Логические функции одной переменной

Инженерно-производственный центр «Учебная техника»

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ

Руководство по выполнению базовых экспериментов

ОЦТ.001 РБЭ (920)

Основы цифровой техники: Руководство по выполнению базовых экспериментов - ОЦТ.001 РБЭ (920) / И.Л. Красногорцев; под ред. П.Н. Сенигова. - Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2006. - 97 с.

Представлены перечни используемой при выполнении базовых экспериментов аппаратуры, схемы электрические соединений, а также указания по проведению базовых экспериментов.

Руководство предназначено для использования при подготовке к проведению лабораторных работ в учреждениях начального, среднего и высшего профессионального образования.

ã ИПЦ «Учебная техника», 2006

Содержание

Содержание.. 3

Введение.. 4

Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах.. 5

1. Описание комплекта типового лабораторного оборудования
«Основы цифровой техники». 6

1.1. Блок испытания цифровых устройств.. 7

1.2. Набор миниблоков.. 9

1.3. Схема электропитания лабораторного оборудования.. 11

2. Тестирование базовых логических элементов.. 12

3. Сборка и тестирование простейших комбинационных узлов
цифровых устройств.. 23

3.1. Комбинационный узел на основе базовых логических элементов
для реализации произвольной логической функции.. 24

3.2. Комбинационные узлы на основе базовых логических элементов
для экспериментального подтверждения законов алгебры логики.. 30

3.3. Одноразрядные полусумматор и сумматор.. 40

3.4. Преобразователь кода и дешифратор.. 46

3.5. Мультиплексор и демультиплексор.. 54

4. Сборка и тестирование последовательностных узлов
цифровых устройств.. 63

4.1. Триггеры... 64

4.2. Счетчики.. 78

4.3. Регистры... 90

Введение

В настоящем руководстве описаны базовые эксперименты, выполняемые с использованием комплекта типового лабораторного оборудования «Основы цифровой техники».

Комплект предназначен для проведения лабораторных работ в учреждениях начального, среднего и высшего профессионального образования

Комплект может быть также использован на семинарах и курсах повышения квалификации инженерно-технического персонала предприятий и организаций.

Аппаратная часть комплекта выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит спроектированные с учебными целями:

- блок испытания цифровых устройств;

- набор миниблоков с логическими элементами;

- однофазный источник питания;

- настольную раму для установки необходимых в экспериментах функциональных блоков.

Питание комплекта осуществляется от однофазной электрической сети напряжением 220 В с нейтральным и защитным проводниками.

Потребляемая мощность, В×А, не более…………………………... 30

Габариты (длина/ ширина / высота), мм………………………..800´300´500

Масса, кг, не более……………………………………………….. 10

Методическая часть комплекта включает настоящее руководство как материалы для подготовки к проведению лабораторных работ.

Комплекту типового лабораторного оборудования «Основы цифровой техники» присущи следующие качества.

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ, которая выражается в возможности воспроизведения не только базовых экспериментов, но и исследования произвольных логических схем.

ГИБКОСТЬ, которая обеспечивается возможностью компоновки требуемой конфигурации комплекта сообразно с задачами каждого конкретного эксперимента.

НАГЛЯДНОСТЬ результатов моделирования, обеспечиваемая подключением индикаторов логических сигналов к любой точке цепи.

НАДЁЖНОСТЬ, достигаемая за счет малой мощности силовых элементов, защиты электрических цепей от перегрузок, коротких замыканий и неумелого обращения.

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ, которая обеспечена выполнением элементов классом защиты от поражения электрическим током I и III, а также применением устройства защитного отключения.

КОМПАКТНОСТЬ, которая обеспечена малой установленной мощностью элементов и использованием только требуемых для данного эксперимента блоков и приборов.

РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ, которая обеспечена установкой исследуемых логических микросхем в панели, позволяющие легко заменить микросхему, в случае выхода ее из строя.

СОВРЕМЕННЫЙ ДИЗАЙН комплекта с учетом требований эргономики, инженерной психологии и эстетики.

Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах

Количество аппаратуры определённых типов, используемой в конкретных экспериментах, приведено в таблице.

Тип аппаратуры	Номер эксперимента
	3.1	3.2	3.3	3.4	3.5	4.1	4.2	4.3
600.11

1. Описание комплекта типового лабораторного оборудования
«Основы цифровой техники»

Комплект типового лабораторного оборудования «Основы цифровой техники» предназначен для приобретения навыков сборки и тестирования комбинационных и последовательностных логических цепей, собранных из стандартных элементов ТТЛ (серий КР1533 или 74ALS).

1.1. Блок испытания цифровых устройств

Блок испытания цифровых устройств включает:

1. Источник питания +5 В / 1 А с защитой от перегрузок и коротких замыканий.

2. Индикатор логических уровней.

3. Источники логических сигналов ТТЛ.

4. Наборное поле с разводкой шин питания.

Образ лицевой панели блока испытания цифровых устройств приведен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Образ лицевой панели блока испытания цифровых устройств.

1.1.1. Источник питания

Источник питания подает напряжения +5 В на индикатор логических уровней, источники логических сигналов ТТЛ и гнезда наборного поля. Установка миниблока в гнезда наборного поля автоматически подключает миниблок к общим шинам питания блока испытания цифровых устройств. При этом сборка логической цепи сводится к соединению выходов и входов логических элементов, источников и индикаторов логических сигналов, уже имеющих общую цепь питания.

Сборку цепей необходимо выполнять при отключенном питании блока испытания цифровых устройств, т. е. при отключенном выключателе 1 («Сеть»). Включать выключатель 1 («Сеть») следует только после сборки и проверки цепи. Если ток нагрузки источника питания превысит 1,3…1,5 А или произойдет короткое замыкание, напряжение питания будет отключено и сработает индикатор перегрузки 2 («I>»). Если после устранения причины перегрузки питание не восстановится автоматически, т. е. не погаснет индикатор 2 («I>»), то необходимо нажать и отпустить кнопку 3.

1.1.2. Индикатор логических уровней

Индикатор логических уровней отображает состояние подключенного к его входу логического сигнала. Для подключения индикатора достаточно одного провода, т. к. он имеет общую цепь питания с остальными частями блока испытания цифровых устройств. Свечение красного светодиода 5 указывает, что входной сигнал соответствует уровню логической 1 (2…5 В для элементов ТТЛ или 3,5…5 В для элементов КМОП). Зеленый светодиод 7 соответствует уровню логического 0 (0…0,8 В для элементов ТТЛ или
0…1,5 В для элементов КМОП). Если светодиоды не светятся, уровень логического сигнала не соответствует ни 0, ни 1. Свечение обеих светодиодов свидетельствует о постоянном переключении сигнала между уровнями 0 и 1. Пороги срабатывания индикаторов (ТТЛ/КМОП) определяются положением переключателя 6.

1.1.3. Источники логических сигналов ТТЛ

Логические сигналы на выходах источников 8, 9 и 10 соответствуют уровням ТТЛ элементов. Источники логических сигналов имеют общую цепь питания с наборным полем и индикатором логических уровней. Поэтому для их подключения достаточно использовать один провод, соединяющий выход источника с входами логических элементов.

Кнопка 8 управляет двумя логическими сигналами, переключающимися в противофазе. Специальные цепи устраняют дребезг механических контактов кнопки, поэтому данные сигналы необходимо использовать для надежного управления последовательностными схемами (триггерами, счетчиками и т. п.).

Группа четырех тумблеров 9 предназначена для задания статических логических сигналов и не имеет цепей устранения дребезга контактов.

Генератор 10 вырабатывает импульсы с частотами 100, 10 и 1 Гц и скважностью 0,5.

1.2. Набор миниблоков

Общий вид спереди набора миниблоков приведен на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Общий вид спереди набора миниблоков.

1 – Миниблок, содержащий два логических элемента И. Микросхема КР1533ЛИ1 (74ALS08).

2 – Миниблок, содержащий два логических элемента ИЛИ. Микросхема КР1533ЛЛ1 (74ALS32).

3 – Миниблок, содержащий четыре логических элемента НЕ. Микросхема КР1533ЛН1 (74ALS04).

4 – Миниблок, содержащий два логических элемента И-НЕ. Микросхема КР1533ЛА3 (74ALS00).

5 – Миниблок, содержащий два логических элемента ИЛИ-НЕ. Микросхема КР1533ЛЕ1 (74ALS02).

6 – Миниблок, содержащий два логических элемента Искл.-ИЛИ. Микросхема КР1533ЛП5 (74ALS86).

7 – Миниблок, содержащий логический элемент И-НЕ (4 входа). Микросхема КР1533ЛА1 (74ALS20).

8 – Миниблок, содержащий два логических элемента И-НЕ с открытым коллектором. Микросхема КР1533ЛА9 (74ALS03).

9 – Миниблок, содержащий четыре триггера Шмидта с инверсией. Микросхема КР1533ТЛ2 (74ALS14).

10 – Миниблок, содержащий индикатор логических уровней со светодиодами (КР1533ЛА9, 74ALS03). Свечение индикатора соответствует логической 1 на соответствующем входе миниблока.

11 – Миниблок, содержащий декодер/демультиплексор. Микросхема КР1533ИД14 (74ALS139).

12 – Миниблок, содержащий мультиплексор. Микросхема КР1533КП2 (74ALS153).

13 – Миниблок, содержащий D триггеры (4 шт.). Микросхема КР1533ТМ2 (74ALS74).

14 – Миниблок, содержащий JK триггер. Микросхема КР1533ТВ9 (74ALS112).

15 – Миниблок, содержащий семисегментный индикатор с двоично-десятичным дешифратором (CD4511). При подаче на вход дешифратора кодов, соответствующих числам от 1010₂ до 1111₂ (в десятичной системе - 10₁₀…15₁₀), все сегменты индикатора отключаются. Для включения десятичной точки на вход DP необходимо подать +5 В.

16 – Миниблок, содержащий двоично-десятичный реверсивный счетчик. Микросхема КР1533ИЕ6 (74ALS192).

17 – Миниблок, содержащий цепи подключения входов микросхем к шинам питания.

1.3. Схема электропитания лабораторного оборудования

При выполнении всех лабораторных работ блок испытания цифровых устройств А1 (219) для повышения электробезопасности подключается к сети через однофазный источник питания G1 (218), включающий устройство защитного отключения, в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.3

Рис. 1.3. Схема электропитания блока испытания цифровых устройств.

При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать следующий порядок подачи питания на исследуемую цепь:

• Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
• Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электропитания (рис. 1.3).
• Соберите исследуемую логическую цепь на наборном поле блока испытания цифровых устройств А1.
• Включите устройство защитного отключения и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.
• Включите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1.
• Протестируйте работу логической схемы. При необходимости изменения исследуемой схемы отключите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1, измените схему, включите выключатель «СЕТЬ».
• По завершении работы отключите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1 и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.

2. Тестирование базовых логических элементов

- Логические схемы

- Схемы электрические соединений

- Перечень аппаратуры

- Указания по проведению эксперимента

Логические схемы

Целью эксперимента является тестирование стандартных ТТЛ элементов, реализующих логические функции.

Логические функции одной переменной

Возможны 4 варианта логических функций одной переменной (приведены в таблице).

Значения аргумента x	Значения функции
Константа 0	Повторение x	Отрицание x	Константа 1

Из приведенных в таблице функций практический интерес представляет функция - отрицание x (инверсия x, «не x»). Данную функцию реализует миниблок 3 (рис. 1.2), содержащий четыре логических элемента. Обозначение элемента НЕ приведено на рисунке.

Инверсию обозначает окружность около выхода логического элемента.