Выбор и обоснование структурной схемы лабораторного стенда

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

. Выбор и обоснование структурной схемы лабораторного макета

Выбор исследуемых параметров

Выбор структурной схемы

. Разработка функциональной схемы лабораторного макета

Состав макета

Выбор элементной базы макета

3. Расчет электрических параметров схемы макета

. Разработка принципиальной схемы лабораторного макета

RS-триггер на дискретных элементах (транзисторах)

Асинхронный RS-триггер на логических элементах

Синхронный RS-триггер на логических элементах

Асинхронный RS-триггер на интегральных микросхемах

. Конструкция макета

. Разработка основных положений методических указаний для проведения лабораторной работы

Общие положения

Описание лабораторного макета

Порядок проведения работы

Заключение

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В одном из них на выходе триггера присутствует высокий потенциал, в другом - низкий. Аналогично мультивибратору, переход триггера из одного состояние в другое происходит лавинообразно, но только с приходом переключающего (запускающего) сигнала.

По принципу действия триггер напоминает взведенную пружину, которая спускается внешней силой. Отсюда еще одно название триггера - спусковое устройство.

В интервале между переключающими сигналами состояние триггера не меняется, т.е. триггер "запоминает" поступление сигнала, отражая это величиной потенциала на выходе. Это дает возможность использовать триггер как элемент памяти. Если совокупность триггеров установить в одинаковое (исходное) состояние, а затем на каждый триггер подать сигнал, соответствующий элементу цифрового кода, то на выходах триггеров установятся и могут неограниченно долго присутствовать потенциалы, представляющие этот код в параллельной форме.

При переключении триггера потенциалы на его выходе меняются лавинообразно, т.е. на выходе формируется прямоугольный импульс с крутыми фронтами. Это позволяет использовать триггер для формирования прямоугольных импульсов из напряжения другой формы (например, синусоидальной).

При поступлении каждой пары переключающих импульсов потенциал на выходе триггера меняется от высокого к низкому и обратно, т.е. на выходе формируется один импульс. Таким образом, триггер можно использовать как делитель частоты переключающих сигналов на два.

Триггеры бывают асинхронными (нетактируемыми) и синхронными (тактируемыми). Асинхронный триггер имеет лишь информационные входы, сигнал на которых с момента их появления определяют состояние триггера. Синхронный триггер кроме информационных входов имеет синхронизирующий (тактирующий, тактовый, разрешающий) вход; сигналы на информационных входах воздействуют на такой триггер только при наличии сигнала на синхронизирующем входе.

Целью же данного курсового проекта является разработка лабораторного стенда для изучения работы таких устройств, как RS-триггеры. Такое устройство имеет два входа R (Reset - сброс) и S (Set - установка) и два выхода: "прямой" - Q и "инверсный" - Q.

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Выбор структурной схемы

Для работы всего лабораторного стенда необходимо включить в схему макета блок питания, т.к. и дискретные элементы, и интегральные микросхемы не могут напрямую работать с напряжением сети 220В как с напряжением питания.

Т.к. для исследования работоспособности триггера нам необходимо подавать на его входы различные комбинации логических сигналов, то в схему лабораторного стенда обязательно необходимо включить задатчики уровней логических сигналов. С их помощью мы сможем подать на входы триггера логические сигналы и построить таблицу истинности либо описать работу триггера с помощью временных диаграмм.

Поскольку по заданию нам необходимо исследовать как асинхронные, так и тактируемые триггеры, то целесообразно включить в схему макета простой тактовый генератор. Этот генератор должен вырабатывать прямоугольные импульсы для подачи их на тактовый вход триггера с целью облегчения наблюдения за работой устройства.

Кроме того, для наблюдения за состояниями выходов триггера и задаваемых уровней логических сигналов необходимо включить в макет блок индикационных устройств.

Таким образом, примерная структурная схема макета может иметь вид, показанный на рис.1.

 

Рисунок 1.1 - Структурная схема лабораторного макета

Состав макета

В задании на данный курсовой проект не указана необходимость разработки принципиальных схем тактового генератора, блока питания, задатчика уровня логических сигналов и блока индикации. Поэтому данные устройства можно взять стандартными.

Поскольку уровни входных сигналов для триггеров, точнее для элементов, на которых они построены, не превышают 5В, то блок питания для макета целесообразно взять на 5В. Этот выбор можно обосновать тем, что для подачи сигналов на входы триггеров не придется прибегать к применению элементов снижающих напряжение, поступающее от блока питания на входы.

Исходя из вышесказанного, блок задатчика уровней логических сигналов можно реализовать на нескольких тумблерах и логических элементах непосредственно на макете, а не прибегать к использованию внешних источников с различными уровнями выходных сигналов.

Кроме того, тактовый генератор тоже целесообразно выполнить на самом макете при помощи мультивибратора. Он должен генерировать прямоугольные импульсы с довольно низкой частотой (например, 1-5 Гц), т.к. более высокие частоты будет трудно различить не вооруженным глазом.

Блок индикации можно реализовать на светодиодах, установленных непосредственно на значимых выходах соответствующих триггеров, либо выделить их в отдельную линейку, к которой при помощи проводов с разъемами подключать выходы исследуемых устройств.

Коммутацию отдельных элементов при исследовании триггеров на логических элементах и интегральных микросхемах целесообразно выполнять при помощи проводов с разъемами. Их также можно использовать для подачи сигналов на исследуемое устройство от задатчика уровней логических сигналов и тактового генератора.

Согласно заданию для проекта, макет также должен содержать схемы для исследования работоспособности RS-триггеров на дискретных элементах (транзисторах), синхронного и асинхронного триггера на логических элементах (ЛЭ) и асинхронного триггера на интегральных микросхемах (ИМС).

Таким образом, функциональная схема лабораторного макета будет иметь вид, показанный на рис. 2.1.

 

Рисунок 2.1 - Функциональная схема лабораторного макета

 

КР1533ЛА3.

В состав микросхемы входят четыре двух входовых элемента И-НЕ. Функциональная схема и номенклатура выводов микросхемы приведены на рис. 2.2.

КР1533ЛЕ1.

В состав микросхемы входят четыре двух входовых элемента ИЛИ-НЕ. Функциональная схема и номенклатура выводов микросхемы приведены на рис. 2.3.

Они понадобятся для построения одноступенчатых триггеров на базе логических элементов.

Рисунок 2.2 - Функциональная схема микросхемы КР1533ЛА3

электрический дискретный транзистор триггер

Рисунок 2.3 - Функциональная схема микросхемы КР1533ЛЕ1

 

КР1533ТР2.

В состав микросхемы входят четыре RS-триггера. Функциональная схема и номенклатура выводов микросхемы приведены на рис. 2.4.

Эта микросхема понадобится для построения асинхронного триггера на ИМС.

 

Рисунок 2.4 - Функциональная схема микросхемы КР1533ТР2

КР1533ЛН1.

В состав микросхемы входят шесть инверторов. Функциональная схема и номенклатура выводов микросхемы приведены на рис. 2.5.

Эта микросхема необходима для построения двухступенчатого синхронного триггера на логических элементах.

 

Рисунок 2.5 - Функциональная схема микросхемы КР1533ЛН1

 

КОНСТРУКЦИЯ МАКЕТА

На основании структурной схемы лабораторного макета, показанной на рис. 1.1, а также разработанной принципиальной схемы макета можно схематически представить вид передней панели макета.

Детальная схема расположения основных устройств на панели макета будет приведена в графической части проекта.

 

Рисунок 5.1 - Вид передней панели лабораторного макета

 

Общие положения

 

Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В одном из них на выходе триггера присутствует высокий потенциал, в другом - низкий. Аналогично мультивибратору, переход триггера из одного состояние в другое происходит лавинообразно, но только с приходом переключающего (запускающего) сигнала.

При переключении триггера потенциалы на его выходе меняются лавинообразно, т.е. на выходе формируется прямоугольный импульс с крутыми фронтами. Это позволяет использовать триггер для формирования прямоугольных импульсов из напряжения другой формы (например, синусоидальной).

