Исследование работы основных логических элементов

Е.Н. Малышева

 

 

Основы

Микроэлектроники

Лабораторный практикум

 

Тобольск - 2012

УДК 621.3.049.77

ББК 32.844.1

Г 82

 

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.

 

Настоящее учебное пособие рекомендовано студентам педагогических вузов при выполнении лабораторного практикума по основам микроэлектроники.

 

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

 

© Малышева Е.Н, 2012

© ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2012
Пояснительная записка

 

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.

Содержание рабочей тетради составляет девять лабораторных работ:

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

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

A	X

 

 

Логический элемент ИЛИ

Предназначен для выполнения функции логического сложения (дизъюнкции). Логическим сложением называют такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X ложно лишь в том случае, когда одновременно ложны оба высказывания.

A	B	X

 

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.

A	B	X

 

Логический элемент ИЛИ-НЕ

Предназначен для выполнения функции отрицания логического сложения (отрицания дизъюнкции). Отрицание дизъюнкции или функция Пирса осуществляет такую связь между двумя простыми высказываниями A и B, в результате которой сложное высказывание X истинно лишь в том случае, когда одновременно ложны оба высказывания.

A	B	X

 

 

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.

A B X

Логический элемент «Исключающее ИЛИ»

Исключающее ИЛИ (сумматор по модулю 2) осуществляет такую связь между двумя простыми высказываниями А и В, в результате которой сложное высказывание X ложно в тех случаях, когда оба высказывания имеют одинаковое значение истинности или ложности.

A	B	X

 

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.

I-1

x1 x2 y

Автомат	Функция	Формула
D2.1

I-2

x1 x2 y1 y2

Автомат	Функция	Формула
D2.1
D2.2

I-3

x1 x2 y

Автомат	Функция	Формула
D1.1

I-4

x1 x2 y1 y2

Автомат	Функция	Формула
D1.1
D1.2

I-5

x1 x2 y

Автомат	Функция	Формула
D3.1

I-6

x1 x2 y1 y2

Автомат	Функция	Формула
D3.1
D2.3

I-7

x1 x2 y1 x3 y2

Автомат	Функция	Формула
D3.1
D3.2

I-8

x1	x2	y1	x3	x4	y2	y3

Автомат	Функция	Формула
D3.1
D3.3
D1.4

I-9

Автомат	Функция	Формула
D1.1
D2.1
D2.2
D1.3

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.

 

RS-триггер	Схема	Обозначение	Активный сигнал
на элементах «ИЛИ-НЕ»
на элементах «И-НЕ»

 

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.

II-1

Триггер ______________________________________________________

 

HL1	HL2	x1	x2	y1	y2	Режим работы

II-2

Триггер ______________________________________________________

 

 

HL1	HL2	x1	x2	y1	y2	Режим работы

II-3

Триггер ______________________________________________________

HL1	HL2			HL3	HL4	Режим работы

II-4

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,

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

II-5 (П2)

_______________________________________________________________

Входы	Условное обозначение Выходы
D2	D1	Q2	Q1

 

 

Вывод: _________________________________________________________

 

_________________________________________________________

 

II-6 (П2)

_______________________________________________________________

 

 

Вход	Условное обозначение 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?

IV-1

IV-2

IV-3

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.

Адрес

№ D-входа, соеди-нившегося с выходом

Входная информация

Выход Y

А2

А1

А0

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

 

 

Вопросы к зачету

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

2. Какое устройство называется мультиплексором? Для чего он предназначен?

3. Какие тип индикации используется в схеме IV-2?

4. Что означает выражение «двоичная система кодирования информации» (десятичная, шестьнадцатиричная)?