Короткi теоретичнi вiдомостi. Вивчити принципи роботи основних логiчних функцiй цифрової технiки на прикладi базових елементiв серii К155

Лабораторна робота №8

ДОСЛIДЖЕННЯ ЦИФРОВИХ IНТЕГРАЛЬНИХ МIКРОСХЕМ,

ЯКI РЕАЛIЗУЮТЬ ФУНКЦIЇ 'I', 'АБО', 'I-НЕ, 'НЕ'

ТА ЇХ КОМБIНАЦIЇ

Мета роботи

Вивчити принципи роботи основних логiчних функцiй цифрової технiки на прикладi базових елементiв серii К155, побудувати їх таблицi iстинностi. Ознайомитись із правилами експлуатацiї комплекту лабороторного обладнання типу К - 32.

Короткi теоретичнi вiдомостi.

Увага ! Перед початком виконання лабораторної роботи ознайомитися з теоретичними відомостями до лабораторної роботи №9 від пп. 2.1 до 2.3.8.

2.1. Логiчнi елементи - операцiйно самостiйнi схеми, якi виконують найпростiшi перетворення цифрової iнформацiї. Вони виготовляются у виглядi цифрових iнтегральних мікросхем (ЦIМС). Цифровi iнтегральнi мiкросхеми призначенi для обробки i збереження дискретних сигналiв. Основою їх є електроннi схеми - ключi, якi можуть знаходитись в одному iз двох станiв - закритому або вiдкритому. Перехiд ключа з одного стану в iнший вiдбуваєтся пiд дiєю вхiдних синалiв. Цим двом станам вiдповiдають два фiксованих значення вихiдної величини (наприклад, 'високий' або 'низький' потенцiал, наявнiсть або вiдсутнiсть iмпульсу).

Цифровi iнтегральнi схеми випускаються серiйно. До складу кожної серiї входять мiкросхеми з однаковим базовим елементом i конструктивно - технологiчним виконанням, але з рiзними функцiями та призначенням.

За схемою реалiзацiї ЦIМС бувають: з транзисторною логiкою (ТЛ), дiодно-транзисторною логiкою (ДТЛ), з транзисторно - транзисторною логiкою (ТТЛ), та iнш. Залежно вiд способу кодування сигналiв розрiняють позитивну i негативну логiку. При позитивнiй логiцi високому рiвню вiдповiдає логiчна одиниця '1',а низькому -логiчний нуль '0', а при негативнiй логiцi- навпаки.

Рис.8.2. Умовне позначення логічного елемента "Виключаюче АБО"

Рис.8.1. Умовні позначення логічних елементів одноступінчатої логіки: а)-"І" б)-"АБО" в)-"НЕ" г)-"І-НЕ" д)-"АБО-НЕ"

Залежно вiд того, яку логiчну функцiю реалiзують основнi цифровi елементи, їх розрiзняють на одноступiнчатi i двоступiнчатi. В одноступiнчатiй логiцi реалiзують функцiї:

'I' - логiчне множення (кон'юнкцiя), Y = X1×X2 ,(аналiтичний запис);

'АБО' - логiчне додавання (диз'юнкцiя), Y = X1vX2 ;

'НЕ' - логiчне заперечення (iнверсiя), ;

'АБО-НЕ' - операцiя Пiрса (iнверсiя диз'конюнкцii), ;

'I-НЕ' - операцiя Шефера (iнверсiя кон'юнкцiї), .

На малюнку 8.1 показано умовнi позначення елементiв, що реалiзують цi функцiї, а таблиця 8.1 є таблицею їх iстинностi.

Таблиця 8.1.

X1	X2	Y
		I X1×X2	АБО X1vX2	НЕ X1	АБО-НЕ X1VX2	I-НЕ X1×X2

До двоступеневих логiчних функцiй вiдноситься, наприклад, функцiя 'Виключаюче АБО' ('Додавання по модулю 2'). Аналiтичний запис цiєї функцiї наступний: . Таблиця iстинностi цiєї функцiї показана в табл.8.2. Умовне позначення логiчної функцiї 'Виключаюче АБО' показане на рис.8.2.

Таблиця 8.2.

X1	X2	Y

Розрiзняють функцiонально повнi та неповнi системи логiчних елементiв. Функцiонально повна система логiчних елементiв - це такий набiр елементiв, використовуючи який, можна реалiзувати будь-яку складну логiчну функцiю. Оскiльки будь-якi логiчнi функцiї є комбiнацiями найпростiших, набiр елементарних функцiй 'I','АБО', 'НЕ' є функцiонально повним. Набiр з 'I-НЕ','АБО-НЕ' також функцiонально повний, тому на його основi будують базовi елементи усiх серiй iнтегральних схем.

2.2. Реалiзацiя ЦIМС може бути здiйснена на дiодах (рис.8.3). Значення Y=1 на виходi створюється передаванням вхiдного сигналу внаслiдок вiдкриття вiдповiдного дiода. До дiодiв, для яких вхiдний сигнал рiвний нулю, прикладається зворотна напруга, тому вони закритi. Для таких схем виконується нерiвнiсть Е_а << U_вх , де U_вх - вхiдна напруга, яка вiдповiдає Х1, Х2,...,Хn.

Схема елемента 'I' на дiодах наведена на рис.8.4. Вiдмiннiсть вiд схеми елемента 'АБО' (рис.8.3) є в тому, що дiоди ввiмкненi у зворотному напрямку. Схема працює таким чином. При всiх вхiдних сигналах, рiвних логiчнiй одиницi, на катодах дiодiв є позитивний потенцiал вiдносно загальної точки, тому всi дiоди закритi ( Е_а < U_вх ). На виходi схеми з резистора R знiмається спад напруги, який визначає Y=1. При нульовому значеннi сигналу хоч на одному iз входiв, вiдповiдний дiод буде проводити струм i шунтувати резистор R, спад напруги на якому буде приблизно дорiвнювати нулю.

Логiчний елемент 'НЕ' є ключовою схемою на транзисторi (рис. 8.5 ). При U_вх=0 транзистор закритий, напруга U_ке»Е_к ,тобто Y=1 . При U_ке =1 транзистор вiдкритий, напруга U_ке»0, тобто Y=0.

Вiдкритий стан транзистора забезпечується подачею струму бази, який приводить транзистор в стан насичення.

Базовим елементом мiкросхем серiї К155 є елемент 'I-НЕ' (рис.8.6.). Вiн складається з послiдовно з'єднаних функцiональних частин: схеми, що виконує операцiю 'I' на багатоемiтерному транзисторi VT1, i схеми iнвертора на транзисторi VT2. Емiтернi переходи транзистора VT1 виконують функцiю вхiдних дiодiв, а колекторний перехiд працює як дiод в колi змiщення бази транзистора VT2. При подачi на всi входи напруги рiвня логiчної одиницi емiтернi переходи транзистора VT1 закриваються (потенцiал колектора нижчий вiд потенцiалу бази). Колекторний p-n перехiд змiщується в пропускному напрямку (потенцiал колектора нижчий, нiж потенцiал бази). У наслiдок цього базовий струм транзистора VT1 проходить через колектор на базу транзистора VT2, колекторний струм якого при цьому досягає насичення, а напруга на виходi елемента нижча за рiвень логiчного нуля.

Якщо хоч на одному iз входiв елемента напруга рiвна логiчному нулю, вiдповiдний емiтерний p-n перехiд транзистора VT1 вiдкривається, i струм бази проходить через нього. Струм у колi колектора транзистора VT1, а отже, i в колi бази тразистора VT2 практично вiдсутнiй, тому транзистор VT2 закритий, i на виходi елемента потенцiал вiдповiдає рiвню логiчної одиницi.

Логiчний елемент 'АБО-НЕ' на унiполярних транзисторах з однотипними каналами провiдностi наведений на рис.8.7. Число входiв елемента визначається числом паралельно пiдключених унiполярних транзисторiв. Усi транзистори схеми створюються на загальному напiвпровiдниковому пiдкладi iз загальним потенцiалом. Загальний вивiд пiдклада об'єднують з точкою 'корпус' схеми. При наявностi логiчноi одиницi хоча б на одному iз входiв схеми, один iз керуючих транзисторiв вiдкритий, i на виходi встановлюється напруга логiчного нуля. Рiвню логiчної одиницi по входу i виходу вiдповiдає потенцiал, який близький до -Е_с (по модулю), що перевищує порогову напругу транзисторiв. Рiвню логiчного нуля вiдповiдае потенцiал, близький до нуля, тобто менше порогової напруги.

3. Опис дослiдної установки.

Лабораторна робота виконується з використанням комплекту лабораторного обладнання по електроннiй технiцi типу К32.

У комплект входять: блок керування комплексом (БУК), та змiннi дослiднi плати у виглядi касет.

БУК складається з таких частин:

- передньої панелi (ПП);

- програматора серiї iмпульсiв (ПСI);

- блоку цифрової iндикацiї (БЦI);

- блоку аналогових сигналiв (БАС);

- блоку живлення (БЖ).

Написи на ПП означають:

ВНК - зовнiшня команда, що забезпечує сполучення вiдповiдного

кола з гнiздами, якi розмiщенi на ПП;

ВСВ - внутрiшнiй зв'язок, що забезпечує сполучення вiдповiдного

кола з вхiдними розкриттями БУК.

ВХ1 - вхiд 1;

ВХ2 - вхiд 2;

ГН1 - перший генератор напруги постiйного струму;

ГН2 - другий генератор напруги постiйного струму;

ГС1 - перший генератор сигналiв;

ГС2 - другий генератор сигналiв;

КЗУ - комутатор зовнiшнiх устаткувань;

СИ - серiя iмпульсiв;

ФВ - фазоповертач.

Генератор вмикається кабелем до гнiзда 'ВХОД ГСI'на ПП БУК. Мультиметр вмикається кабелем до гнiзда 'ВИХОД V ' або 'ВИХОД V=' БУК. Вмикання до напруги живлення генератора i мультиметра здiйснюється встановленням вилок у гнiздо '220В, 50Гц' на заднiй стiнцi БУК. У вхiднi розкриття БУК встановлюють друкарську плату, що розмiщена в касетi. На вхiднi розкриття БУК поступають вхiднi та вихiднi сигнали. Вхiднi сигнали генеруються ПСI, БАС, БЖ, програматором кодiв, якi розмiщенi на ПП, та генератором. Вихiднi сигнали генеруються на друкарськiй платi змiнного устаткування, поступають на вхiдне розкриття i вимiрюються за допомогою мультиметра, або iндукуються на устаткуваннi iндикацiї (УI) цифрового табло, яке розмiщене в лiвiй верхнiй частинi ПП. Устаткування iндикацiї призначене для вiдображення двiйкової та десяткової iнформацiї на чотирьох семисегментних iндикаторах, якi об'єднанi на ПП в цифровi табло. Перший iндикатор ліворуч на першому табло вiдповiдає розряду 1, другий - розряду 2, i т.д.

Написи вiдносяться до того органу керування, бiля якого вони розмiщенi.

Позначення 'А' 'В' на кнопках означають, що коли кнопка не натиснена, то виконуеться функцiя 'А', а коли натиснена, то виконуеться функцiя 'В'.

3.1. Призначення органiв керування та сигналiзацiї, розмiщених на ПП:

- свiтлодiоди над кнопками призначенi для iндикацiї спрацювання кнопок. Свiтлодiоди засвiчуються при натисканнi кнопки (крiм кнопки 'ПУСК');

- кнопка 'СЕТЬ' - для подачi ( кнопка натиснена ) i вимикання ( кнопка не натиснена ) в електричнi кола БУК напруги 220В частотою 50Гц;

- кнопки пiд написом 'ПРОГРАММАТОР КОДОВ' призначенi для

генерацiї комбiнацiї сигналiв логiчного нуля ('0') - постiйної напруги вiд 0 до 0.4В, або логiчноi одиницi ('1') - постiйної напруги величиною вiд 2.4 до 5 В. Генерацiя '1' проходить при натисненiй кнопцi, а '0' - при не натисненiй.

Кнопки пiд написом 'ПИТАНИЕ' призначенi для пiдключення вiдповiдних стабiлiзаторiв напруги в блоцi живлення, напруга поступає на стабiлiзатори при натисненiй кнопцi. Для одержання напруги -30В необхiдно натиснути цю кнопку i кнопку '± 15'.

Завдання.

4.1. Виконується на самостiйнiй пiдготовцi перед виконанням учбово-дослiдної роботи.

У залежностi вiд вказаного викладачем варiанту зарисувати логiчну схему на бiполярних транзисторах для таких функцiй.

Варіант:	Розробити схему на біполярних транзисторах , що реалізує такі функції
	'I'-'АБО'-'НЕ'
	'АБО'-'I'-'НЕ'
	'НЕ'-'I'-'АБО'
	'I'-'НЕ'-'АБО'
	'АБО'-'НЕ'-'I'

Примітка : Кiлькiсть змiнних на входi функцiй вибирати в

залежностi вiд умови задачi.

4.2 Виконується в лабораторiї.

Перед початком виконання лабораторної роботи необхiдно на БУК (К32) здiйснити наступне.

4.2.1. Переконатись, що кнопки 'СЕТЬ', 'ПИТАНИЕ В', 'ПРОГРАММАТОР КОДОВ', 'ПРОГРАММАТОР СИ', 'КВУ' , 'КОМУТАТОР СИ', 'ГН1', 'ГН2', 'КОНТРОЛЬ V', 'КОНТРОЛЬ V=', 'ПУСК', 'УСТАНОВ 0' ненатиснутi.

4.2.2. Кнопки, якi призначенi для вибору системи числення (десяткова/двiйкова ) натиснути (двiйкова).

4.2.3. Переконатись, що друкарська плата дослiдної електричної схеми УС12 (рис.8.8) встановлена в касету, увiмкнена в розкриття та зафiксована в БУК.

4.2.4. Для дослiдження функцiональних характерстик IС D1-D5 (див. рис.8.8) подають логiчнi нулi або одиницi на їх входи. При цьому номер входу IС вiдповiдає номеру кнопки 'ПРОГРАМАТОРА КОДОВ', наприклад, Н7 вiдповiдає кнопцi N7, Н8 - кнопцi N8,i т.д. Вихiдний сигнал IС DI фiксується першим розрядом лiвого iндикатора на ППС, IС D2 - другим розрядом цього ж iндикатора, i т. д.

4.2.5. Для вимiру вихiдного сигналу IС D3 використовують мультиметр. Перед початком вимiру необхiдно здiйснити наступне :

4.2.5.1. Переконатися, що кнопка 'СЕТЬ' ненатиснена.

Рис.8.8. Принципова електрична схема дослідної установки.

4.2.5.2. Вимiрний шнур мультиметра пiд'єднати до БУК (одним кiнцем до гнiзда ХS1, другим - до корпусу БУК), штекер шнура - до мультиметра.

4.2.5.3. Вибрати дiапазон вимiру вхiдного сигналу на мультиметрi.

4.2.6. З дозволу викладача або лаборанта ввiмкнути БУК до мережi ( натиснути кнопки 'СЕТЬ' та 'ПИТАНИЕ'). Свiтлодiоди над вiдповiдними кнопками повиннi свiтитись.

4.2.7. За допомогою кнопок 'ПРОГРАММАТОРА КОДОВ', подаючи логiчнi нулi або одиницi (в натисненому станi - логiчнi одиницi) на IС D1-D5 (див.рис.8.8), вимiряти вихiднi сигнали цих мiкросхем. Результати вимiру записати в таблицi.

4.2.8. Для вимiру вихiдного сигналу IС D3 необхiдно на мультиметрi натиснути кнопку 'СЕТЬ', значення вихiдного сигналу висвiчується на табло.

Для мікросхеми D1
X1
X2
Y1

Для мікросхеми D2
X3
X4
X5
Y2

Для мікросхеми D3
X6
Значення напруги на виході
XS1

Для мікросхеми D4
X7
X8
Y3

Для мікросхеми D5
X9
X10
Y3

Рис 8.8. Принципова електрична схема дослiдної установки.