе И-НЕ КЦУ согласно заданному варианту, функционирование которого задано таблицей истинности (таблица 4).
3.1Преобразовать МДНФ ЛФ в базис И-НЕ.
3.2Построить логическую схему КЦУ в базисе И-НЕ.
3.3Построить принципиальную электрическую схему КЦУ в базисе И-НЕ на микросхемах схемотехники КМОП серии 1554.
4 Выполнить индивидуальное задание № 3. Синтезировать в базисе ИЛИ-НЕ КЦУ согласно заданному варианту, функционирование которого задано таблицей истинности (таблица 4).
4.1Преобразовать МКНФ ЛФ в базис ИЛИ-НЕ.
4.2Построить логическую схему КЦУ в базисе ИЛИ-НЕ на микросхемах схемотехники КМОП серии 1564.
4.3Построить принципиальную электрическую схему КЦУ в базисе ИЛИ-НЕ на микросхемах схемотехники КМОП.
10