МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ

КАФЕДРА АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ

И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

по проведению практического занятия №8

по дисциплине

Общая электротехника и электроника

для студентов специальности 160901

ТЕМА № 4.5.

Основы цифровой электроники

Иркутск, 2009 г.

Иркутский филиал МГТУ ГА

кафедра АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ И ПИЛОТАЖНО-

НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

(наименование кафедры)

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

к.т.н., доцент Мишин С.В.

_______________________

« » 2009

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

по проведению практического занятия №8

По дисциплине Общая электротехника и электроника

(полное наименование дисциплины в соответствии с учебным планом)

Тема занятия Основы цифровой электроники

(полное наименование темы в соответствии с рабочей учебной программой)

1. Количество часов занятия: 4 часа.

2. Место проведения занятия: аудитория общего назначения

(указывается вид аудитории, например специализированный учебный класс, аудитория общего назначения, учебно-экспериментальная лаборатория, учебный аэродром и т.д.)

3. Учебно-материальное обеспечение занятия: _______________

(указывается литература, используемая на занятии, ТСО, схемы, плакаты, оборудование, инструмент и т.д.)

4. Задание студентам для подготовки к занятию: изучить теоретический материал по рекомендуемой литературе, ответить на контрольные вопросы.

ЛИТЕРАТУРА

[4] Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М., «Академия», 2007 г. с. 301…316.

[5] Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника. Ростов на Дону, «Феникс», 2005 г. с. 327..464.

[6] Гальперин М.В. Электротехника и электроника. М.,«ФОРУМ – ИНФРА-М»,2007 г. с. 322…350.

Обсуждено на заседании кафедры

« » 200 г., протокол №

Тема 4.5. Основы цифровой электроники

ПЗ.4.5.1 Изучение основ комбинационной и последовательной логики, логические функции. Анализ комбинационных схем и цифровых автоматов.

ПЗ.4.5.1.1 Логические основы построения цифровых устройств

Обработка цифровой информации производится электронными схемами – цифровыми устройствами (ЦУ), которые называют также дискретными или цифровыми автоматами (ЦА).

О бработка сигналов в ЦУ производится в цифровой форме. Поскольку входные U_вх и выходные U_вых сигналы часто являются аналоговыми, то в состав ЦУ могут входить аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). На рис.1 представлена структурная схема ЦУ.

Рис. 1 Структурная схема ЦУ

На вход ЦА подается цифровой сигнал, представляющий собой комбинацию двоичных чисел.

Цифровые автоматы реализуют логические высказывания. Принято считать, что высказывания могут быть либо истинными, либо ложными. Истинному высказыванию в соответствие ставится – единица, а ложному – нуль.

Любое цифровое устройство обеспечивает преобразование совокупности цифровых входных сигналов x_i в выходные сигналы y_i.

Различают два вида цифровых устройств:

– комбинационные схемы (КС);

– цифровые автоматы (ЦА).

Комбинационной (логической) схемой называется цифровое устройство, выходная система которого Y(t)=y₁(t),y₂(t),…,y_m(t) в любой момент времени однозначно определяется набором входных сигналов, x(t)=x₁(t),x₂(t),…,x_n(t), поступившими на вход устройства в тот же момент времени. Множество входных сигналов X(t) называется входным алфавитом, а множество выходных сигналов Y(t) называется выходным алфавитом.

Закон функционирования комбинационной схемы задается функцией выходов: Y(t)=F(x(t).

Комбинационные схемы – это цифровые автоматы без памяти, или примитивные автоматы.

Цифровой автомат – это цифровое устройство, выходные сигналы которого Y(t)=y₁(t),y₂(t),…,y_m(t) в каждый момент времени определяется не только входными сигналами x(t)=x₁(t),x₂(t),…,x_n(t), но и внутренними состояниями устройства Q(t)=q₁(t),q₂(t),…,q_m(t), обусловленными его предыдущей работой.

Цифровые автоматы — это автоматы с памятью. Потому что в их состав обязательно входит устройство для запоминания его предыдущего состояния

Цифровой автомат ставит в соответствие каждому входному слову x_i(t) некоторое выходное слово y_i(t). Это соответствие определяется заданием функции переходов и функции выходов. Так как ЦА является дискретным устройством (его внутреннее состояние и выходные сигналы изменяются только в определенные дискретные моменты времени t_i), то введем понятие дискретного времени, изменяющегося в каждый очередной момент времени на такт, равный единице: t_i+1–t_i=T, T=1

Логические элементы реализуют сложные логические высказывания, называемые переключательными (логическими)функциями.

Переключательную функцию можно описать одним из четырех способов:

а) словесно;

б) аналитическим выражением;

в) с помощью условного графического обозначения;

г) таблицей истинности.

Наиболее наглядной формой задания переключательной функции является таблица истинности. Недостатком таблицы истинности является ее громоздкость при большом количестве входов ЛЭ.

В алгебре логики доказывается, что любую переключательную функцию можно представить совокупностью элементарных логических операций (функций) – дизъюнкции, конъюнкции и инверсии (привести примеры элементарных логических операций с приведением ЛС, ЛФ, ТИ) .

Основные соотношения алгебры логики

Логические переменные как и другие физические величины подчиняются своим законам. В алгебре логики существует 8 аксиом. Перечислим их:

1. = х – закон двойного отрицания;

2. х + х = х,

х  х = х;

3. х + 0 = х;

4. х + 1;

5. х  0 = 0;

6. х  1= х;

7. х  = 0 – закон противоречия;

8. х + = 1 – закон исключенного третьего.

Основные законы алгебры логики, действующие при сложении и умножении логических переменных:

1. Коммутативный (переместительный) закон

х₁ + х₂ = х₂ + х₁

х₁  х₂ = х₂  х₁.

2. Ассоциативный (сочетательный) закон

х₁ + (х₂ + х₃) =( х₁ + х₂) + х₃

х₁  (х₂  х₃) =( х₁  х₂)  х₃.

3. Распределительный закон

х₁  (х₂  х₃) = х₁  х₂ + х₁  х₃.

х₁ + (х₂ х₃) =( х₁ + х₂)  (х₁ + х₃).

Несложно установить правильность соотношений, известных как законы де Моргана (законы инверсии):

Из законов де Моргана вытекает следствие:

С помощью этих соотношений появляется возможность выражать конъюнкцию через дизъюнкцию и отрицание или дизъюнкцию через конъюнкцию и отрицание.

Законы де Моргана и следствие из них справедливы для любого количества логических переменных.

Для логических функций устанавливаются соотношения, известные как законы поглощения:

х₁ + х₁  х₂ = х₁

х₁  ( х₁ + х₂)= х₁,

и законы склеивания

.

Скобки в логических выражениях определяют порядок действий. При отсутствии скобок логические операции выполняются в следующем порядке:

выполняют отрицание отдельных переменных;

выполняют логическое умножение;

выполняют логическое сложение;

выполняют отрицание совокупности логических переменных.

Базис логических элементов И, ИЛИ, НЕ обладает избыточной функциональной полнотой. Для построения любой логической схемы достаточно иметь только два логических элемента: либо И и НЕ, либо ИЛИ и НЕ.

ПЗ.4.5.1.2. Общая характеристика элементов цифровых устройств.

Элементами ЦУ и ЦВМ называются электронные схемы, которые выполняют логические операции над цифрами или осуществляют физическое преобразование электрических сигналов(усиление, формирование по длительности и т. п.).

Классификация элементов ЦВМ по функциональному назначению представлена на рис.2.

Рис. 2.

Вся элементная база, используемая для построения ЦВМ, подразделяется на элементы общего назначения (типовые логические элементы, запоминающие элементы, вспомогательные элементы) и элементы специального назначения.

. В состав элементов общего назначения входят ИС, обеспечивающие обработку двоичной информации. К ним относятся логические схемы, триггеры, регистры, счётчики и т.д. Для обеспечения технической полноты в систему элементов общего назначения должны входить вспомогательные элементы (усилители, формирователи токов и напряжений, генераторы, наборы транзисторов, диодов, стабилизаторы и т.д). Они могут быть выполнены в виде ИС и на отдельных элементах (транзисторах, резисторах, конденсаторах и др.). Элементы общего назначения восстанавливают информационные сигналы до стандартной амплитуды и формы и обеспечивают надежное взаимодействие элементов при различных комбинациях связей между ними.

Элементы, служащие для физического преобразования электрических сигналов в запоминающих устройствах и устройствах ввода—вывода информации, относятся к элементам специального назначения. Электронные схемы специальных элементов весьма разнообразны по техническим характеристикам и параметрам рабочих сигналов, что и обусловило их выделение в специальный класс.

В настоящее время большинство элементов БЦВМ представлено в виде интегральных микросхем (ИМС).

ИМС - микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее в едином конструктивно-технологическом исполнении высокую плотность упаковки электрически соединённых элементов и кристаллов. Совокупность интегральных схем, выполняющих логические операции, хранение, преобразование и формирование сигналов стандартной формы, объединяемые общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами, называется серией ИС.

Классифицировать ИМС можно по разным признакам: