Стендовая реализация лабораторной работы.

Контрольные вопросы:

1. Что называется импульсом ?

2. Назвать основные характеристики импульсов.

3. Вывести формулу для выходного напряжения импульса при прохождении его через :

а ) интегрирующую цепь,

б ) дифференцирующую цепь.

4. При каких условия RC-цепь является дифференцирующей, а при каких - интегрирующей. Докажите. Объясните принцип действия диодного ограничителя.

Приложение 1.

Краткое техническое описание стенда.

Стенд №1

Предполагаемый внешний вид:

Внешний вид установки:

Исследуемые схемы монтируются на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита, которые укрепляются на алюминиевой (дюралюминиевой) основе размером 430 на 200 мм, закрытой сверху прозрачным пластиком.

Цветное изображение исследуемых схем, название работы, переключатели находится между металлической основой и защитным пластиком. Питание стендов осуществляется от имеющихся источников, встроенных в лабораторные столы.

Исследование логических элементов и, или, не

Цель лабораторной работы:

Установить, как зависит выходное напряжение от напряжений, подаваемых на вход изучаемых схем И, ИЛИ, НЕ, получив, таким образом, таблицу истинности для соответствующих элементов

Методическая цель состоит в том, чтобы студент в результате выполнения работы:

1) узнал работу различных логических схем И, ИЛИ, НЕ и их взаимных комбинаций;

2) получил представление о схемотехнической реализации базовых элементов компьютера на дискретных элементах

Теоретическое введение.

Цифровые микросхемы представляют собой электронные устройства, позволяющие строить все узлы и блоки ЭВМ. В ЭВМ обрабатываемая информация представлена в виде двоичных чисел. Любое число в двоичной системе записывается в виде комбинации нулей и единиц. Для представления чисел в цифровых системах достаточно иметь электронные схемы, которые могут принимать два состояния, четко различающиеся значением какой-либо электрической величины. Одному из значений соответствует логический 0, другому — логическая единица. Наиболее часто используются два способа представления логического нуля и логической единицы: потенциальный и импульсный.

При потенциальном способе представления логического 0 и логической 1 используется напряжение 2-х уровней: высокий уровень соответствует логической 1 и низкий - логический 0. Такой способ представления значений логических величин называется положительной логикой. Относительно редко используют так называемую отрицательную логику, при которой логической 1 соответствует низкий уровень напряжения, а логическому 0 - высокий.

При импульсном способе двоичные цифры изображаются импульсами определенной длительности. Обычно единице соответствует наличие импульса, а нулю-его отсутствие. Иногда единицу и нуль изображают импульсами различной полярности.

Схемотехническая реализация всего многообразия цифровых микросхем осуществляется на основе логических элементов, которые представляют собой логические электронные схемы. Эти схемы выполняют элементарные логические функции.

В ряду существующих логических элементов (потенциальных, импульсных, импульсно-потенциальных)потенциальные логические и схемы представляют собой обширный класс. Основным отличительным признаком элементов и схем потенциального типа от импульсных и ипульсно-потенциальных является наличие связи по постоянному току между входами и выходами элементов.

В процессе развития микросхемотехники выделилось несколько типов схем логических элементов. Они имеют достаточно хорошие характеристики и удобны для реализации в интегральном исполнении. Эти схемы служат элементарной базой современных цифровых микросхем и выпускаются в виде отдельных микросхем (МИС). В данной работе рассматриваются принципы действия и основные параметры наиболее распространенных типов базовых элементов: И, ИЛИ, НЕ. Логическое состояние элементов определяется значением эмпирического потенциала на их входах выходах.

В большинстве случаев необходимые логические преобразования двоичных сигналов выполняются на базе следующих трех элементарных операций. Эти операции лежат в основе так называемый алгебры Буля, (математического аппарата теории логических схем.)

Основы двузначной алгебры логики были заложены в середине прошлого века английским математиком Джоржем Булем. На возможность применения алгебры логики для анализа технических систем впервые указал П. С. Эренфест (1910г); а в 1938 г К. Шеннон применил алгебру Буля для расчета релейных схем.

В алгебре логики оперируют фундаментальным понятием "высказыва-ние", под которым понимают какое-либо утверждение о любом предмете. При этом высказывания оценивают однозначно точки зрения их истинности или ложности. Если высказывание соответствует истине, ему присваивается значение 1, если высказывание ложно - 0. Поэтому все переменные в алгебре логики принимают только два значения: 1 или 0. Такие переменные называют двоичными. Двоичные переменные можно поставить в соответствие двум состояниям электронных элементов- включено (1) / выключено (0) или двум уровням напряжения, например +5В (1); +0,4В (0). С такими переменными легко производить следующие основные логические. операции.

Операция дизъюнкции. Эту операцию называют также операцией ИЛИ (операцией логического сложения). Эта операция обозначается символом''(''или знаком обычного сложения "+".

В случае двух переменных (х1 и х2) эта операция дает такие результаты;

1+0 = 1; 0 + 1 = 1; 0 + 0 = 0.

В левой части равенств приведены значения переменных х1 и х2; знаком "+" обозначена операция дизъюнкции; В правой части после знака равенства дан результат операции, то есть значение у. Переменная у принимает единичное значение, если хотя бы одна из переменных равна единице. Результат операции дизъюнкции, как впрочем, и других логических операций, удобно отражать с помощью так называемых таблиц истинности, в которых записываются все возможные значения переменных х1 и х2, то есть все возможные их сочетания, в той же таблице приводятся и значения функций у для данной комбинации логических переменных. Значения функции у, равные единице, называют истинными, значения, равные нулю,- ложными. Таблица истинности для операции дизъюнкции (таблица 1).

Таблица 1.

х1	х2	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Аналитическая операция дизъюнкции над переменными х1 и х2 записывается в форме: у = х1 + х2 или y = х1 v х2.

Для случая нескольких переменных: у = х1 + х2 + хЗ +... + xn.

Таблица 1

Операцию ИЛИ можно реализовать если соединить параллельно два ключа (х1 и х2). При замыкании хотя бы одного из ключей х1 или х2 на выходе у будет 1.

Логические операции могут быть реализованы в виде электронных устройств, называемых логическими элементами. Логический элемент ИЛИ

выполняет операцию логического сложения.

Схему ИЛИ обозначают прямоугольни-ком с символом 1 внутри него. Этот элемент имеет несколько входов и один выход. Сигнал логической единицы появляется на выходе такого устройства в том случае, если хотя бы на один из входов подана логическая единица. Схемная реализация логического элемента ИЛИ будет рассмотрена позже.

Операция конъюнкции. Эту операцию называют также операцией И (операцией логического умножения). Обозначается " " или "•".

Аналитические операция конъюнкции для 2х переменных записывается в виде:

у = х1 • х2.

Иногда такие функции записываются в форме у = х1 х2 (без точки, изображающую знак логического умножения) или в форме у = х1 х2. Рассмотрим возможные комбинации значений переменных. При операции конъюнкции 0 0 = 0; 0 1 = 0; 1 0 = 0; 1 1 = 1'.

Значение функции у истинно только в том случае, когда переменная х1, так же как переменная х2 принимают единичные значения. Таблица истинности функции у = f (х1,х2)=х1л х2 Для п переменных: у = х1 х2 хЗ х4 ... х_n.

Таблица 2

x1	х2	У
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Значение у истинно только в том случае, когда все п переменных принимают единичное значение. Электрическая цепь, соответствующая логической операции И, должна иметь сигнал на выходе только в том случае, если имеются сигналы одновременно на всех входах. Проще всего логическая операция Таблица 2 моделируется при последовательном соединении ключей. У=1, если замкнуты оба ключа.

Логический элемент И реализует операцию логического умножения (конъюнкции). Этот элемент выполняют в виде устройства, имеющего несколько входов и один выход. На структурных схемах элемент И обозначают в виде прямоугольника, внутри которого имеется символ (энд).

Операция инверсии. Эту операцию называют операцией НЕ (операция логического отрицания).

Операция инверсии записывается в виде: у = х. Выполняется эта операция над одной переменной х. Таблица истинности (таблица 3).

Таблица 3.

