Набор по изучению работы логических элементов. Исследование работы основных логических элементов Вопросы к зачету

Лабораторная работа

1. Цель работы

Целью работы является:

Теоретическое изучение логических элементов, реализующих элементарные функции алгебры логики (ФАЛ);

Экспериментальное исследование логических элементов, построенных на отечественных микросхемах серии К155.

2. Основные теоретические положения.

2.1. Математической основой цифровой электроники и вычислительной техники является алгебра логики или булева алгебра (по имени английского математика Джона Буля).

В булевой алгебре независимые переменные или аргументы (X) принимают только два значения: 0 или 1. Зависимые переменные или функции (Y) также могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. Функция алгебры логики (ФАЛ) представляется в виде:

Y = F (X 1 ; X 2 ; X 3 ... X N).

Данная форма задания ФАЛ называется алгебраической.

2.2. Основными логическими функциями являются:

Логическое отрицание (инверсия)

;

Логическое сложение (дизьюнкция)

Y = X 1 + X 2 или Y = X 1 V X 2 ;

Логическое умножение (коньюнкция)

Y = X 1 · X 2 или Y = X 1 L X 2 .

К более сложным функциям алгебры логики относятся:

Функция равнозначности (эквивалентности)

Y = X 1 · X 2 +

или Y = X 1 ~ X 2 ;

Функция неравнозначности (сложение по модулю два)

+ · X 2 или Y = X 1 X 2 ;

Функция Пирса (логическое сложение с отрицанием)

;

Функция Шеффера (логическое умножение с отрицанием)

;

2.3. Для булевой алгебры справедливы следующие законы и правила:

Распределительный закон

X 1 (X 2 + X 3) = X 1 · X 2 + X 1 · X 3 ,

X 1 + X 2 · X 3 = (X 1 + X 2) (X 1 + X 3) ;

Правило повторения

X · X = X , X + X = X ;

Правило отрицания

= 0 , X + = 1 ;

Теорема де Моргана

= , = ;

Тождества

X · 1 = X , X + 0 = X , X · 0 = 0 , X + 1 = 1.

2.4. Схемы, реализующие логические функции, называются логическими элементами. Основные логические элементы имеют, как правило, один выход (Y) и несколько входов, число которых равно числу аргументов (X 1 ;X 2 ;X 3 ... X N). На электрических схемах логические элементы обозначаются в виде прямоугольников с выводами для входных (слева) и выходных (справа) переменных. Внутри прямоугольника изображается символ, указывающий функциональное назначение элемента.

На рис.1 ¸ 10 представлены логические элементы, реализующие рассмотренные в п.2.2. функции. Там же представлены так называемые таблицы состояний или таблицы истинности, описывающие соответствующие логические функции в двоичном коде в виде состояний входных и выходных переменных. Таблица истинности является также табличным способом задания ФАЛ.

На рис.1 представлен элемент “НЕ”, реализующий функцию логического отрицания Y =

Элемент “ИЛИ” (рис.2) и элемент “И” (рис.3) реализуют функции логического сложения и логического умножения соответственно.

Функции Пирса и функции Шеффера реализуются с помощью элементов “ИЛИ-НЕ” и “И-НЕ”, представленных на рис.4 и рис. 5 соответственно.

Элемент Пирса можно представить в виде последовательного соединения элемента “ИЛИ” и элемента “НЕ” (рис.6), а элемент Шеффера - в виде последовательного соединения элемента “И” и элемента “НЕ” (рис.7).

На рис.8 и рис.9 представлены элементы “Исключающее ИЛИ” и “Исключающее ИЛИ - НЕ”, реализующие функции неравнозначности и неравнозначности с отрицанием соответственно.

2.5. Логические элементы, реализующие операции коньюнкции, дизьюнкции, функции Пирса и Шеффера, могут быть, в общем случае, n - входовые. Так, например, логический элемент с тремя входами, реализующий функцию Пирса, имеет вид, представленный на рис.10.

В таблице истинности (рис.10) в отличие от таблиц в п.2.4. имеется восемь значений выходной переменной Y. Это количество определяется числом возможных комбинаций входных переменных N, которое, в общем случае, равно: N = 2 n , где n - число входных переменных.

2.6. Логические элементы используются для построения интегральных микросхем, выполняющих различные логические и арифметические операции и имеющих различное функциональное назначение. Микросхемы типа К155ЛН1 и К155ЛА3, например, имеют в своем составе шесть инверторов и четыре элемента Шеффера соответственно (рис.11), а микросхема К155ЛР1 содержит элементы разного вида (рис.12).

2.7. ФАЛ любой сложности можно реализовать с помощью указанных логических элементов. В качестве примера рассмотрим ФАЛ, заданную в алгебраической форме, в виде:

. (1)

Упростим данную ФАЛ, используя вышеприведенные правила. Получим:

(2)

Проведенная операция носит название минимизации ФАЛ и служит для облегчения процедуры построения функциональной схемы соответствующего цифрового устройства.

Функциональная схема утройства, реализующая рассматриваемую ФАЛ, представлена на рис.13.

Следует отметить, что полученная после преобразований функция (2) не является полностью минимизированной. Полная минимизация функции проводится в процессе выполнения лабораторной работы.

3. Описание обьекта и средств исследования

Исследуемое в лабораторной работе устройство представлено на рис.14.

3.1. Устройство представляет собой группу логических элементов, выполненных на микросхемах серии К155 (элементы ДД1¸ДД4).

Для микросхем данной серии логической единице соответствует напряжение U 1 = (2,4 ¸ 5,0) B, а логическому нулю - U 0 = (0 ¸ 0,8) В.

3.2. Логические “0” и “1” на входе элементов задаются с помощью кнопок, расположенных на передней панели блока К32 под надписью “Программатор кодов”. Номера кнопок на панели соответствуют номерам на схеме устройства.

Полное графическое изображение кнопок данного типа (так называемых “кнопок с фиксацией”) показано только для кнопки SA1.

При нажатой кнопке вход элементов через резистор R1 подключается к источнику с напряжением 5В. При этом на входе элементов будет действовать напряжение U 1 , что соотвествует подаче на вывод микросхемы логической единицы. При отжатой кнопке вход элемента будет соединен с шиной, находящейся под потенциалом земли, что соответствует подаче на вывод микросхемы логического нуля U 0 .

3.3. Логические сигналы с выводов элементов ДД1 ¸ ДД4 поступают на цифровые индикаторы и индуцируются в виде символов “0” и “1”. Цифровые индикаторы расположены в блоке К32 слева (кнопка “IO \ 2”) под индикаторами должна находиться в нажатом состоянии.

3.4. Сигнал с выхода элемента ДД5 через цепи коммутации подается на вход мультиметра Н3014. Предварительно мультиметр устанавливается в режим измерения постоянного напряжения “-V” и выпорлняются следующие подсоединения:

3.4.1. Вход - гнездо мультиметра “-V” - кабелем соединяется с гнездом “Выход V ~“ блока К32.

3.4.2. Гнездо XS1 на плате устройства проводником соединяется с левым гнездом под надписью “Вход 1” в поле надписи “Коммутатор”.

3.4.3. Кнопка “ВСВ \ ВНК” над указанным выше гнездом должна находиться в нажатом состоянии.

3.4.4. Кнопка “ВХ 1” под надписью “Контроль V ~“ должна находиться в нажатом, а кнопка “ВСВ \ ВНК” в поле надписи “КВУ” - в отжатом состоянии.

4.1. Исследование особенностей функционирования логических элементов ДД1 ¸ ДД4 и определение их функционального назначения.

Данный набор позволяет изучить логику работы основных типов логических элементов. Набор размещается в укладке представляющей собой черный пластиковый ящик размером 200 х 170 х 100 мм

В укладке располагается четыре модуля стандартного размера 155 х 95 х 30 мм. Кроме этого там должны быть соединительные провода, но в экземпляре, с которым имел дело автор, они отсутствовали, но, сохранилось руководство по эксплуатации .

Логический элемент И

Первый модуль это логический элемент И , на его выходе сигнал появляется только при условии того, что сигнал приходит на оба его информационных входа.

Стандартный модуль представляет собой печатную плату, которая сверху закрыта прозрачной пластиковой крышкой, укрепленной на двух винтах.

Модуль легко разбирается, что позволяет подробно рассмотреть печатную плату устройства. С тыльной стороны печатные проводники закрыты непрозрачной пластиковой крышкой.

Логический элемент ИЛИ

Практически аналогично устроен логический элемент ИЛИ , на его выходе сигнал появляется при условии прихода сигнала на любой из его информационных входов.

Логический элемент НЕ

Логический элемент НЕ . Сигналы на входе и выходе этого элемента всегда имеют противоположные значения.

Триггер

Триггер - логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, используется как основа для всевозможных устройств требующих хранения информации.

В целом данный набор по цифровой электроники аналогичен комплекту «Электронный усилитель». Разумеется, представленный в наборе вариант реализации логических элементов далеко не является единственным. По сути, здесь логические элементы реализованы, так как это делалось в 60-е годы XX века. В данном случае важно то, что при работе с данным набором можно непосредственно изучить простейший схемотехнический пример лежащий в самой основе цифровой полупроводниковой электроники. Таким образом, отдельный логический элемент перестает быть «черным ящиком», который работает на чистой магии. Хорошо видимая и одновременно защищенная электрическая схема, это как раз то, что нужно для изучения основ электроники. Автор обзора - Denev.

Лабораторная работа №2

Литература:

2. В.С. Ямпольский Основы автоматики и ЭВТ. – М.: Просвещение. - 1991. - §3.1 ‑3.4

Ход работы:

Включить терминал, подключиться к локальной сети и загрузить сайт «Основы микроэлектроники». Выбрать номер лабораторной работы, зарегистрироваться и приступить к выполнению заданий согласно появляющимся на экране инструкциям и данному описанию.
В каждом из 10 заданий выделить из приведенной схемы цифрового автомата узел, содержащий только логические элементы, и изобразить его принципиальную схему, используя УГО российского стандарта
Смоделировать работу каждой схемы средствами Electronic Workbench и составить таблицу истинности исследуемого устройства
Определить логическую функцию исследуемого устройства и привести его условное графическое изображение (УГО)
В каждом задании составить дополнительно две схемы реализации той же логической функции на элементах 2И-НЕ (элемент Шеффера) и элементах 2ИЛИ-НЕ (элемент Пирса), используя минимальное количество вентилей
В задании 11 по аналогии с предыдущими схемами дополнить приведенное устройство схемой узла, позволяющего подавать на входы Х1¸Х3 произвольную комбинацию логических сигналов и индицировать состояние каждого входа и выхода. Исследовать работу схемы аналогично предыдущим заданиям

Отчет к каждому заданию лабораторной работы оформлять по образцу, приведенному в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

При защите работы уметь объяснить каждый из полученных результатов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Фрагмент отчета (на примере одного задания)

Задание 1.

Пример схемы, приведенной в задании.

В таком виде перерисовывать её не нужно !

Фрагмент отчета по данному заданию приводится ниже.

Задание 1: выполняемая схемой функция ‑ «2И-НЕ»

Схема: УГО: Таблица истинности:

«2И-НЕ» на элементах Шеффера. «2И-НЕ» на элементах Пирса.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

УГО и таблицы истинности некоторых логических элементов

1. Элемент «2И-НЕ»

2. Элемент «2ИЛИ-НЕ»

3. Элемент «исключающее ИЛИ»

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Примеры условных графических обозначений логических элементов по ГОСТ (российский стандарт) и ANSI (American National Standard Institute)

УГО по ANSI	УГО по ГОСТ	Функциональное назначение
		«2И» (2-Input AND Gate)
		«3И» (3-Input AND Gate)
		«2И-НЕ» (2-Input NAND Gate)
		«2ИЛИ» (2-Input OR Gate)
		«2ИЛИ-НЕ» (2-Input NOR Gate)
		«3ИЛИ-НЕ» (3-Input NOR Gate)
		«НЕ» (NOT Gate)
		«исключающее ИЛИ» (2-Input XOR Gate)
		«исключающее ИЛИ-НЕ» (2-Input XNOR Gate)
		6-входовый сумматор по модулю 2 (6-Input XOR Gate)

Лабораторная работа № 3.

Исследование триггеров RS-, RST-, D- и JK-типов.

Литература:

1. А.А. Коваленко, М.Д. Петропавловский. Основы микроэлектроники: Учебное пособие. ‑ Барнаул: Изд‑во БГПУ, 2005. – 222 с.

2. В.С. Ямпольский. Основы автоматики и электронно-вычислительной техники. – М.: Просвещение. – 1991. – 223 с.

4. Руководство к выполнению виртуальных лабораторных работ с помощью программы моделирования электрических схем Electronic Workbench 5.12

Ход работы:

Включить терминал, подключиться к локальной сети и загрузить сайт «Основы микроэлектроники». Выбрать номер лабораторной работы, зарегистрироваться и приступить к выполнению заданий согласно появляющимся на экране инструкциям и данному описанию
Исследуйте работу асинхронного RS-триггера с инверсными входами на логических элементах 2И-НЕ.

Пользуясь программой Electronics Workbench, соберите схему триггера, приведенную на рисунке.

Для управления триггером используйте переключатели (Switch), подсоединяющие входы к клемме плюса питания (V cc) либо к клемме земли (Ground), а для индикации состояния входов и выходов – пробники (соответственно Green Probe и Red Probe).

Исследование провести в следующем порядке:

Таблица состояний триггера

№ комбинации			Операция
			Установка выхода

В сокращенном варианте таблицу состояний RS-триггера с инверсными входами принято изображать в следующем виде (при данной комбинации входных сигналов выход Q устанавливается в указанное состояние независимо от его предыдущего состояния):

Здесьсимвол (t+1) означает состояние триггера «в следующем такте», т.е. после установления выхода в соответствии со входными сигналами

Примечание: (в этой и других подобных таблицах приняты следующие обозначения ):

Исследуйте работу асинхронного RS-триггера с прямыми входами на логических элементах 2И-НЕ.

Для этого добавьте к собранной схеме еще 2 элемента 2И-НЕ, чтобы получить триггер с прямыми входами (см. рисунок), и на основе эксперимента в среде Electronics Workbench по аналогии с предыдущим заданием заполните таблицу его состояний

Исследуйте работу синхронизируемого RS-триггера (RST-триггера).

Для этого откройте схему RST-триггера (файл E:\MeLabs\Lab3\rst_trig_analis.EWB), ко входам которого подключен генератор слова (Word Generator), а все входные и выходные сигналы контролируются логическим анализатором (Logic Analyzer). Разверните панель генератора слова и установите для него режим пошаговой работы (Step). Введите в память генератора 16-ричные коды слов Вашего варианта. Разверните панель логического анализатора. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Зарисуйте в тетрадь полученные логическим анализатором диаграммы. Заполните потактовую таблицу состояний триггера.

Таблица состояний триггера

Информац. сигнал	Номера тактов

C
R
S
Q

Исследуйте работу статического и динамического D‑триггеров. Откройте схему параллельно включенных статического и динамического D‑триггеров (файл E:\MeLabs\Lab3\D_trig.EWB), ко входам которых подключен генератор слова (Word Generator), а все входные и выходные сигналы контролируются пробниками.

Разверните панель генератора слова. Из таблицы состояний выпишите по тактам двоичные коды слов и, преобразовав их в 16-ные, введите в память генератора слов. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Заполните потактовую таблицу состояний триггеров.

Таблица состояний триггеров

Информац. сигнал	Номера тактов

C
D
Q стат.
Q дин.

Откройте схему JK-триггера с динамическим управлением (jk_триг_анализ).

Разверните панель генератора слова и установите для него режим пошаговой работы (Step). Введите в память генератора 16-ричные коды слов Вашего варианта. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Зарисуйте в тетрадь полученные логическим анализатором диаграммы. Заполните потактовую таблицу состояний триггера.

Таблица состояний триггера

Информац. сигнал

Номера тактов

Pre

Clr

Замечание: В отличие от ранее исследовавшихся схем в этом задании исследуется работа конкретной микросхемы 7476 (Dual JK MS‑SLV FF (pre, clr)), в связи с чем при моделировании необходимо к соответствующим выводам подключить источник питания Vcc и заземление GND. В задании задействованы выводы только одного из JK-триггеров (первого). Входы Pre (предустановка) и Clr (очистка) играют роль установочных входов S и R соответственно.

Выберите из библиотеки Digital интегральную схему JK-триггера 7472 (And‑gated JK MS‑SLV FF (pre, clr)) и соберите на ней схему счетного триггера. Обратите внимание, что на информационных входах используется логика 3И. Вывод NC микросхемы – свободный (не используется).

Подайте на вход триггера однополярные амплитудой 5 В прямоугольные импульсы от функционального генератора требуемой частоты, получите осциллограммы входного и выходного сигналов. Продемонстрируйте их преподавателю.

Цель работы . Ознакомление с основными функциями и законами алгебры логики, характеристиками логических микросхем, основами анализа и синтеза простых и сложных логических схем.

Краткие теоретические сведения.

Анализ работы цифровых устройств и синтез логических цепей производится на основе математического аппарата алгебры логики или «булевой» алгебры, оперирующей только двумя понятиями: истинным (логическая «1») и ложным (логический «0»). Функции, отображающие такую информацию, а также устройства, формирующие функции алгебры логики, называются логическими. Логические функции нескольких переменных определяют характер логических операций, в результате которых набору входных переменных x 0 , x 1 ,…, x n -1 ставится в соответствие выходная переменная F

F = f (x 0 , x 1 ,…, x n -1 ).

Функция преобразования характеризуется таблицей, в которой каждой комбинации входных переменных соответствует значение выходной переменной F . Ее называют таблицей истинности.

Основными функциями алгебры логики, с помощью которых можно осуществлять любые логические преобразования, являются логическое умножение (конъюнкция), логическое сложение (дизъюнкция) и логическое отрицание (инверсия).

Алгебра логики позволяет преобразовывать формулы, описывающие сложные логические зависимости, с целью их упрощения. Это помогает в конечном итоге определять оптимальную структуру того или иного цифрового автомата, реализующего любую сложную функцию. Под оптимальной структурой принято понимать такое построение автомата, при котором число входящих в его состав элементов минимально.

Основные законы алгебры логики .

Переместительный закон:

a + b = b + а; ab = ba .

Сочетательный закон:

(a + b) + c = a + (b + c); (ab)c = a(bc).

Распределительный закон:

a(b + c) = ab + ac; a + bc = (a + b)(a +c).

Закон поглощения:

a + ab = a(1 + b) = a; a(a + b) = a + ab = a.

Закон склеивания:

ab + a = a ; (a + b )(a + ) = a .

Закон отрицания:

или
.

Логические элементы . Логические элементы используют в качестве значений входных и выходных напряжений лишь два уровня: «высокий» и «низкий». Если логическому «0» соответствует напряжение низкого уровня, а логической «1» – высокого, то такую логику называют положительной, и наоборот, если за логический «0» принимают напряжение высокого уровня, а за логическую «1» – напряжение низкого уровня, то такую логику называют отрицательной. В транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) напряжение логического «0» – U 0 составляет десятые доли вольт (менее 0,4 В), а напряжение логической «1» – U 1 >2,4 В. Логические элементы реализуют простейшие функции или систему функций алгебры логики.

	Таблица 1

ростейшей функцией алгебры логики является функция НЕ. Она реализуется с помощью инвертора, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 1. На вход инвертора подается величинаX , которая может принимать два значения: «0» и «1». Выходная величина Y , при этом тоже принимает два значения: «1» и «0». Взаимно однозначное соответствие X и Y дается таблицей истинности (табл. 1), причем значение выходной величины Y зависит не от предыдущих значений, а лишь от текущего значения входной величины X : Y =

Это справедливо для всех логических элементов, не имеющих памяти, у которых в таблице истинности значение Y не зависит от порядка строк.

