Лабораторная работа №1

Базовые логические элементы. Реализация простейших логических функций

Цель работы: изучение основных характеристик интегральных микросхем транзисторно-транзисторной логики; обучение навыкам синтеза простейших комбинационных схем.

Литература: /1/, с. 6-25; /2/, с. 65-78; /3/, с. 87-118; /4/,

с. 18-28; /7/, с. 542-552.

Приборы и оборудование: лабораторный стенд УМ11, осциллограф.

1.1. Общая часть.

1.1.1. Представление информации физическими сигналами.

Числовые данные и машинные команды представлены в ЭВМ в двоичной системе счисления. Физическими аналогами знаков 0 и 1 двоичного алфавита служат сигналы, способные принимать два хорошо различимых значения, например, напряжения (потенциал) высокого и низкого уровня, отсутствие или наличие электрического импульса в определённый момент времени, противоположные по знаку значения напряжённости магнитного поля и т.п.

В цифровых вычислительных устройствах обычно применяют два первых способа физического представления информации, в соответствии с чем схемы цифровых устройств принято делить на потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные. 6

Потенциальный сигнал присутствует в определённой точке схемы в течение всего машинного такта и характеризуется величиной верхнего и нижнего уровня напряжения U¹ и U°.

Наличие фронта и спада у потенциального сигнала связано с процессом перехода от нижнего к верхнему и от верхнего к нижнему уровню. Длительность этих процессов обозначается соответственно t⁰¹ и t¹⁰ (рис. 1.1), причём моменты перехода определяются тактовыми сигналами.

Импульсный сигнал, помимо перечисленных выше параметров, определяется также моментом своего появления и длительностью, не зависящей в общем случае от длительности машинного такта (рис. 1.1).

В транзисторной схемотехнике прошлых лет наибольшее распространение получили импульсные и импульсно-потенциальные системы элементов. Внедрение в аппаратуру серий ИС с потенциальными логическими элементами вытеснило другие цифровые структуры. Новые разработки тем не менее показали возможность очередного этапа развития импульсно-потенциальных систем на базе интегральных разностных преобразователей (РП). Такие РП формируют импульсные сигналы при заранее определённых видах переключений входных булевых переменных. Длительность выходного импульса синхронных РП определяется параметрами их компонентов, обеспечивающих задержку прохождения сигналов. В синхронных РП в качестве элемента задержки используются D-триггеры или регистры сдвига, поэтому длительность выходного импульса определяется периодом тактовых сигналов.

1.1.2. Системы логических элементов. Основные характеристики Системой (серией) логических элементов ЭВМ называется предназначенный для построения цифровых устройств функционально полный набор логических элементов объединяемый общими электрическими, конструктивными и технологическими

параметрами, использующие способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей. Система элементов включает элементы для выполнения логических операций, а также усиления, восстановления и формирования стандартной формы сигналов.

Основными параметрами систем логических элементов являются (табл. 1.1):

1. Напряжения питания и логических уровней. Система элементов характеризуется количеством используемых питающих напряжений и их номинальными значениями.

Для логических уровней указываются их полярность и величина. Если не оговорено особо, то логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице -высокий (положительная логика).

2. Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность К раз) характеризует количество входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу логического ключа.

3. Помехоустойчивость. Помехой называется нежелательное электрическое воздействие (например, пульсации напряжения питания, действия паразитных ёмкостей) на логический элемент, которое может привести к искажению преобразуемых или хранимых данных. Помехоустойчивость есть способность элемента правильно функционировать при наличии помех, она определяется максимально допустимым напряжением помехи, при котором не происходит сбоя в его работе.

4.Быстродействие логических элементов является одним из важнейших параметров и характеризуется средним временем задержки распространения сигнала

Время задержки распространения при включении t⁰¹ здр. , и выключении t¹°_здр измеряют как интервал между уровнем 0,5 Uвх А входного сигнала и уровнем 0,5U_Bx, А выходного сигнала (рис. 1.2)

5. Потребляемая мощность также является немаловажным; фактором, поскольку ее увеличение повышает затраты на создание и эксплуатацию цифровых устройств, а снижение уменьшает быстродействие и помехоустойчивость. В зависимости от типа компонентов наиболее широко распространённые серии элементов характеризуются следующими усреднёнными параметрами: