Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

(Цикл лабораторных работ)

методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу «Электроника»

для студентов специальности 210100

дневной формы обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления.

Балаково 2006

Методические указания к лабораторным работам по элементам, узлам и устройствам циф­ровой техники разработаны на строительном факультете БИТТУ преподавателями кафедры УИТ БИТТУ. Основой практикума является универсальный стенд ОАВ 1.

Методические указания одобрены учебно-методической комиссией кафедры УИТ БИТТУ при СГТУ. Методические указания составил доцент кафедры УИТ Коптенко В.И.

Содержание:

Универсальный стенд: назначение

Техническое описание

Лабораторные работы

Лабораторная работа №1. Исследование базовых логических элементов и простейших комбинационных устройств.

Лабораторная работа №2. Исследование триггеров RS, D и T типов.

Лабораторная работа №3. Исследование параллельного, последовательного и универсального регистров.

Лабораторная работа №4. Исследование основных комбинационных устройств (дешифратор, демультиплексор, мультиплексор, преобразователь кодов на ПЗУ и сумматор.

Лабораторная работа №5. Исследование счетчиков электрических импульсов.

Лабораторная работа №6. Исследование устройства модели четырехразрядной микро ЭВМ.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СТЕНД

Назначение

Стенд предназначен для проведения лабораторных занятий по курсу «Электроника». Фотография и электрическая схема стенда представлены на рис.1и2.

Стенд позволяет проводить лабораторные работы по изучению и исследованию следующих элементов, узлов и устройств цифровой макросхемотехники:

1. Логических элементов НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И, И-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ;

2. Комбинационных устройств, собранных на базовых логических элементах - трехразрядного устройства проверки на четность, устройства

сравнения двух двухразрядных чисел, двоичного однораз­рядного сумматора (два варианта);

3. Комбинационных устройств, выполненных в виде самостоятельных ИМС-дешифратора, демультиплексора, мультиплексора, преобразователя двоичного кода в код семисегментного индикатора, четырехразрядного двоичного сумматора, четырехразрядного арифметическо-логического устройства;

4. Устройств с памятью, собранных на базовых ло­гических элементах - RS -триггера на элементах И-НЕ, RS – триггера на элементах ИЛИ-НЕ;

5. Устройств с памятью, выполненных в виде самостоятельных ИМС:

RS- триггера, D - триггера, Т - триггера, двухразрядного параллельного регистра, двухразрядного последовательного регистра, четырехразрядного универсального регистра, кольцевого счетчика, суммирующего и вычитающего двоичных счетчиков, счетчика с коэффициентом счета, некратным степени 2, реверсивного счетчика с предустановкой, оперативного запоминающего устройства с организацией 16х4 бит.

6. Модели микроЭВМ в составе: АЛУ, ОЗУ, регистров операндов, команды и адреса, регистра-аккумулятора, мультиплексора общей шины, дешифратора сигналов управления, устройств ввода и вывода информации.

Стенд состоит из общего блока ввода-вывода информации и шес­ти сменных плат, на которых установлены все исследуемые элемент, узлы и устройства. Стенд комплектуется набором сменных технологических карт (28 штук) с функциональными схемами исследуемых устройств.

Техническое описание:

1. Блок ввода-вывода информации

Разъём XI предназначен для подключения сменных плат с исследуемыми устройствами П1-П6.

На передней (наклонной) панели блока установлены тумблеры (SА1 - SА5) и кнопки (SВ1-SВ3) ввода информации и задания режимов работы исследуемых устройств. Выводы всех тумблеров и кнопок, кроме SВ1, подключены непосредственно к контактам разъёма XI. В разъем XI вставляются платы П1-П6.Переключатели SА1- SА4, SВ2 и SВЗ предназначены для подачи логических сигналов с уровнями "О" (соответствующий вывод замкнут на общий провод) или "I" (вывод - на +5В). Тумблер SА5 подключается всеми своими выводами к разъёму и поэтому может использоваться в качестве переключателя "двух сигналов в одну линию" или, наобо­рот, "одного сигнала на два направления". Кнопка SВ1 подключена к схеме защиты от "дребезга" на триггере. С помощью этой кнопки на выходе триггера формируется одиночный импульс с крутыми фронтами необходимый для нормальной работы исследуемых триггеров, регистров и счетчи­ков. При нажатии SВ1 появляется логический 0, а при отпускании - логическая I. Этот блок в дальнейшем на схемах обозначается как формирователь одиночного импульса (Fת.).

На передней панели блока установлен светодиодный дисплей для индикации режимов работы, а также входной и выходной информа­ции исследуемого устройства. Дисплей состоит из девяти светодио­дов НL1 - HL9, позволяющих индицировать в 9 разрядах уровни логической "I" (светодиоды светятся) и логического "О" (не све­тятся) , и семисегментного индикатора НG1 для индикации числа в десятичном или шестнадцатеричном виде.

Индикатор НG1 подключается к исследуемой схеме через деши­фратор на ИМС, преобразующий четырехразрядный двоичный код в семисегментный код индикатора НG1. Светодиоды НL1 - НL9 подключаются к элементам схемы через инверторы. В дальнейшем устройство, содержащее дешифратор, индикатор НG1, инверторы с подключенными к ним светодиодами НL1 - НL9, обозначается как блок индикации (БИ).

Помимо описанных устройств ввода и вывода информации основ­ной блок содержит следующие вспомогательные устройства:

- несколько инверторов, реализующих вспомогательные функции в платах П4 и П6;

- Тумблеры и кнопки, формирователь Fл, инверторы образуют блок управления.

Перейдем к краткому описанию плат П1-П6.

Плата П1

Логические элементы и устройства, расположенные на плате П1, исследуются при подаче на их входы логических сигналов (0 или I) от тумблеров SА1 - SА5. Уровень сигнала, подаваемого от соответ­ствующего тумблера, определяется по положению подвижного контакта (вверху - I, внизу - 0), уровень выходного сигнала - по свечению индикаторов НL1 - НL9.

Все исследуемые элементы и устройства собраны на печатной плате П1. Используя технологические карты(шаблоны) 1.1-1.9, мож­но провести исследование девяти устройств.

Карта I.I разрешает использование тумблеров SА1, SА2 и индикатора НL3. В этом случае устройством реализуется функция функция И-НЕ.

Карта 1.2 Разрешается использование SА1, SА2 и НL5. Реали­зуется логическая функция И-НЕ и далее НЕ (элемент D2.2). Следовательно, по отношению к входным сигналам SА1(Х1) и SА2(Х2) выходной сигнал У (НL5) определяется логической функцией И.

Карта.1.3. Разрешается использование SА1, SА2 и НL2. Функция

ИЛИ-НЕ.

Карта 1.4. SА1, SА2 и НL4. Реализуемая функция ИЛИ.

Карта 1.5. SА1, SА2 и HL6. Реализуемая функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (сумматор по модуля 2).

Карта 1.6. SА1, SА2 и НL7. Реализуемая функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ (НЕ­РАВНОЗНАЧНОСТЬ).

Карта 1.7. SА1, SА2, SАЗ и НL9. Трехразрядное устройство

проверки на четность.

Карта 1.8. SА1, SА2, SА4, SА5 и НL1. Устройство сравнения двух двухразрядных чисел. Х1(SА1) Х2( SА4) и Z1(SА2) Z2( SА5). При выполнении условия XI Х2 = Z1 Z2 на выходе появляется I (све­тится НL1).

Карта 1.9 SА1, SА2 и НL8, НL5. Одноразрядный сумматор по модулю два. Выход суммы – НL8, выход переноса в следующий разряд –HL5.

Плата П2

Карта 2-1 позволяет провести исследование RS –триггера на элементах ИЛИ-НЕ. Для этого триггера активным входным уровнем яв­ляется логическая I. Управляющие сигналы снимаются не непо­средственно с кнопок SВ2 и SВ3, а с выходов подключенных к ним ин­верторов, на

элементах D2.1 и D2.3 Уровни входных (для тригге­ра) управляющих сигналов индицируются светодиодами НL1 и HL2, а уровни выходных сигналов триггера - НL3 и HL4.

Карта 2-2 - исследуется триггер на элементах И-НЕ. Активные входные уровни - логический 0. Поэтому возможно непосредственное подключение кнопок SВ2 и SВ3 к входам триггера (пока на кнопки не нажимают - режим хранения информации). Уровень входных сигналов индицируется в инверсном коде свето­диодами НL1 и НL2, т.е. при входных сигналах XI и Х2, равных 0, светодиоды горят. Выходные сигналы индицируются светодиодами НL5 и НL6.

Карта 2-3. Схема аналогична предыдущей, только исследуется триггер в интегральном исполнении на ИМС типа К155ТМ2 (D3.1). Выходная информация выводится на индикаторы НL9 (прямой выход) и НL8 (инверсный).

Карта 2-4 предназначена для исследования тактируемого D -триггера. Уровень сигнала на D- входе определяется по положению тумблера SА1. Выходные уровни определяются по индикаторам НL9 (прямой выход) и НL8 (инверсный выход).

Карта 2-5 позволяет исследовать параллельный двухразрядный регистр. Входная информация подается от тумблера SА1, непосредст­венно на - вход первого триггера и тумблера SАЗ (через SА5, находящийся в "нижнем" по схеме положении) на D- вход второго триггера ( D3.2) Поэтому при выполнении данной работы тумблер SА5 должен находить­ся только в том положении, которое указано на технологической кар­те. Индикация записанной информации осуществляется светодиодами НL9 и НL7.

Карта 2-6 исследуется последовательный двухразрядный регистр. Для создания такого регистра D- вход второго триггера (D3.2) под­ключается к прямому выходу первого триггера (D3.1). Такое подклю­чение осуществляется с помощью тумблера SА5, который при работе с этой картой должен находиться только в верхнем положении.

Карта 2-7 позволяет исследовать счетный Т-триггер. Для этого необходимо инверсный выход У1 триггера D3.2 соединить с D - входом (Х2). Индикация выхода осуществляется светодиодом НL7.

Плата П3

Карта 3-1 предназначена для исследования последовательного четырехразрядного регистра и кольцевого четырехразрядного счетчика.

Универсальный регистр К155ИР1 (D1) переводится в последовательный режим при сигнале управления V=0, поэтому при работе с этой кар­той тумблер SА5 должен находиться в положении "О". Входная информа­ция подается кнопкой SВ2 (без индикации). Кнопка "отпущена" – D=1, кнопка "нажата" – D=О. Входная информация выводится на четырехразрядный светодиодный дисплей НL6 - HL9. Для перевода ре­гистра в режим кольцевого счетчика в регистр записывается число 0001, а затем соединяются внешней перемычкой штырьки У и Х (на плате ПЗ). После этого с подачей каждого следующего тактового импульса (SВ1) единица будет последовательно перемещаться по разрядам счетчика.

Карта 3-2 позволяет исследовать работу ИМС К155ИР1 в режиме параллельного регистра, для чего на вход управления ИМС подают сигнал логической I (V=1). Поэтому при работе с этой картой тумблер SА5 должен находиться в положении "I". Входная информация индицируется светодиодами НL2 - НL5, выходная - HL6 - HL9.

Карта 3-3 предназначена для исследования работы сумматора двух четырехразрядных двоичных чисел на ИМС типа К155ИМЗ ( D2). Для зада­ния двух четырехразрядных слагаемых используется тумблеры SА1- SА4 (слагаемое А) и регистр D1 (слагаемое В). Ввод слагаемого В в ре­гистр может осуществляться как в параллельном (с тумблеров SА.1 - SA4), так и в последовательном (с кнопки SВ2) режимах. Сигнал начального переноса Р₀ подается с кнопки SВЗ через инвертор D2.3, имеющийся в основном блоке. Индикация вводных операндов А и В осуществляется двоичным восьмиразрядным индикатором НL2 - НL9. Сигнал переноса в старший (пятый) разряд подается на индикатор НL1. Сумма в четырех первых разрядах дешифруется в блоке индикации и высвечивается в ви­де шестнадцатеричного числа на семисегментном индикаторе.

Плата П4

Карта 4-1 позволяет исследовать дешифратор-демультиплексор на ИМС (К155ИД4), которая включена по схеме трехразрядного дешифратора на восемь выходов. Дешифратор инвертирует выходные сигналы. По­этому при не нажатой кнопке SВ2(запрет) все светодиоды (НL2 - НL9), подключенные к выходам дешифратора, светятся. При нажатой кнопке SВ2 светодиод, номер которого соответствует установленному тумбле­рами SА1 - SАЗ адресу, погаснет. Работа ИМС в режиме демультиплексора исследуется при подаче входной информации на вход V от кнопки SВ2.

Карта 4-2 позволяет исследовать преобразователь двоичного кода в код семисегментного индикатора. Это устройство находится в основном блоке ввода-вывода информации, а на плате 4-2 имеются только проводники, соединяющие тумблеры SЗА1- SА5 с ИМС типа К155РЕЗ.

ИМС преобразователя кода представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором "защита" информация. В ПЗУ находятся две таблицы представления числа: десятичное представление (SА5 в положении «D») и шестнадцатиричное представление (SА5 в положении «1»). Число в двоичном коде, устанавливаемое на входе преобразователя кода, на выходе представляется в индикаторе HG1 в десятичном или шестнадцатиричном коде.

Карта 4-3 - исследование мультиплексора. Адрес, управляющий мультиплексором MX, заносится в регистр с тумблеров SА1- SАЗ по нажатию кнопки SВЗ. После этого на один из входов МХ подается информационный сигнал с того выхода дешифратора DC, адрес которого вновь набирается на тумблерах SА1 - SАЗ. При совпадении адресов DC и МХ загорится светодиод НL1.

Плата П5

На плате установ­лена ИМС четырехразрядного двоичного реверсивного счетчика (СТ) с предустановкой типа К155ИЕ7 (D1) и ИМС типа К155ЛА4, содержащая три трехвходовых элемента И-НЕ. Счетчик находится в режиме сброса (нули на выходах всех разрядов) и запрещения приема всех остальных сигналов при сигнале на входе R=1. Тумблеры SА1 - SА4 задают сигналы, которые можно записать в счетчик по нажатию кнопки SВ2 (режим предустановки). Тумблер SА5 обеспечивает подачу тактовых импульсов на входы суммирования (+1) или вычитания (-1). Сброс СТ производится кнопкой SВЗ.

Карта 5-1 - исследуется суммирующий счетчик с переменным коэффи­циентом деления, при этом тумблер SА5 находится в положении "1".

Счетные импульсы, формируемые по нажатие кнопки SВ1, подаются на вход суммирования (+1) счетчика, коэффициент пересчета равен 2⁴=I6. Если какие-либо выходы У1-У4 соединить перемычками со входа­ми Х1-ХЗ, то коэффициент пересчета уменьшится.. Возможные коэффициенты пересчета К и необходимые соединения выходов У1-У4 счетчика со входами Х1-ХЗ элемента D2,2 приведены в табл.1.

Таблица 1

К	16	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2
Х3	-	У2	У1	-	У1	-	-	-	У1	-	-	-	-	-
Х2	-	У3	У3	У3	У2	У2	У1	-	У2	У2	У1	-	У1	-
Х1	-	У4	У4	У4	У4	У4	У4	У4	У3	У3	У3	У3	У2	У2

Прочерк в таблице 3 означает "свободный" вход X. При любых коэффици­ентах пересчета (кроме 16) с одним из выходов счетчика обязательно (!) соединяется вход XI. В противном случае коэффициент пересчета не изменится и будет равен 16.

Карта 5-2 - при положении тумблера SA5 = 0 на плате организу­ется вычитающий счетчик с К =16.

Карта 5 -3 - исследуется универсальный реверсивный счетчик с предустановкой. Информация, записанная в СТ индицируется как в двоичном (НL2 –HL5), так и в шестнадцатиричном (НG1) кодах. Индика­тор НL1, индицирует сигнал переноса в старшие разряды счетчика как в режиме суммирования, так и в режиме вычита­ния.

Плата П6

В состав пла­ты входят:

- Блок ввода данных (операндов К и В); рода S операций, выполняемых АЛУ; адресов А ячейки памяти ОЗУ). Блок состоит из кнопки SВ1, формирователя F и счетчика D10. Для ввода данных (лю­бого четырехразрядного числа) нажимают необходимое число раз на кнопку SВ1. Набранное число с выходов D10 через мультиплексор D2 может поступать в общую шину, которая подключена к информационным входам всех оперативных регистров, а также к блоку индикации БИ. Для контроля по БИ за набираемым числом необходимо мультиплексор (D2) переключить для приема чисел с входов X. Это осуществляется подачей на адресный вход А микросхемы D2 логического сигнала 0 (кнопка SВ2 не нажата);

- арифметическо-логическое устройство (АЛУ), в качестве кото­рого использовано типовое АЛУ на ИМС К155ИПЗ (D9). Значения операн­дов К и В, а также кодов выполняемых операций S подаются от соот­ветствующих регистров (D5, D6, D7), управляющий сигнал М (логичес­кие или арифметическо-логические операции) - от тумблера SА4, сиг­нал переноса Р₀ - от тумблера SА5. На индикацию (светодиод НL9) вы­водится сигнал переноса Р₀ в старший разряд (переполнение разрядной сетки). Результат операции, выполненной АЛУ, записывается в регистр-аккумулятор (D10), совмещенный со счетчиком блока ввода данных. Для перевода D10 в режим регистра-аккумулятора на вход V микросхе­мы D10 подают логический 0. Этому режиму соответствует свечение светодиода НL7;

- блок оперативных регистров RG -S , RG - К, RG -В, RG - А (D7, D5, D6, D8) в которые может быть записана необходимая инфор­мация с общей шины. Для записи этой информации на вход С соответст­вующего регистра подается управляющий сигнал с уровнем логической I. Контроль этих сигналов осуществляется светодиодами НL4, НL2, НL3, НL-5;

- оперативное запоминающее устройство ОЗУ, выполненное на ИМС К155РУ2 (D4) и четырех инверторах D11.1 -D11.4. ОЗУ емкостью 16 четырехразрядных слов. Выбор необходимого слова - адресный с по­мощью сигналов А4 – А1. Информация по выбранному адресу записывает­ся с общей шины (входы D4 -DI) по сигналу записи W=0. Этот ре­жим сопровождается свечением светодиода НL6. При W=1 (HL8 не светится) ОЗУ находится в режиме считывания информации. Так как ИМС ОЗУ имеет только инверсные выходы, то для работы с информацией в прямом коде поставлены дополнительные инверторы D11.1 - D11.4. Для передачи информации с выхода ОЗУ в общую шину необходимо на ад­ресный вход А мультиплексора общей шины (ИМС D2) нажатием кнопки SВ2 подать сигнал с логическим уровнем I. Этому режиму соответствует светящийся светодиод НL1;

- дешифратор кода команд на ИМС D1 и DЗ, переключателях SА1, SА2, SАЗ и SВ3. В зависимости от набранного переключателями SА1 - SАЗ кода, при нажатии кнопки SВ3 на одном из семи используе­мых выходов дешифратора D1 появится сигнал с уровнем логического 0. Сигналы с выходов "0" – “4”, проинвертированные в ИМС D3, поступают на входы С регистров D5 - D8 и вход R счетчика D10 (высоким уров­нем). Наличие этих сигналов контролируется по свечению индикаторов ГL2 - НL6 и определяет режим записи информации с общей шины в соот­ветствующий регистр (сигналы "0" –“3”) или режим сброса (установки выходов в "0") счетчика ввода информации (сигнал "4"). Сигналы с "5" и "6" выходов дешифратора D1 поступают на управляемые устройст­ва без дополнительной инверсии. Однако для индикации этих режимов на светодиоды НL7 и НL9 они проходят через инверторы D3.6 и D11.6. Коды всех команд и соответствующая им индикация приведены в табл. 2.

Таблица 2

№ п/п	Команда	Код команды			Такт SB3	Управляемое Устройство и его вход	Светящийся диод
		SA3	SA2	SA1
1	Запись информации с общей шины в регистр операнда К АЛУ	0	0	0	0	D5 Вход С	HL2
2	Запись информации с общей шины в регистр операнда В АЛУ	0	0	1	0	D6 Вход С	HL3
3	Запись информации с обшей шины в регистр кода операций АЛУ	0	1	0	0	D7 Вход С	HL4
4	Запись информации с общей шины в регистр адреса слова ОЗУ	0	1	1	0	D8 Вход С	HL5
5	Установка в ноль (сброс) счетчика блока ввода инфор­мации	1	0	0	0	D10 Вход R	HL6
6	Установка режима “параллельная запись в регистр-аккумулятор (счетчик блока ввода информации)”	1	0	1	0	D10 Вход V	HL7
7	Установка режима "запись" в ОЗУ	1	1	0	0	D4 Вход W	HL8
8	Запрет на передачу команд	Х	Х	Х	1	-	Индикаторы НL2-НL8 не светятся

Примечание: Х - любое значение (0 или I).

Карта 6-1 позволяет исследовать АЛУ. При не нажатой кнопке SВ2 общая шина подключается к выходу счетчика D10. Набирая любую необходимую информацию (кнопкой SВ1), контролируемую по индикатору НG1, переписывают её в регистры кода операций или операндов. Вывод информации из АЛУ на индикатор HG1 осуществляют сигналом, подаваемым на вход V микросхемы D10.

Карта 6-2 предназначена для исследования модели микропроцес­сора с встроенным ОЗУ и мультиплексированием общей шины. Возможные режимы работы описаны в таблице 2. Индикация содержимого ячейки ОЗУ обеспечивается при нажатой кнопке SВ2, (в этом случае светится светодиод НL1).

Карта 6-3 предназначена для исследования ОЗУ и мультиплексно­го способа организации общей шины. Является упрощенным вариантом карты 6-2, в которой исключено АЛУ и сопровождающие его регистры.