		Таблица 2

огическими элементами, реализующими функции логического сложения и логического умножения, являются элементы ИЛИ и И. Таблицы истинности для этих элементов однозначно связывают значение выходной величиныY со значениями двух (или более) входных величин х l , х 2 , ... x n . Условные графические обозначения логических элементов ИЛИ и И приведены соответственно на рис. 2 и 3, а их таблицы истинности – в таблицах 2 и 3. Например, для логического элемента 2-ИЛИ, реализующего дизъюнкцию

Y = х l + х 2 или Y = х l  х 2 ,

а для элемента 2-И, реализующего конъюнкцию

Y = х l  х 2 или Y = х l  х 2 .

		Таблица 3

а наборе логических элементов И, ИЛИ, НЕ можно реализовать любую сколь угодно сложную логическую функцию, поэтому данный набор элементов называют функционально полным.

На практике часто используется расширенный набор логических элементов, позволяющих также составлять функционально полные системы. К ним относятся элементы:

ИЛИ-НЕ (элемент Пирса), реализующий функцию

;

И-НЕ (элемент Шеффера), реализующий функцию

Их обозначения и таблицы истинности приведены на рис. 4 и в табл. 4.

			Таблица 4

В частности функционально полные системы могут состоять из элементов только одного типа, например, реализующих функцию И-НЕ либо ИЛИ-НЕ.

Комбинационные логические цепи – это такие цепи, выходные сигналы которых однозначно определяются сигналами, присутствующими на их входах в рассматриваемый момент времени и не зависят от предыдущего состояния.

Набор логических элементов, входящих в состав учебного стенда по основам цифровой техники не содержит элементов, реализующих функцию ИЛИ-НЕ, что ограничивает число вариантов построения логических схем при их синтезе и позволяет составлять схемы только в базисе элементов И-НЕ.

Прежде чем перейти к вопросам анализа и синтеза логических устройств в заданном базисе элементов (И-НЕ), необходимо составить таблицу, в которую будут сведены все возможные формы представления выходных сигналов указанных элементов при условии, что на их входы поданы логические переменные х l и х 2 . При синтезе схем можно использовать два технических приема: двойное инвертирование входного исходного выражения или его части и применение теорем Де-Моргана. При этом функция преобразуется к виду, содержащему только операции логического умножения и инверсии, и переписывается через условные обозначения операции И-НЕ и НЕ.

Последовательность проведения анализа и синтеза комбинационных логических цепей:

Составление таблицы функционирования логической цепи (таблицы истинности).

Запись логической функции.

Минимизация логической функции и преобразование ее к виду, удобному для реализации в заданном базисе логических элементов (И-НЕ, НЕ).

Пример проведения анализа и синтеза логических цепей .

Пусть необходимо построить мажоритарную ячейку (ячейку голосования) на три входа, т.е. такую ячейку, у которой сигнал на выходе равен единице тогда, когда на двух или трех входах цепи присутствует сигнал единицы, в противном случае выходной сигнал должен быть равен нулю.

Вначале заполним таблицу истинности (табл. 5). Поскольку в данном случае имеются три входных сигнала х 1 , х 2 , х 3 , каждый из которых может принимать одно из двух возможных значений (0 или 1), то всего может быть восемь различных комбинаций этих сигналов. Четырем из этих комбинаций будет соответствовать выходной сигнал F , равный единице.

Таблица 5

x 1	x 2	x 3

Пользуясь данными табл. 5, можно записать логическую функцию, которую должна реализовать синтезируемая цепь. Для этого нужно представить эту функцию в виде суммы логических произведений, соответствующих тем строкам табл. 5 (3, 5-7), для которых функция F равна единице. Аргументы записываются без инверсии, если они равны единице и с инверсией, если равны нулю.

Если в синтезируемой таблице истинности выходная величина чаще принимает значение «1», то синтезируются строки, в которых выходная величина равна «0».

При выполнении заданной процедуры получим функцию

F = . (1)

Для минимизации (упрощения) данной функции нужно применить основные законы алгебры логики. Возможна следующая последовательность преобразований, например, с применением закона склеивания (теоремы Де-Моргана):

F = =

+
=
. (2)

Как видно, полученное конечное выражение гораздо проще исходного.

Аналогично проводится анализ (составление таблиц истинности) и более сложных логических схем.

Для выполнения задания предлагается набор наиболее распространенных логических элементов (рис. 5).

Рис. 5. Набор логических элементов для выполнения задания

Задание к лабораторной работе

1. Составить таблицы истинности для всех логических элементов, приведенных на рис. 5.

2. Для каждого логического элемента из набора представленных на рис. 5. составить логические выражения, реализующие их функции в базисе логических элементов НЕ и И-НЕ и начертить полученные тождественные схемы.

3. Собрать рассмотренные схемы на стенде и, путем перебора комбинаций входных сигналов, составить их таблицы истинности.

4. Используя законы отрицания (теоремы Де-Моргана) произвести преобразование минимизированной функции (2) для реализации ее в базисе логических элементов НЕ и И-НЕ и начертить полученную тождественную схему.

5. Собрать представленную схему на стенде и, путем перебора комбинаций входных сигналов, проверить соответствие ее работы таблице истинности (табл. 5).

Контрольные вопросы

Что такое функционально полная система и базис логических элементов?

В чем особенности синтеза логических устройств?

В чем заключаются принципы минимизации логических устройств?

Назовите основные операции булевой алгебры.

Что отражают теоремы булевой алгебры? Сформулировать теоремы Де-Моргана: поглощения и склеивания.

Какие цифровые устройства называются комбинационными?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Е.Н. Малышева

Основы

Микроэлектроники

Лабораторный практикум

Тобольск - 2012

УДК 621.3.049.77

Печатается по решению кафедры технологии и технических дисциплин ТГПИ им. Д.И. Менделеева

Малышева Е.Н. Основы микроэлектроники. Лабораторный практикум: Учебное пособие. – Тобольск: ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2012. – 60 с.

Рецензент: Новоселов В.И., к.ф.-м. н., доцент кафедры физики и МПФ

Данное учебное пособие выполнено в виде рабочей тетради и предлагается в сопровождение к лабораторному практикуму для студентов педагогических вузов, изучающих основы микроэлектроники. Лабораторный практикум проводится с использованием стенда универсального и посвящен исследованию элементов, узлов и устройств цифровой техники.

1. Исследование работы основных логических элементов.

2. Исследование работы триггеров.

3. Исследование работы регистров.

4. Исследование работы комбинационных преобразователей кодов.

5. Исследование работы счетчиков.

6. Исследование работы сумматора.

7. Исследование работы арифметическо-логического устройства.

8. Исследование работы оперативного запоминающего устройства.

9. Исследование работы модели ЭВМ.

Каждая работа включает в себя следующие разделы:

Теоретический материал, освоение которого необходимо для выполнения работы;

Описание работы;

Вопросы к зачету данной работы.

Лабораторная работа № 1.

Исследование работы основных логических элементов

Цель работы: изучение принципов действия и экспериментальное исследование работы логических элементов.

Общие сведения

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией. Их создают на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме, который характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» - «Отключено». Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, когда сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа. Эти два положения (логическая 1 и логический 0) составляют электронный алфавит, или основание двоичного кода.

На вход любого цифрового устройства поступает набор кодовых слов, которые оно преобразует в другие кодовые слова или слово. Кодовые слова на выходе являются некой функцией, для которой входные кодовые слова приходятся аргументом этой функции. Их называют функции алгебры логики.

Логические функции, как и математические, можно записать в виде формулы или таблицы – таблицы истинности, которая приводит все возможные сочетания аргументов и соответствующие им значения логических функций. Устройство, предназначенное для выполнения определенных функций алгебры логики, называется логическим элементом. Рассмотрим некоторые их них.

Логический элемент НЕ

логического отрицания (инверсии) . Логическим отрицанием высказывания A называется высказывание X, истинное в том случае, когда А ложно .

Логический элемент И

Предназначен для выполнения функции логического умножения (конъюнкции). Логическим умножением называют такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X истинно лишь в том случае, когда одновременно истинны оба высказывания.

Логический элемент И-НЕ

Предназначен для выполнения функции отрицания логического умножения (отрицания конъюнкции). Отрицанием умножения или функцией Шеффера называют такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X ложно лишь в том случае, когда одновременно истинны оба высказывания.

Порядок выполнения работы

Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П1, технологические карты I-1 − I-9.

1. Проанализируйте работу светодиодного индикатора стенда для определения уровней логических сигналов.

2. Исследуйте работу логических устройств, последовательно используя технологические карты. Выполните для каждой схемы следующие задания:

а. заполните таблицы истинности,

б. используя полученные данные, определите логические элементы,

в. назовите выполняемые ими функции алгебры логики,

г. обозначьте логические элементы на схеме соответствующими условными обозначениями,

д. запишите формулы, выражающие связь между входными и выходными характеристиками.

x1	x2	y1	x3	x4	y2	y3

x1	x2	y1	y2	y3	y4

Вопросы к зачету

1. Каковы назначение и область применения логических элементов?

2. Дайте определение основным логическим функциям.

3. По светодиодному индикатору определите уровень логического сигнала на выходе схемы.

4. Определите по выходным данным типы логических элементов в схеме.

5. По маркировке интегральных микросхем, расположенных на используемой плате, дайте их характеристику.

Лабораторная работа № 2.

Общие сведения

Из логических элементов строятся более сложные цифровые устройства. Одним из наиболее распространенных узлов цифровой техники является триггер.

Триггер – это устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способные под воздействием управляющего сигнала переходить скачком из одного состояния в другое.

Каждому состоянию триггера соответствует определенный (высокий или низкий) уровень выходного напряжения, который может сохраняться как угодно долго. Поэтому триггеры называют простейшими цифровыми автоматами с памятью, т.е. их состояние определяется не только входными сигналами в данный момент времени, но и их последовательностью в предыдущие такты работы триггера.