Триггеры бывают асинхронными (нетактируемыми) и синхронными (тактируемыми). Асинхронный триггер имеет лишь информационные входы, сигнал на которых с момента их появления определяют состояние триггера. Синхронный триггер кроме информационных входов имеет синхронизирующий (тактирующий, тактовый, разрешающий) вход; сигналы на информационных входах воздействуют на такой триггер только при наличии сигнала на синхронизирующем входе.

Работу любого триггера всегда рассматривают относительно прямого выхода Q. Т.е. исследуют состояние этого выхода при подаче на входы логических сигналов различных уровней. Такими сигналами являются логический нуль - "0" и логическая единица - "1". Зависимость состояния выхода Q от комбинации логических сигналов на входах легче всего показать в виде таблицы. Такую таблицу называют таблицей истинности. В эту таблицу заносятся все возможные комбинации логических сигналов на входе триггера и соответствующее им состояние выхода Q (иногда и Q).

Кроме того, работу триггера можно также описать временными диаграммами. На эти диаграммы наносятся условно подаваемые на вход сигналы, распределенные во времени, и на их основе строится временная диаграмма, соответствующая состоянию выхода Q. Иногда, например, при испытаниях двухступенчатых триггеров, на диаграммы наносится также и состояние инверсного выхода триггера.

RS- триггер на транзисторах

 

 

Напряжение, запирающее транзистор, можно получать не от специального источника, а с резистора R_Э в общей эмиттерной цепи (см. рис.). Действительно, ток открытого транзистора создает на этом резисторе напряжение, которое через резистор R_Б прикладывается между базой и эмиттером другого транзистора, запирая его. Чтобы устранить отрицательную обратную связь во время формирования фронтов импульсов, резистор R_Э шунтируют конденсатором C_Э.

В рассматриваемой схеме потенциал эмиттера U_Э через насыщенный транзистор передается его коллектору. Вследствие этого потенциал коллектора меняется от u_К ≈ - Е_К (транзистор заперт) до u_К ≈ - U_Э (транзистор открыт).В результате амплитуда формируемого импульса U_m = Е_К - U_Э, что меньше амплитуды импульса U_m ≈ Е_К на выходе схемы.

Триггер имеет два выхода. Потенциалы на них взаимно инвертированы: высокий потенциал на одном выходе соответствует низкому потенциалу на другом. Один выход называют прямым (его обычно обозначают Q или Р), другой - инверсным (обозначают Q или Р).

 

 

О состоянии триггера судят по состоянию его прямого выхода. Если на нем установился высокий потенциал, кодируемый логической единицей, то говорят, что триггер находится в единичном состоянии, и часто обозначают это как Q=1 (или Р=1). Один вход, по которому запускающий импульс переключает триггер в состояние Q=1, называют входом установки триггера в единицу и обозначают S. Другой называют входом установки триггера в нуль и обозначают R. Входы S и R являются информационными: через них в триггер поступает информация, выраженная наличием или отсутствием переключающего сигнала.

Триггер такого типа называют триггером с установочными входами или RS -триггером. Условное графическое обозначение (УГО) его приведено ниже

 

 

В рассмотренном триггере сигналы на входах продолжают воздействовать на его элементы после переключения триггера; такие входы называют статическими. После переключения других типов триггеров такое воздействие (за счет конструктивных особенностей внутренней структуры) прекращается; в этом случае входы называют динамическими и обозначают их косой черточкой.

Порядок выполнения работы

Опыт 1.

1. Собрать схему транзисторного RS-триггера, предварительно отключив питание макета.

2. Подключить выходы триггера к индикационному табло.

.   Подавая на входы триггера сигналы с задатчика уровней сигналов получить таблицу истинности данного триггера.

.   Построить временную диаграмму работы триггера, получив задание у преподавателя.

Опыт 2.

1. Собрать схему асинхронного триггера на элементах ИЛИ-НЕ

2. Повторить действия 2-4 из опыта 1.

Опыт 3.

1. Собрать схему асинхронного триггера на элементах И-НЕ

2. Повторить действия 2-4 из опыта 1.

Опыт 4.

1. Собрать схему одноступенчатого синхронного триггера на элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ

2. Повторить действия 2-4 из опыта 1.

Опыт 5.

1. Собрать схему одноступенчатого синхронного триггера на элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ

2. Повторить действия 2-4 из опыта 1.

Опыт 6.

. Произвести проверку работоспособности интегрального триггера.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе проведенного проектирования был разработан лабораторный макет для проведения лабораторных работ по предмету "Элементы и устройства ЭВТ". В состав макета входит довольно широкий набор исследуемых устройств, что позволяет досконально изучить большинство распространенных видов RS-триггеров. По каждому виду триггеров были приведены подробные описания их функционирования, приведены схемы включения, временные диаграммы работы и таблицы истинности.

Также были разработаны методические указания к проведению лабораторной работы по исследованию различных видов RS-триггеров, даны подробные сведения по каждому из проводимых опытов.

В графической части проекта приведены принципиальная схема, а также чертеж передней панели макета.

Таким образом, в целом, данный проект полностью удовлетворяет заданию на курсовое проектирование.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника - М.: Высшая школа, 2003, 320 с.

2. Мальцева Л.А. и др. Основы цифровой техники - М.: Радио и связь, 1987, 128 с.

.   Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики - М.: Энергоатомиздат, 1988, 320 с.

.   Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на ИМС: Справочник - М.: Радио и связь, 1990, 304 с.

.   Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник - М.: Радио и связь, 1989, 352 с.

.   Конспект лекций по предмету "Элементы и устройства вычислительной техники и связи"

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

. Выбор и обоснование структурной схемы лабораторного макета

Выбор исследуемых параметров

Выбор структурной схемы

. Разработка функциональной схемы лабораторного макета

Состав макета

Выбор элементной базы макета

3. Расчет электрических параметров схемы макета

. Разработка принципиальной схемы лабораторного макета

RS-триггер на дискретных элементах (транзисторах)

Асинхронный RS-триггер на логических элементах

Синхронный RS-триггер на логических элементах

Асинхронный RS-триггер на интегральных микросхемах

. Конструкция макета

. Разработка основных положений методических указаний для проведения лабораторной работы

Общие положения

Описание лабораторного макета

Порядок проведения работы

Заключение

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В одном из них на выходе триггера присутствует высокий потенциал, в другом - низкий. Аналогично мультивибратору, переход триггера из одного состояние в другое происходит лавинообразно, но только с приходом переключающего (запускающего) сигнала.

По принципу действия триггер напоминает взведенную пружину, которая спускается внешней силой. Отсюда еще одно название триггера - спусковое устройство.

В интервале между переключающими сигналами состояние триггера не меняется, т.е. триггер "запоминает" поступление сигнала, отражая это величиной потенциала на выходе. Это дает возможность использовать триггер как элемент памяти. Если совокупность триггеров установить в одинаковое (исходное) состояние, а затем на каждый триггер подать сигнал, соответствующий элементу цифрового кода, то на выходах триггеров установятся и могут неограниченно долго присутствовать потенциалы, представляющие этот код в параллельной форме.

При переключении триггера потенциалы на его выходе меняются лавинообразно, т.е. на выходе формируется прямоугольный импульс с крутыми фронтами. Это позволяет использовать триггер для формирования прямоугольных импульсов из напряжения другой формы (например, синусоидальной).

При поступлении каждой пары переключающих импульсов потенциал на выходе триггера меняется от высокого к низкому и обратно, т.е. на выходе формируется один импульс. Таким образом, триггер можно использовать как делитель частоты переключающих сигналов на два.

Триггеры бывают асинхронными (нетактируемыми) и синхронными (тактируемыми). Асинхронный триггер имеет лишь информационные входы, сигнал на которых с момента их появления определяют состояние триггера. Синхронный триггер кроме информационных входов имеет синхронизирующий (тактирующий, тактовый, разрешающий) вход; сигналы на информационных входах воздействуют на такой триггер только при наличии сигнала на синхронизирующем входе.

Целью же данного курсового проекта является разработка лабораторного стенда для изучения работы таких устройств, как RS-триггеры. Такое устройство имеет два входа R (Reset - сброс) и S (Set - установка) и два выхода: "прямой" - Q и "инверсный" - Q.

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА