Лабораторная работа № 7. Исследование работы цифровой микросхемы на примере логического элемента

Цель работы : Изучить устройство и принцип работы цифровой микросхемы на примере логического элемента.

Оборудование и программное обеспечение : лабораторный стенд с логическими элементами, мультиметр (2 шт), источник питания постоянного тока, генератор НЧ, осциллограф , программное обеспечение Electronics WorkBench (EWB) , MathCAD.

Основная литература

31. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец./ И.А.Данилов, П.М.Иванов. – 5-е изд. стер. – М.: Высш. шк., 2004. – 752 с.

32. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник. 4-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2006. – 496 с.

33. Кирьянов Д.В. MathCAD 13 . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 608с.: ил.

34. Васильев А.Н. MathCAD 13 на примерах . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 528с.: ил.

35. Кардашев, Г. А., Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств . - М. : Горячая линия - Телеком , 2002 . - 260 с

Теоретические сведения

Логическими элементами (ЛЭ) называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции. Они используются для построения сложных преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа. Современные логические элементы выполняются в виде микросхем различной степени сложности. Логические элементы дают возможность изображать логические переменные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Наличие сигнала соответствует цифре 1, а его отсутствие - 0. Высказывания бывают простыми и сложными. Если значение источника не зависит от других высказываний, оно называется простым. Если значение источника зависит от значений истинности составляющих его высказываний, то - сложным. Любую логически сложную функцию, отражающую сложное высказывание, можно реализовать, используя три типа логических элементов И, ИЛИ, НЕ. Изображения некоторых логических элементов, используемые в электрических принципиальных схемах, представлено на Рис.7.1…7.3.

Каждому логическому элементу соответствует определенная таблица истинности, отображающая все возможные комбинации состояний логических сигналов на входе и соответствующие им логические состояния на выходе (см. рис 7.4…7.6). Для сложных структур, состоящих из элементарных, также существует таблица истинности. Таблицу истинности можно составить, если известна целевая функция, которую реализует логически элемент

Рис. 7.1 Логический элемент 3И	Рис. 7.2 Логический элемент 3ИЛИ	Рис. 7.3 Логический элемент 3ИЛИ-НЕ

0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1	0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1	0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0
Рис. 7.4 Таблица истинности 3И	Рис. 7.5 Таблица истинности 3ИЛИ	Рис. 7.6 Таблица истинности 3ИЛИ-НЕ

Логический элемент «И».

Логический элемент И (рис. 7.1) реализует операцию логического умножения (конъюнкции). Он выполнен в виде устройства, имеющего несколько входов и один выход. Сигнал логической единицы на выходе появляется в том случае, если на все входы поданы соответствующие "единице". Функцию логического умножения математически записывают в виде

(7.1)

где: X1, X2, X3 - логические переменные которые, могут иметь только два значений: "1" или "0".

На структурных схемах логический элемент, выполняющий функцию И, обозначают в виде прямоугольника, внутри которого имеется символ & (энд.).

Логический элемент «ИЛИ»

Логический элемент ИЛИ (рис. 7.2) реализует функций логического сложения. При логическом сложении, сложное высказывание истинно, если хотя бы один элемент входящий в высказывание имеет значение «истина». Элемент ИЛИ имеет несколько входов и один выход. Символ логической единицы на выходе появится у такого устройства в том случае, если на вход подается хотя бы один сигнал равный логической единице. Эта операция называется дизъюнкцией, функцию логического сложения записывается в виде:

(7.2)

Схему ИЛИ обозначают прямоугольником с символом 1 внутри его.

Логический элемент «НЕ»

Логический элемент НЕ (рис. 7.3) реализует функцию логического отрицания. Сигнал соответствующим единице на выходе устройства появляется тогда, когда на вход подан сигнал логического нуля. Элемент НЕ называют инвертор. Логическое отрицание обозначают сплошной линией над соответствующими логическими переменными.

(7.3)

Инверсия по входу или выходу обозначается кружком ( ) в контуре прямоугольника.

При потенциальном способе задания различают положительную и отрицательную логику. При положительной логике высокий уровень выходного сигнала соответствует единице (1), а низкий - нулю (0), а при отрицательной логике высокий уровень соответствует (0), а низкий - (1). На принципиальных схемах логические элементы изображают прямоугольником (основное поле), в верхней частя которого указан символ функции ( И - &, ИЛИ - 1 ). Входы показывают с левой стороны, а выходы - с правой. Знак инверсии ( Ο ) может быть показан и у входного вывода. Это означает, что в цепи входа установлен логический элемент НЕ. Соответствующие сигналы на выходе появляется в том случае, если на таком инверсном входе имеется логический 0, а не логическая 1, как это наблюдается при прямом входе.

Элемент «2И – НЕ»

Элемент 2И – НЕ представлен на рис. 7.4. Прежде всего, выясним, как состояние логического элемента зависит от сопротивления внешней цепи между его входным и общим приводом. С этой целью вход (или оба входа) элемента соединим через переменный резистор Rвх сопротивлением 4,7 или 5,1 кОм с общим проводом, а к выходу элемента подключим вольтметр со шкалой на 5...I0 В. Плавно перемещая движок резистора от одного крайнего положения до другого, будем наблюдать за показаниями вольтметра.

Во-первых, когда резистор полностью выведен и его сопротивление равно нулю, вольтметр показывает напряжение 3,7...3,8 В. Это так называемое состояние логической 1, когда в парафазном выходном каскаде открыт транзистор VТЗ и закрыт VТ4. Происходит так потому, что транзистор VТ1 находится в состоянии насыщения из-за тока, протекающего через резистор R1 и эмиттерный переход (или переходы) транзистора. В этом режиме транзистор VТ2 закрыт, поскольку его база практически соединена с общим проводом через участок коллектор - эмиттер транзистора VT1.

a)	b)
Рис. 7.4 Схема электрическая принципиальная элемента (a) и обозначение элемента 2И-НЕ (b)

Во-вторых, при разомкнутых входах логического элемента (или когда движок резистора находится в верхнем по схеме положении) вольтметр показывает напряжение 0,1...0,15 В. В этом случае говорят, что элемент находится в состоянии логического 0. В данном режиме через участок база - коллектор транзистора VTI протекает ток, открывающий транзистор VТ2, благодаря чему выходной транзисторVT4 переходит в состояние насыщения. A VT3 будет находиться в закрытом состоянии, чему способствует наличие в элементе диода VD , смещающего потенциал эмиттера транзистора VT3 относительно его базы на 0,7 В.

Параметры, определяющие быстродействие цифровых микросхем

Быстродействие цифровых микросхем определяется скоростями их перехода из одного состояния в другое. При этом оно определяется временем задержки выходного сигнала относительно входного. Не следует путать это время с длительностью фронта выходного импульса цифровой микросхемы. В общем случае длительность переднего (rising-нарастающего) фронта и заднего (falling-спадающего) фронта не совпадают. Длительность фронта определяется как время нарастания (спада) выходного сигнала от напряжения до напряжения , где  - это разность напряжений между уровнем логической единицы и уровнем логического нуля. На рис. 7.5 длительность переднего (rising - нарастающий) фронта обозначена как , а длительность заднего (falling - спадающий) фронта обозначена как .

Рис. 7.5. Определение длительности переднего и заднего фронта выходного импульса	Рис. 7.6. Определение времени задержки цифровой микросхемы.

Время задержки выходного сигнала относительно входного обычно больше длительности фронта выходного сигнала и именно этот параметр приводится в качестве характеристики цифровой микросхемы, определяющей её быстродействие. Это время определяется по точке пересечения входным и выходном сигналами порогового уровня. В цифровых микросхемах время задержки переднего фронта и время задержки заднего фронта обычно не совпадает. Времена задержки и показаны на временной диаграмме, приведенной на рис. 7.6.