X	y
0	1
1	0

Другими словами: 1 = 0, 0 = 1. Логический элемент НЕ реализует функцию логического отрицания. Сигнал, соответствующий единице на выходе устройства, появляется тогда, когда на вход подан сигнал логического нуля. В соответствии с выполняемой Таблица 3 операцией инверсии элемент НЕ называют инвентором. Инверсия по выходу (входу) обозначается кружком (О) в контуре прямоугольника, изображающем схему.

Из сопоставления таблиц истинности для операций дизъюнкции и конъюнкции можно выявить следующую закономерность: операции ИЛИ и И можно поменять местами, если значение "1" поменять на "О", значение "О" на "1", знак "+" на знак " ■ ". Если х1 + х2 = у, то х1- х2 = у, если х1- х2 = у, то х1 + х2 = у. Это свойство является отражением принципа двойственности в алгебре Буля.

Классификация логических элементов.

Основным классификационным признаком элементов, служит тип

компонентов, на которых построены их логические схемы, реализующие операцию И или ИЛИ. По этому признаку различают следующие четыре типа логических элементов:

резистивно-транзисторные (РТЛ);

диодно-транзисторные (ДТЛ);

транзисторно-транзисторные (ТТЛ);

транзисторные (ТЛ);

В первых трёх типах элементов логические операции ИЛИ и И выполняют соответственно резисторы и диоды и транзисторы. В элементах четвёртого типа транзисторы служащие для выполнения логической операции И или ИЛИ, работают в режиме усиления по напряжению и поэтому дополнительного транзистора для нормализации уровней не требуется.

Вторым классификационным признаком является способ соединения полупроводниковых приборов в логической схеме. Поэтому признаку различают схемы со связанными коллекторами, схемы со связанными эмиттерами, схемы со связанными анодами или со связанными катодами диодов. Наконец, третьим классификационным признаком является вид связи логической схемы И или ИЛИ и ключа инвертора. Здесь применяются следующие виды связи: непосредственная (НС), резистивная (PC) и резиствно-ёмкостная (РЕС), диодная (ДС).

На начальной стадии развития техники цифровых ИС прежде всего использовались схемы, которые легко можно было реализовать и свойства которых были известны. Простейшими из этих схем являются схемы резисторно-транзисторнои логики (РТЛ).

В настоящее время наиболее функционально полными, распространенными и дешевыми являются интегральные схемы ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики) и, в частности, серии К155. Именно на базе интегральных схем этой серии собран данный лабораторный практикум. Для этих и других интегральных схем цифровой электроники строго нормируются уровни напряжения питания, входных и выходных сигналов.

В интегральных схемах ТТЛ уровню логической единицы соответствует напряжение в пределах +2,4 ... +5В, уровню 0 — в пределах 0... 0,4В.

Между нижней границей уровня 1 и верхней уровня 0 разница напряжения 2В. Этот диапазон напряжения служит для защиты интегральных схем от ложных срабатываний при помехах, амплитуда которых лежит в указанных пределах.

Рассмотрим возможные схемные реализации и принципы действия логических элементов И, ИЛИ, НЕ.

На рис.6 представлена диодно-резисторная схема, реализующая логическую функцию ИЛИ и таблица истинности (таблица 4).

Напряжение на выходе элемента появляется при подаче положительного (отпирающего диода) сигнала на любой его вход за счет падения напряжения на резисторе R. К диодам, для которых входной сигнал равен нулю, прикладывается обратное напряжение, и они находятся в закрытом состоянии. На выходе F=0.

Логический элемент ИЛИ может быть реализован и на других полупроводниковых элементах (диодах и транзисторах).

Таблица 4

X1	X2	X 3	F
0	0	0	0
1	0	0	1
0	1	0	1
0	0	1	1
1	0	1	1
0	1	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

Рассмотрим принцип действия логического элемента ИЛИ, реализованного на транзисторах (ТТЛ-логика) (см. рис. 7): если хотя бы на один из входов (S? или S₂) подается высокое напряжение (то есть логическая единица, светодиоды VD₁ или VD₂ горят, то один из транзисторов (VT₁ или VT₂) отпирается и на выходе имеем логическую единицу (светодиод VD₃ горит), в случае, когда ключи S₁ и S₂ разомкнуты (что соответствует логическому нулю на обоих входах, светодиоды VD₁ или VD₂ не горят), то оба закрыты и на выходе имеем логический 0, светодиод VD₃ не горит). Таблица истинности для элемента ИЛИ, реализованного на транзисторах, совпадает с таблицей 1.

Простейшая схема элемента И на диодах приведена на рис.8, таблица истинности этого элемента таблица 5.

Отличие от схемы элемента ИЛИ заключается в изменении полярности включения диодов и наличие резистора R₁ подключенного к шине "+" источника питания.

Таблица 5

X1	X2	Х3	F
0	0	0	0
1	0	0	0
0	1	0	0
0	0	1	0
1	0	1	0
0	1	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

Схема работает следующим образом: если ко всем входам (Х₁,Х₂,Х₃) приложены положительные напряжения (сигнал соответствует логической 1), то все диоды являются закрытыми и на выходе F схемы поддерживается полное напряжение источника Е (логическая 1). Если хотя бы на одном из входов положительное напряжение отсутствует (сигнал соответствует логическому 0), то через этот диод протекает ток, напряжение падает на сопротивлении Ri и напряжение на выходе F близко к нулю (логический 0).

Рассмотрим принцип действия логического элемента И, реализованного на транзисторах (ТТЛ-логика) (см. рис.9). Когда высокое напряжение, соответствующее логической 1, приложено к обоим входам (что соответствует замыканию ключей S₁ и S₂ светодиоды VD₁ или VD₂ горят), транзистор VT₁ отпирается и на выходе наблюдается свечение индикатора VD₃,, что соответствует логической 1 на выходе; если низкое напряжение, которое представляет собой логический нуль, приложено хотя бы к одному из входов (например, S1 —разомкнут, светодиод VD₁), то транзистор VT1

запирается и на выходе получаем логический 0, то есть индикатор VD₃ не горит.

Таблица истинности для элемента И, реализованная на транзисторах, совпадает с таблицей 2.

Логический элемент НЕ, инвертирующий любой входной сигнал может быть реализован тоже на транзисторах (см. рис. 10).

В зависимости от входных и выходных переменных все устройства могут работать в двух режимах:

• потенциальном (статическом);

• импульсном (динамическом).

При потенциальном режиме работы входные и выходные переменные представлены двумя уровнями напряжения:

уровень 0 низкий уровень И;

уровень 1 высокий уровень И.

При импульсном режиме входные и выходные переменные характеризуются появлением и отсутствием импульсов в определенные промежутки времени.

Рассмотрим работу логического элемента НЕ в 2-х режимах.

I. В динамическом при замыкании ключа S₂ на гнездо f (положение 1) на вход X элемента НЕ будут поступать импульсы положительной полярности от встроенного ГПИ (генератора прямоугольных импульсов). Они будут иметь следующий вид (см.рис.11 а).

Выходное напряжение элемента НЕ будет представлять собой также импульсную последовательность, но инвертированную (перевернутую) к входной (см. рис. 11б). Это происходит потому, что при подаче логической 1 на базу транзистора VT₁ он открывается (сопротивление на участке коллектер-эмиттер становится мало) и все входное напряжение падает на резисторе R₂, выходное напряжение U_вых=Y будет близко к нулю. И наоборот, при подаче логического "О" на базу транзистора VT₁ транзистор запирается (сопротивление на участке коллектер-эмиттер становится велико) и все падение напряжения становится на нем, выходное напряжение U_вых=Y будет соответствовать уровню логической единицы.

II. В статическом. Элемент НЕ будет работать в этом режиме, если ключ S₂ перевести в положение 2. Выходное напряжение высокого уровня появится на выходе Y только тогда, когда транзистор базового тока не получает, то есть будет находиться в состоянии отсечки, то есть ключ S₁ будет находиться в положении 2 (VD₁, не светится; Х=0, Y= =1). И наоборот, на выходе У элемента НЕ будет логический нуль, если транзистор VT1 находится в состоянии насыщения, то есть ключ S₁, находится в положении 1, VD₁ светится (Х=1, Y= =0). Таблица истинности для элемента НЕ ТТЛ-логики — таблицы 3.

Методика исследования.