Реферат: Учебное пособие: Методические указания к лабораторной работе "Исследование логических элементов" для студентов направлений «Автоматизация и управление» и«Информатика и вычислительная техника» дневной и заочной формы обучения

Тираж: 10. экз.

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Методические указания к лабораторной работе

"Исследование логических элементов"

для студентов направлений «Автоматизация и управление» и «Информатика и вычислительная техника» дневной и заочной

формы обучения.

Тюмень 2002

Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского

государственного нефтегазового университета

Составили: к.т.н. доцент Крамнюк А.И. ст. преп. Гурьева Л.В.

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электронную копию данных материалов

Исполнил студент группы АТПс-1

заочного отделения ТГНГУ Харченко Г.Г.

адрес: ЯНАО, Надымский район, пос.

Пангоды, ул. Энергетиков, 29, к.7. 2002 г

15
Для заметок

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

1.Цель работы: Исследовать реакцию логических элементов на комбинацию входных сигналов.

2.Общие положения.

Назначение. Логические элементы (ЛЭ) предназначены для выполнения простейших логических операций следующего типа:

- логические элементы «ИЛИ» выполняют операцию логического сложения (дизъюнкция);

- логические элементы «И» выполняют операцию логического умножения (конъюнкция);

- логические элементы «НЕ» выполняют операцию логического отрицания (инверсия).

Область применения. На основе указанных логических элементов спроектированы и построены, практически, все элементы и функциональные узлы цифровой и вычислительной техники. В зависимости от применяемых схемных решений и элементной базы логические элементы подразделяются на следующие разновидности:

- ДЛ, диодная логика;

- ДТЛ, диодно-транзисторная логика;

- ТТЛ, транзисторно-транзисторная логика;

- ЭСЛ, логические элементы со связанными эмиттерами и т.д.

Логические элементы можно представить в виде электронного устройства, имеющего несколько входов и один выход (см. рис.1).

Входные сигналы (Хi) и выходной сигнал (F) могут принимать только два значения – или уровень логического нуля (0), или уровень логической единицы (1). Для ЛЭ, напряжение питания которых равно 5 В, уровень логического нуля составляет 0,4 В, а уровень логической единицы составляет 2,4 В. При других напряжениях питания уровни (0) и (1) принимают, соответственно, другие значения. Для характеристики возможностей ЛЭ

введено понятие коэффициента объединения (п ). Коэффициент объединения определяет, с каким количеством входных сигналов данный элемент может проводить логические операции. Так для элемента, схема которого приведена на рис.1, коэффициент п = 4. Нагрузочную способность ЛЭ определяет коэффициент разветвления (m ). Коэффициент разветвления показывает, на какое количество аналогичных элементов может быть нагружен по выходу данный элемент. В большинстве случаев значение m равно 8, но имеются элементы с более высокой нагрузочной способностью.

Кроме указанных параметров ЛЭ характеризуются быстродействием (время задержки), напряжением питания и потребляемой мощностью. В заключение приведём некоторые рекомендации по применению ЛЭ.

1) В настоящее время все ЛЭ выпускаются в интегральном исполнении. Схемотехника элементов выполнена таким образом, что позволяет соединять их между собой непосредственно без дополнительных согласующих элементов.

2 ) Некоторые входы могут не использоваться. При этом ЛЭ воспринимает сигнал на этом входе как уровень логической единицы.

3) В тех случаях, когда применяются ЛЭ с разными значениями логических уровней, применяются (используются) специальные микросхемы для согласования уровней при их соединении.

4) По входам допускается параллельное соединение нескольких элементов. По выходам категорически запрещено параллельное соединение ЛЭ, за исключением тех случаев, когда элемент имеет третье состояние (Z -состояние).

3.Функциональные возможности логических элементов.

На рис.2. приведено обозначение трёхвходового логического элемента, выполняющего операцию логического сложения (элемент «ИЛИ»). На выходе логического элемента, выполняющего операцию «ИЛИ», появляется сигнал,

Для заметок

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

Рекомендуемая литература .

1. Гусев В.В., Зеличенко К,В. и др. Основы импульсной и цифровой

техники, - М.: Советское радио, 1975. – 438 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – Высшая школа, 1982

3. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники. – М.: Высшая

школа, 1988.

4. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцес-

сорные системы, - М.: Радио и связь, 1987.

Таблица 1.

соответствующий уровню логической единицы в том случае, когда хотя бы на одном из входов присутствует сигнал, соответствующий уровню логической единицы. Реакцию логических элементов на комбинацию входных сигналов отображают в виде таблицы состояний или таблицы истинности (см. табл.1).

На рис.3 приведено обозначение трёхвходового логического элемента, выполняющего операцию логического умножения (элемент «И»).

На выходе логического элемента, Таблица 2. выполняющего операцию «И», появляе-тся сигнал, соответствующий уровню логической единицы в том случае, когда на всех входах присутствует сигнал, соответствующий уровню логической единицы. Ниже приведена таблица истинности для элемента, выполняющего логическую операцию «И». Обозначение элемента, выполняющего операцию инверсии («НЕ») приведено на рис. 4 . Записывается указанная операция следующим образом: F = X . Приведенное выражение читается: « F равно не X ». Для расширения функциональных возможностей объединяют элементы, выполняющие операции «ИЛИ» и «И», с элементом, выполняющим операцию «НЕ». Обозначение таких элементов приведено на рис.5.а, 5.б . Логический элемент, выполняющий операцию «ИЛИ-НЕ», обладает, так называемой функциональной полнотой, потому что на

его основе, путём соответствующих комбинаций, можно получить логические элементы, выполняющие любые логические операции.

4.Конкретные схемы логических элементов.

Рис.6. ДЛ-диодная логика, Рис.7. ДЛ-диодная логика,

выполняющая операцию «ИЛИ». выполняющая операцию «И».

Рис.8. ДТЛ-логика, выполняющая операцию «И-НЕ».

Х0 Х0

F=Х0+Х1+Х2 F=Х0·Х1·Х2

Х1 Х1

Х2 Х2

предъявляются к этим конденсаторам?

10 . Какой уровень сигнала (логический ноль или логическая единица)

считается присутствующим на том входе ЦИС, который не подключен, то есть «висит в воздухе»?

11. Можно ли, имея элементы одного вида, например «И-НЕ», собрать схему, реализующую операцию «ИЛИ-НЕ»? А наоборот?

12 . Какой дополнительный элемент необходимо использовать, чтобы установить инверсию сигнала?

13. Допускается ли параллельное соединение ЦИС по входу и по выходу? Если да, то в каких случаях?

14. Поясните выражение «элемент с открытым коллектором», «элемент с расширением по входу».

15. К каким последствиям может привести наличие задержки в ЦИС?

16. Как определяются номера выводов в ЦИС? Приведите рисунки корпусов конкретных ЦИС с обозначением выводов.

в) входной ток логической единицы Iвх¹;

г) входной ток логического нуля Iвх º;

д) выходной ток логической единицы Iвых¹;

е) выходной ток логического нуля Iвых º;

ж) логический перепад;

з ) напряжение статической помехи;

и) входное сопротивление;

к) выходное сопротивление;

л) потребляемая мощность в состоянии логического нуля Рпº, в состоянии логической единицы Рп¹, а также средняя мощность потребления Рп ср.;

м) напряжение источника питания;

н) диапазон рабочей температуры;

о ) коэффициент объединения по входу Коб (п );

п) коэффициент разветвления по выходу Краз (т ) (нагрузочная способность);

динамические параметры:

а) время перехода из состояния логической единицы в состояние логического нуля - t¹´º;

б) время перехода из состояния логического нуля в состояние логической единицы - t º´¹;

в) время задержки включения – t зд¹´º;

г) время задержки выключения - t здº´¹;

7 . Какие логические операции выполняет элемент, в обозначении которого входят следующие сочетания букв: ЛИ, ЛЛ, ЛН, ЛС, ЛБ, ЛР, ЛК, ЛМ, ЛД, ЛП, ЛА, ЛЕ?

8 . Укажите, в каких примерно пределах допускается изменение напряжение питания ЦИС без ухудшения её работоспособности для большинства схем, выпускаемых серийно промышленностью.

9 . С какой целью, при запитывании большого количества ЦИС от одного источника питания, параллельно шинам питания почти всегда у каждой микросхемы подключают конденсаторы? Какие требования

Рис.9

На рис.9. изображена ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), выполненная на основе многоэмиттерного транзистора, выполняющая операцию «И-НЕ».

F1 Х0 Х1 Х2 +Еб F2

Uвых2

Uвых1

Rэ

Рис.10.

На рис.10 изображены транзисторные логические элементы со связанными эмиттерами, выполняющие следующие операции: F1=Х0+Х1+Х2 и F2 = Х0+Х1+Х2.

5. Программа выполнения работы.

1. Подавая различные комбинации входных сигналов на элементы «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» определить реакцию логических элементов на ту или иную комбинацию. Сравнить полученные результаты с таблицей состояний.

2. Снять и зарисовать осциллограммы входных и выходного напряжений при подаче на входы элемента «И-НЕ» сигналов « f » и « 4f ». Замерить амплитуды сигналов на входе и выходе логического элемента.

3. Зарисовать осциллограммы входных и выходного напряжений логического элемента «ИЛИ-НЕ» при подаче на его входы сигналов « f » и « 4 f ». Замерить амплитуды сигналов на входе и выходе исследуемого элемента.

6. Методические указания.

1. Использовать в работе сигналы с генератора прямоугольных импульсов частотой « f » и « 4f ». Для этого подать переключателем питания макетного стенда напряжение на макет «Логические элементы».

2. Проверить осциллографом наличие выходных импульсов с гнёзд « f » и « 4f ».

Перед выполнением работы нарисовать осциллограммы входных сигналов « f » и « 4f » и соответствующие им по времени выходные сигналы с логических элементов «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».

3. Сравнить экспериментально полученные осциллограммы с предварительно зарисованными. Сделать соответствующие выводы. В отчёте представить таблицы состояний входных и выходных сигналов для логических элементов «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».

7. Контрольные вопросы.

1. Дайте определение логического элемента.

2 . С сигналами какой формы работают логические элементы ?

3. Дайте определение логического нуля и логической единицы.

4. Поясните функциональное назначение, выполняемые операции и

условное обозначение операций, приведите таблицы состояний (таблицы

истинности) и условное обозначение на принципиальных схемах следующих логических элементов:

а) элементов, реализующих операцию логического умножения – конъюнкцию (конъюнкторы, элементы «И», схемы совпадения);

б) элементов, реализующих операцию логического сложения – дизъюнкцию (дизъюнкторы, элементы «ИЛИ», схемы собирания);

в) элементов, реализующих операцию логического отрицания – инверсию (инверторы, элементы «НЕ»);

г) элементов, реализующих универсальные функции – универсальные элементы (элемент «И-НЕ» - элемент Шеффера и элемент «ИЛИ-НЕ» – элемент Пирса);

д) элементов, реализующих несколько функций (функциональные элементы ФЭ).

5 . Охарактеризуйте логические элементы по следующим типам:

по типу связи:

а) элементы с потенциальной связью;

б) элементы с импульсной связью;

в) элементы с импульсно-потенциальной связью;

по типу логики:

г) диодная логика (ДЛ);

д) резисторно-транзисторная логика (РТЛ);

е) резисторно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ);

ж) диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

з ) транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

и) эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

к) интегральная инжекционная логика (И²Л);

л) МДП-логика.

6. Воспользовавшись справочниками по ЦИС, приведите для какой-либо серии конкретные значения следующих параметров:

статические параметры :

а) напряжение логической единицы U¹;

б) напряжение логического нуля Uº;