Дослідження роботи логічних елементів і найпростіших комбінаційних схем

Ціль роботи - ознайомлення з основними характеристиками найпростіших логічних елементів, виконаних у вигляді мікросхем, основами синтезу складних логічних функцій, придбання навиків і досвіду перевірки працездатності схеми, що досліджується. В програму роботи входить дослідження роботи логічних елементів "І", "АБО", "НЕ", "І-НЕ", "АБО-НЕ", "виключне АБО", а також найпростіших комбінаційних схем відповідно до заданої таблиці істинності.

 

Теоретичні відомості

Докладний опис принципу роботи логічних елементів на мікросхемах приведено у книгах [3, 4, 6, 7]. Будь-який цифровий прилад реалізує деяку логічну функцію. Для того, щоб такий прилад збудувати, необхідно заздалегідь задати функцію в зручному для побудови вигляді. Існує три способи задання логічних функцій: словесний, табличний та аналітичний.

При словесному способі функція визначається словами, наприклад: якщо будь-які два аргументи дорівнюють 1, то і функція дорівнює 1, в усіх інших випадках функція дорівнює 0.

Таблиця істинності, яку складають, користуючись словесним описом, становить табличний спосіб задання.

Аналітичний спосіб складається з запису логічної функції у вигляді рівняння, по якому будують цифрову схему, використовуючи логічні елементи.

Таким чином, логічний елемент - це електрона схема, що реалізує певну логічну функцію. Сукупність логічних елементів, призначених для перетворення двійкових змінних, називається логічною схемою. Логічні схеми поділяються на комбінаційні і послідовні.

Комбінаційною прийнято називати схему з N входами та одним чи М виходами, у якої вихідні (вихідний) сигнали в заданий момент часу цілком визначаються сукупністю вхідних сигналів, діючих в даний момент часу.

Послідовною називають схему, у якої вихідні сигнали в даний момент часу залежать від станів вхідних сигналів в даний та попередній моменти часу. Послідовні схеми містять елементи пам'яті та різноманітні регістри.

При виконанні лабораторної роботи досліджуються комбінаційні логічні схеми.

Основними логічними елементами є елементи, що реалізують функції двох змінних - логічні елементи "I" (кон'юнктор), "АБО" (диз'юнктор), а також логічний елемент для функції однієї змінної "НЕ" (інвертор). Існують також більш складні логічні елементи, що називаються базовими, на основі яких також можна збудувати будь-яку цифрову схему. Найбільш часто у вигляді базових використовують елементи "І-НЕ" та "АБО-НЕ". Елемент "I-НЕ" реалізує функцію Шеффера і використовується при побудові інтегральних мікросхем ТТЛ структури (транзисторно-транзисторна логіка). Елемент "АБО-НЕ" - в інтегральних мікросхемах КМОН структури (комплементарні транзистори зі структурою метал-окис-напівпровідник).

Лабораторний стенд призначений для дослідження цифрових мікросхем ТТЛ структури. Тому структура всіх логічних елементів, наведених на рис. 1.1-1.6, виконана на основі логічних елементів І-НЕ.

 

 

Рисунок 1.1 – Елемент «І-НЕ» (функція Шеффера)

 

 

Рисунок 1.2 – Елемент «І» (кон’юктор)

 

 

Рисунок 1.3 – Елемент «АБО» (діз’юнктор)

 

 

Рисунок 1.4 – Елемент «НЕ» (інвертор)

 

 

Рисунок 1.5 – Елемент «виключне АБО» (суматор по модулю 2)

 

 

 

Рисунок 1.6 – Елемент «АБО-НЕ»

 

При виконанні лабораторної роботи необхідно розробити комбінаційну логічну схему по заданим умовам роботи. Нижче наводяться тексти завдань та приклад рішення однієї із них.

 

Завдання 1

 

Прилад автоматичного управління складається з 3-х незалежних ідентичних блоків з датчиками контролю працездатності кожного з них і автомату аварійного переключення. Датчики контролю видають високий рівень напруги при справному блоці і нульовий при пошкодженому.

Автомат аварійного переключення не вмикається, якщо три датчики, чи будь-які два із трьох, дають високий рівень напруги. В інших випадках автомат переключення переходить в аварійний режим. Збудувати логічну схему автомату переключення.

 

Завдання 2

 

Збудувати автомат для суддівства змагань по штанзі. Оцінюють змагання троє суддів. Вага вважається узятою, якщо всі троє суддів чи будь-які два із трьох вважають вагу взятою. У кожного із суддів існує своя кнопка управління, з'єднана з логічним автоматом. Збудувати схему логічного автомату.

 

Рішення завдання 1

 

1. Складемо таблицю істинності роботи автомату аварійного переключення. Позначимо датчики контролю працездатності блоків через X1, Х2, Х3, вихід автомату через Y (Табл. 1.1).

 

Таблиця 1.1 – Таблиця істинності

 

№ п/п	XI	Х2	Х3	Y

 

 

Складемо логічне рівняння в досконалій диз'юнктивній нормальній формі:

 

Y = Х1Х2Х3 + Х1Х2Х3 + Х1Х2Х3 + Х1Х2Х3

(1.1)

 

Мінімізуємо отримане рівняння за допомогою карт Карно (рис. 1.7.).

 

 

Рисунок 1.7 – Карта Карно

 

Отримаємо наступне логічне рівняння:

 

Y = X1X2 + Х2Х3 + Х1Х3

(1.2)

.

 

Переведемо рівняння до базису елементів І-НЕ:

 

Y = Х1Х2 + Х2Х3 + Х1Х3 = Х1Х2 + Х2Х3 + Х1Х3 = Х1Х2 • Х2Х3 • Х1Х3.

(1.3)

 

Відповідно до одержаного рівняння будуємо комбінаційну логічну схему автомата (рис. 1.8).

 

 

 

Рисунок 1.8 – Автомат аварійного переключення

 

Завдання і порядок виконання роботи

1. Вивчити основи алгебри логіки та роботу логічних елементів, що реалізують функції однієї та двох змінних (нульова, інверсія, повторення, одинична, "І", "АБО", "НЕ", "І-НЕ", "АБО-НЕ", "логічна нерівнозначність", "заборона по X1"). Для кожної з функцій скласти таблицю істинності, логічне рівняння, привести умовне графічне зображення відповідного елементу. Привести кожне з вихідних логічних рівнянь від базису елементів "І", "АБО", "НЕ", до базису елементів "І-НЕ". Збудувати по приведеним логічним рівнянням основні логічні елементи з базових "І-НЕ", існуючих на стенді.

По зазначеній викладачем таблиці істинності скласти комбінаційну схему на елементах "І", "АБО", "НЕ", а після цього збудувати схему, що реалізує ту ж функцію, на елементах І-НЕ.

2. Відповідно до умови завдання, визначеної викладачем, скласти таблицю істинності, логічне рівняння, мінімізувати його та збудувати комбінаційну схему автомата на логічних елементах "І-НЕ".

3. З елементів, існуючих на стенді, зібрати послідовно схеми логічних елементів (І, НЕ, І-НЕ, АБО-НЕ, логічна нерівнозначність). Подати на входи зібраних логічних елементів вхідні рівні напруг (0 та 1) і по вихідним напругам збудувати таблиці істинності, порівняти з таблицями істинності, одержаними при підготовці до проведення роботи. Збудувати таблицю істинності чотирьохвходового елементу DD10 і логічне рівняння. Із логічних елементів, існуючих на стенді, зібрати схему логічного елементу, що виконує такі ж функції, як і елемент DD10.

Користуючись довідником по інтегральним схемам, вивчити паспортні дані відповідних мікросхем і проставити номери виводів мікросхем на складених схемах логічних елементів.

4. Зібрати комбінаційну схему логічного автомату згідно одержаного завдання з логічних елементів, існуючих на стенді. Подати на входи зібраної схеми відповідні вхідні сигнали та переконатись в правильності її роботи.

Зміст звіту

У звіті повинні бути представлені схеми та умовні позначення елементів, що досліджуються, таблиці їх станів, які ілюструють їх роботу, виміряні параметри, результати досліджень, висновки.

 

 

 

Лабораторна робота №2

Дослідження роботи тригерів

 

Ціль роботи - вивчення принципів роботи, засобу синтезу тригерів, виконаних на основі інтегральних мікросхем малого та середнього ступеня інтеграції, придбання навиків та уміння налагодження та перевірки працездатності схеми, що досліджується.

 

Теоретичні відомості

Теоретичні відомості приведені в літературі [1, 2, 6, 7]. На рис. 2.1 - 2.4 показані умовні позначення тригерів та схеми для їх реалізації на логічних елементах "І-НЕ". На рис. 2.1 зображений RS-тригер з інверсними входами. Вихідний стан входів тригера в режимі збереження інформації відповідають рівню логічної одиниці. Для переключення тригера в одиничний стан необхідно короткочасно з'єднати вхід S тригера з нульовою шиною стенду. Для переключення тригера в нульовий стан необхідно короткочасно з'єднати вхід R з нульовою шиною стенду. При цьому вхід S тригера повинен мати потенціал логічної 1.

 

 

Рисунок 2.1 – RS – тригер з інверсними входами

 

Стан, при якому на обидва входи такого тригера подається рівень логічного нуля, є забороненим. При такому стані на обох виходах тригера з'явитися рівень логічної одиниці.

На рис. 2.2 зображений RS-тригер з прямими входами. Стан входів у режимі збереження - рівні логічного нуля. Керуючі інформаційні сигнали повинні мати рівень логічної одиниці.

 

 

 

Рисунок 2.2 – RS-тригер з прямими входами

 

На рис. 2.3 зображена схема тактувального RS-тригера з прямими входами. Інформація в такий тригер заноситься шляхом подачі рівнів логічної одиниці на один із входів S або R та наступної подачі на тактувальний вхід С рівня логічної одиниці. При рівні логічного нуля на вході С тригер зберігає попередню інформацію і стан входів на його роботу не впливає.

 

 

Рисунок 2.3 – RS – тригер з прямими входами

 

На рис. 2.4 зображена схема потенційного D-тригера. Інформація, подана на вхід D (логічний 0 або логічна 1), буде записана в тригер після подачі рівня логічної одиниці на вхід С.

 

 

Рисунок 2.4 – D -тригер

 

На лицьовій панелі стенду зображені мікросхеми DD6 - DD9, що представляють динамічні D-тригери. Інформація в такий тригер заноситься шляхом подачі на інформаційний вхід D з наступною подачею тактувального імпульсу на вхід С. Запис інформації в такий тригер здійснюється по передньому фронту тактувального імпульсу. Входи R і S такого тригера є пріоритетними. D-тригер можна використовувати у вигляді інверсного RS-тригера.

Для побудови лічильного Т-тригера на базі D-тригера необхідно його інверсний вихід з'єднати з D-входом. На вхід С при цьому подаються імпульси лічби.

 

Завдання порядок виконання роботи

 

1. Вивчити роботу тригерів на логічних елементах. З існуючих на стенді логічних елементів скласти схеми тригерів, що досліджуються. Користуючись довідником по інтегральним мікросхемам (7), проставити номери виводів мікросхем на складених схемах тригерів. Зобразити часові діаграми роботи тригерів і скласти відповідні їм таблиці станів.

2. Зібрати послідовно схеми тригерів. Подати на їх входи відповідні інформаційні та керуючі сигнали. По результатам досліджень замалювати одержані часові діаграми і порівняти їх з раніше складеними при підготовці до роботи.

3. Вивчити роботу тригерів на інтегральних схемах. Користуючись довідником (7), замалювати їх схеми, умовні позначки і таблиці станів. Зобразити часові діаграми роботи тригерів відповідно до таблиці станів.

Подати на входи тригерів відповідні інформаційні та керуючі сигнали. По результатам досліджень замалювати одержані часові діаграми і порівняти їх з раніше складеними при підготовці до роботи.

Визначити час переключення тригерів. Для цього необхідно:

- з'єднати вхід зовнішньої синхронізації осцилографа з відповідним входом тригера;

- переключити осцилограф у режим зовнішньої синхронізації, установити перемикач час/поділка в положення (0.2... 0.05) мкс/поділка та добитися появи непорушного зображення вхідного сигналу;

- підключити вхід осцилографа до виходу тригера, визначити затримку розповсюдження логічного сигналу по зміщенню зображення вихідного сигналу на екрані осцилографа по відношенню до вхідного сигналу.

Зміст звіту

 

У звіті повинні бути представлені схеми та умовні зображення схем тригерів, що досліджуються, часові діаграми і таблиці станів, що ілюструють їх роботу, виміряні параметри, результати досліджень, висновки.

 

Лабораторна робота №3