В настоящее время большинство триггеров выполняется на основе логических элементов в виде интегральных микросхем (ИМС). Они применяются как переключающие элементы самостоятельно или входят в состав более сложных цифровых устройств, таких как счетчики, делители частоты, регистры и др.

По способу записи информации триггеры подразделяют на синхронные и асинхронные устройства. В асинхронных триггерах запись информации осуществляется непосредственно с поступлением входных сигналов. В синхронных (тактовых) триггерах информация будет записана только при наличии тактового синхроимпульса.

По функциональному признаку различают триггеры: с раздельным запуском (RS-триггеры), с элементами задержки (D-триггеры), со счетным пуском (Т-триггеры), универсальные (JK-триггеры).

Как правило, у триггера два выхода: прямой () и инверсный (). Состояние триггера определяется по величине напряжения на прямом выходе . Входы триггеров имеют следующие обозначения:

S – раздельный вход установки триггера в единичное состояние;

R – раздельный вход установки триггера в нулевое состояние;

D – информационный вход;

C – вход синхронизации;

T – счетный вход и другие.

Основой всех триггерных схем является асинхронный RS-триггер. Существует два типа RS-триггеров: построенных на логических элементах «ИЛИ-НЕ» и на логических элементах «И-НЕ». Они различаются уровнем активных сигналов и имеют свое обозначение (см. таблицу).

RS-триггеры имеют режимы работы: установка в нулевое или единичное состояние, хранения, запрещенный режим. Запрещенная комбинация (на оба входа подаются активные сигналы) реализуется при подаче противоречивой команды: одновременно установиться в единичное и нулевое состояние. При этом на прямом и инверсном выходах реализуются одинаковые уровни напряжения, чего по определению не должно быть.

Тактируемые D-триггеры имеют вход D для подачи информации (0 или 1) и синхровход С. На вход С подаются синхроимпульсы (С=1) от специального генератора импульсов. D-триггеры избавлены от запрещенной комбинации входных сигналов.

Счетный Т-триггер имеет один управляющий вход Т. Смена состояний триггера происходит всякий раз, когда меняется управляющий сигнал. Т-триггеры одного типа реагируют на фронт импульса, т.е. на перепад 0-1, другие - на срез (перепад 1-0). В любом случае частота выходных импульсов в 2 раза ниже частоты входных. Поэтому Т-триггеры используются как делители частоты на 2 или счетчики по модулю 2. В виде ИМС триггеры этого типа не выпускаются. Их можно легко создать на основе D- и JK-триггеров.

JK-триггеры относятся к универсальным, имеют информационные входы J и K и синхронизирующий вход С. Они используются при создании счетчиков, регистров и других устройств. При определенном переключении входов JK-триггеры могут работать как RS-триггеры, D- триггеры и Т-триггеры. Благодаря такой универсальности они имеются во всех сериях ИМС.

Порядок выполнения работы

Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П2, технологические карты II-1 − II-4.

1. Выделите в схеме триггер.

2. Выполните для каждой схемы следующие задания:

а) запишите название триггера,

б) составьте таблицу изменений состояний в зависимости от входных сигналов, активные сигналы обозначайте стрелкой ( - высокий уровень – логическая единица, ¯ - низкий уровень – логический ноль),

в) определите тип входа (R или S), укажите эти обозначения в таблице и обозначьте на схеме (для карт II-1 и II-2),

г) обозначьте режимы работы триггера,

д) составьте временную диаграмму состояний триггера.

HL1	HL2	x1	x2	y1	y2	Режим работы

Триггер ______________________________________________________

HL1	HL2	x1	x2	y1	y2	Режим работы

Триггер ______________________________________________________

HL1	HL2	HL3	HL4	Режим работы

Триггер ______________________________________________________

D	C	HL1	HL2	Режим работы

Вопросы к зачету

1. Что такое триггер?

2. Объясните назначение входов триггеров.

3. Что такое активный уровень сигнала?

4. В чем отличие синхронных от асинхронных триггеров?

5. Объясните характер «запрещенного» состояния в RS-триггере.

6. Расскажите по диаграмме о состоянии триггера в каждый такт работы.

7. По маркировке интегральных микросхем, расположенных на используемой плате, дайте их характеристику.

Лабораторная работа № 3.

Общие сведения

Регистр – это операционный узел, состоящий из триггеров и предназначенный для приема и хранения информации в двоичном коде . Длина кодовых слов, записываемых в регистр, зависит от количества составляющих его триггерных ячеек. Т.к. триггер может принимать в данное время только одно устойчивое состояние, то, к примеру, для записи 4-разрядного слова необходимо иметь регистр из четырех триггерных ячеек.

По способу записи кодовых слов различают параллельные, последовательные (сдвигающие) и универсальные регистры. В параллельных регистрах запись кодового слова осуществляется в параллельной форме, т.е. во все триггерные ячейки одновременно. В последовательном регистре запись кодового слова происходит последовательно, начиная с младшего или старшего разряда.

Все триггеры, входящие в состав регистра, объединены общим входом синхронизации, некоторые типы схем имеют общий вход R для операции обнуления.

Параллельный 3-разрядный регистр
Информация поступает в виде параллельного кода. Входы обозначим X, Y, Z. На тактовые входы всех триггеров одновременно подается логический сигнал C (команда «запись»). Во время фронта импульса C срабатывают все триггеры. Информация хранится в параллельном регистре в виде параллельного кода и может быть считана с выходов триггеров: Q1,Q2,Q3.
Последовательный 3-разрядный регистр
Записываемое число поступает на один вход Х в виде последовательного кода, т.е. значения разрядов передаются последовательно. При поступлении каждого импульса С в момент его фронта в каждом триггере записывается значение логического сигнала на его входе.

Порядок выполнения работы

Оборудование: стенд универсальный, блок питания, платы П2, П3, перемычка, технологические карты II-5, II-6, III-1, III-2.

1. Запишите название устройства с указанием его разрядности.

2. Проанализируйте работу двухразрядных регистров.

3. Выполните для каждой схемы следующие задания:

а) запишите название регистра,

б) запишите в регистр несколько различных кодовых слов, результаты внесите в таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов,

в) нарисуйте условное обозначение устройства,

II-5 (П2)

Выходы D2 D1 Q2 Q1

II-6 (П2)

_______________________________________________________________

Выходы D Q2 Q1

Вывод: ________________________________________________________

________________________________________________________

4. Для четырехразрядных регистров выполните задания:

а) запишите название регистра с указанием его разрядности,

б) зарисуйте внутреннюю логическую структуру,

в) запишите в регистр несколько различных кодовых слов, результаты внесите в таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов,

г) сделайте вывод: за сколько тактов записывается в данном регистре одно кодовое слово.

III-1 (П3)

_______________________________________________________________

Вход	Выходы
D	Q4	Q3	Q2	Q1

Вход	Выходы
D	Q4	Q3	Q2	Q1

Вывод: _________________________________________________________

_________________________________________________________

III-2 (П3)

_______________________________________________________________

Входы	Выходы
D4	D3	D2	D1	Q4	Q3	Q2	Q1

Вывод: ___________________________

___________________________

Вопросы к зачету

1. Какое устройство называется регистром? Для чего он предназначен?

2. Какие типы регистров знаете? Чем они различаются?

3. Объясните понятие «разрядность». Что означает выражение «4-разрядный регистр»?

4. Каким образом необходимо изменить функциональную схему, чтобы из двухразрядного регистра получить четырехразрядный?

5. Сколько разных слов можно записать с помощью 2- (4-) разрядного регистра?

6. Объясните на каждой функциональной схеме, как вы осуществляли запись кодового слова?

Лабораторная работа № 4.

Общие сведения

Комбинационные преобразователи кодов предназначены для преобразования m-элементного параллельного кода на входах цифрового автомата в n-элементный код на его выходах, т.е. для преобразования кодового слова из одной формы в другую. Связь между входными и выходными данными можно задать с помощью логических функций или таблиц истинности. Наиболее распространены такие типы преобразователей кодов, как шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры.

Шифраторы используются в системах ввода информации для перевода единичного сигнала на одном из его входов в многоразрядный двоичный код на выходах. Так, сигнал от каждой клавиши на клавиатуре, обозначающей цифру или букву, поступает на соответствующий вход шифратора, а на его выходе этот символ отображается в двоичного кодового слова. Дешифраторы выполняют обратную операцию и используются в системах вывода информации. Для визуальной оценки выведенной информации дешифраторы используют вместе с системами индикации. Одним из типов индикаторов являются 7-сегментные индикаторы на светодиодах или жидких кристаллах. Для этого выходные сигналы дешифратора переводятся в код 7-сегментного индикатора.

Мультиплексоры решают задачу выбора информации от нескольких источников, демультиплексоры – задачу распределения информации по нескольким приемникам. Эти устройства используются в процессорных системах цифровой техники для связи отдельных блоков процессора между собой.

Порядок выполнения работы

Оборудование: стенд универсальный, блок питания, плата П4, технологические карты IV-1, IV-2, IV-3.

1. Проанализируйте работу дешифратора.

2. Выполните для схем IV-1 и IV-2 следующие задания:

а) составьте таблицу зависимости выходных состояний от входных сигналов,

б) сделайте вывод: из какой системы кодирования в какую устройство переводит?

в) сколько разрядов имеет двоичное число в схеме IV-2? Какую задачу выполняет тумблер SA5?

Мультиплексор

3. Проанализируйте работу схемы, содержащей мультиплексор и выполните задания:

а) найдите на схеме мультиплексор,

б) проверьте, откуда информация поступает на входы мультиплексора,

в) проверьте, с помощью какого устройства задается адрес мультиплексору,

г) задайте мультиплексору адрес того информационного входа, сигнал с которого вы хотите послать на его выход,

д) заполните таблицу зависимости выходного сигнала от входной информации и заданного мультиплексору адреса, вводя различные адреса и подавая различную информацию на входы.