Параметры логической микросхемы.

Как правило, одной микросхемой представлены сразу несколько логических элементов, реализующих одинаковые целевые функции. Число логических элементов в одном корпусе может варьироваться .

Статические характеристики :

1. Напряжение питания, В. Данный параметр показывает номинальное напряжение питания МС.

2. Уровень логических 0 и 1 входа, В. Данный параметр показывает минимальный и максимальные уровни напряжений на входных линиях для корректной работы логики.

3. Уровень логических 0 и 1 выхода, В. Данный параметр показывает диапазоны выходных напряжений, соответсвующие логическим уровням. Величина данного параметра всегда больше параметра п.2.

4. Потребляемый ток, А. Ток потребляемый на питание МС.

5. Ток входа, А.

6. Ток выхода, А, Данный параметр позволяет определить максимальную мощность потребителей, подключаемых к выходу.

Динамические характеристики.

1. Длительность одиночного импульса, с. Указывается минимальное значение длительности импульса, подаваемого на вход, для корректного определения его логического уровня.

2. Максимальная рабочая частота, Гц.

3. Время перехода 0-1 и 1-0, с. Описывает максимальное время, за которое сигнал на выходе может измениться с 10 до 90% диапазона выходных напряжений или обратно соответственно.

4. Задержка распространения сигнала, с. Описывает время задержки сигнала за один такт прохождения его через МС.

Многие производителя также могут указывать в технической документации к МС дополнительные параметры, не описанные выше.

Расчетное задание

1. Выбрать из справочника микросхему, реализующую операцию 2И-НЕ, указать статические и динамические характеристики выбранной МС. Данные занести в таблицу 7.1 в стоку «справочное значение»

2. Используя целевую функцию составить таблицу истинности.

3. Упростить целевую функцию, взяв за основание 2И-НЕ. Составить схему, состоящую только из элементов 2И-НЕ, реализующую функцию .

Порядок выполнения работы

1. Произвести все необходимые расчеты, указанные в расчетном задании.

2. На базе одного логического элемента 2И-НЕ с помощью мультиметра измерить статические параметры МС в пассивном и активном режимах. Полученные данные занести в таблицу 7.1.

3. На базе одного логического элемента 2И-НЕ с помощью осциллографа замерить временной сдвиг ( , ) при в формировании сигнала на выходе в зависимости от сигнала на входе. Схема измерения представлена на рис. 7.7

Рис. 7.7. Измерение времени задержки сигнала

4. С помощью мультиметра проверить логические состояния входных и выходных линий в соответствие с разработанной в расчетном задании таблице истинности смоделированной схемы в соответствии с целевой функцией, указанной в расчетном задании. Пороверить корректность рассчитанной таблицы истинности.

Таблица 7.1

	, В	,В	,А	,с	,с
Справочное значение
Измеренное значение

Контрольные вопросы

1. Что такое логическая функция и логический элемент?

2. Что такое таблица истинности и сколько в ней строк?

3. Какие функции одной переменной Вы знаете? Какая из них является важнейшей?

4. Как зависит число функций от числа переменных?

5. Что такое конъюнкция и дизъюнкция? Как они реализуются?

6. Параметры микросхемы, реализующей функцию логического элемента.

7. Логическое отрицание (инверсия), или функция НЕ.

8. Логическое сложение (дизъюнкция), или функция ИЛИ.

9. Логическое умножение (конъюнкция), или функция И.

10. Логическое сложение с инверсией (функция ИЛИ-НЕ).

11. Логическое умножение с инверсией (функция И-НЕ).

12. Логическая функция Исключающее ИЛИ.

13. Таблица истинности.

14. Потенциальное кодирование. Положительная и отрицательная логика.

15. Базисные логические функции и базовые логические элементы.

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Оборудование и программное обеспечение.

4. Теоретические сведения.

5. Расчет исследуемой схемы, математическое моделирование в ПО MathCAD, моделирование схем в ПО EWB,.

6. Вывод .