Лабораторная работа №8 логические элементы, триггеры, счетчики

Цель работы – ознакомление с устройствами цифровой техники, изучение принципа работы и экспериментальное исследование логических элементов (ЛЭ), триггеров, счетчиков.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В цифровой технике для обработки информации используют двоичную систему счисления как наиболее удобную для представления ее значащих цифр 1 и 0 в виде высокого и низкого уровня напряжения. Конструирование и анализ схем цифровых устройств обычно проводят с помощью алгебры логики. Если логическому 0 соответствует напряжение низкого уровня, а логической 1 – высокого, то такую логику называют положительной. Если же логическому 0 соответствует напряжение высокого уровня, а логической 1 – низкого, то такую логику называют отрицательной. В дальнейшем будем рассматривать устройства только положительной логики.

Логическую функцию , которую выполняет логическая схема, можно представить в виде алгебраического выражения, в котором входные переменныесвязаны между собой основными логическими операциями:

логическое умножение – конъюнкция, операция "И", ;

логическое сложение – дизъюнкция, операция "ИЛИ", ;

логическое отрицание – инверсия, операция "НЕ", .

Наиболее наглядное преставление логической функции дает таблица истинности, в которой каждой из возможных комбинаций входных переменных (= 0 или 1) ставится в соответствие определенное значение выходной функции= 0 или 1.

Цифровые электронные схемы выпускаются в виде интегральных схем (ИС) сериями, которые включают ряд специализированных устройств. Основу каждой серии составляет базовый логический элемент. Логическими элементами (ЛЭ) называют электронные схемы, способные выполнять простейшие логические операции. На рис. 8.1 приведены условные обозначения и таблицы истинности ЛЭ: НЕ, ИЛИ, И, И - НЕ, ИЛИ - НЕ.

Как правило, базовые ЛЭ выполняют операции И - НЕ либо ИЛИ - НЕ. По схемотехническому решению ЛЭ на биполярных транзисторах различают следующие типы логики: транзисторно-транзисторная (ТТЛ), эмиттерно-связанная (ЭСЛ), интегральная инжекционная (И²Л). Наряду с ними широко применяются ЛЭ на полевых транзисторах с изолированным затвором, т.н. МОП-структуры (МОПЛ), а также на комплементарных полевых транзисторах с каналами р- и n- типа, т.н. КМОП-структуры (КМОПЛ). На практике широко применяются ИС ТТЛ серии К155 и ИС КМОПЛ серий К176, К561.

НЕ ИЛИ И И - НЕ ИЛИ - НЕ

Рис. 8.1. Условные обозначения и таблицы истинности логических элементов

На рис. 8.2а показана схема базового ЛЭ ТТЛ. Многоэмиттерный транзистор VT1, включенный на входе, который может иметь от двух до восьми входов (эмиттеров), выполняет логическую функцию И. Транзисторы VT2, VT3, VT4 образуют сложный инвертор, выполняющий логическую функцию НЕ. На транзисторе VT2 и резисторах ,собран предварительный фазоинвертирующий усилитель. На транзисторах VT3 и VT4 собран выходной усилитель. Все транзисторы работают в ключевом режиме. При хотя бы одном нулевом входном сигнале транзистор VT1 открыт и находится в режиме насыщения. Напряжение коллектора VT1 в этом случае низкое. Поскольку, то транзистор VT2 закрыт и, а= 0. Так как, а, то транзистор VT3 открыт, а транзистор VT4 – закрыт и, что соответствует высокому уровню= 1. Если на всех входах высокое напряжение (логическая 1), то транзистор VT1 оказывается включенным инверсно (коллектор и эмиттер меняются ролями) и малый ток, протекающий черези коллекторный переход VT1, создает на них малое падение напряжения. Это в свою очередь обеспечивает напряжение на базе VT2 (> 0,8 В), достаточное для перевода транзистора в режим насыщения. Ток, протекающий в цепи, VT2,, создает низкое напряжение(транзистор VT3 закрыт) и высокое напряжение(транзистор VT4 насыщен). В режиме насыщениясоставляет порядка 0,4 В, что соответствует низкому уровню= 0. Следовательно, рассмотренная схема выполняет функцию И - НЕ. Диод VD4 обеспечивает дополнительное смещение напряжения на эмиттере VT3 для его надежного запирания. Диоды VD1 – VD3 – демпферные, защищают входы при переходных процессах в моменты переключений. Включение диодов VD1 – VD4 является типовым приемом интегральной технологии для защиты схем от ложного срабатывания. Показанная на рис. 8.2б комплементарная пара полевых транзисторов с индуцированными каналами (один p-типа, другой n-типа) образует идеальный переключатель напряжения. Когда на входе действует напряжение высокого уровня, p-канальный транзистор закрыт, а n-канальный открыт. В случае напряжения низкого уровня на входе – транзистор n-типа закрыт, а p-типа открыт, т.е. комплементарная пара выполняет функцию НЕ. Отсутствие сквозного тока обеспечивает малую потребляемую мощность, что является важным достоинством КМОП-логики. Базовые ЛЭ КМОПЛ И-НЕ и ИЛИ - НЕ показаны на рис. 8.2в, 8.2г. ЛЭ И - НЕ образуется последовательным соединением n-канальных транзисторов и параллельным – р-канальных. Если хотя бы на одном входе действует логический 0, то последовательная цепь n-канальных транзисторов разомкнута и на выходе . В этом случае, если схема нагружена, то через открытые p-канальные транзисторы и нагрузку будет протекать ток от источника питания. Только при подаче на все входы логической 1 открытые n-канальные транзисторы замкнут выход на корпус и получим . Кроме этого закрытые p-канальные транзисторы отключают нагрузку от источника питания. Нетрудно убедиться, что схема с параллельным соединением n-канальных транзисторов и последовательным p-канальных выполняет функцию ИЛИ - НЕ.

а) б) в) г)

Рис. 8.2.Схемы базовых логических элементов:

а) логический элемент И-НЕ транзисторно-транзисторной логики,

б) логический элемент НЕ КМОП-логики,

в) логический элемент И - НЕ КМОП-логики,

г) логический элемент ИЛИ - НЕ КМОП-логики

ЛЭ характеризуются рядом статических и динамических параметров. К ним относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость, быстродействие, потребляемая мощность.

Статические свойства схем И - НЕ и ИЛИ - НЕ наглядно отражаются их передаточной характеристикой – зависимостью напряжения на выходе от напряжения на одном из входов (рис. 8.3). Для схем И - НЕ и ИЛИ - НЕ передаточную характеристику снимают при подаче одинаковых сигналов на входы. В этом случае они выполняют логическую функцию НЕ. Передаточную характеристику строят по результатам измерений . В точках этой зависимости,в которых коэффициент усиления = 1, определяют минимальное значение уровня логической 1 – и максимальное значение уровня логического 0 –. Абсцисса точки пересечения передаточной характеристики с уровнемсоответствует пороговому напряжению входного сигнала. Абсцисса пересечения передаточной характеристики с уровнемравна пороговому значению входного сигнала. Прина выходе поддерживается уровень логической 1, а при– уровень логического 0.

Рис. 8.3. Передаточная характеристика логического элемента НЕ

По принципу действия логические устройства делятся на два класса: комбинационные и последовательностные. Комбинационные логические устройства (КЛУ) не обладают памятью. Их логическое состояние однозначно определяется комбинацией входных переменных в данный момент времени. К комбинационным логическим устройствам относятся преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы, сумматоры, мультиплексоры, демультиплексоры. Последовательностные логические устройства (ПЛУ) наряду с комбинационными узлами содержат элементы памяти. Их логическое состояние определяется комбинациями входных переменных как в данный, так и в предыдущие моменты времени.

На основе элементов памяти строятся триггеры – электронные схемы, имеющие два устойчивых состояния, каждое из которых скачкообразно устанавливается подачей соответствующей комбинации входных сигналов и сохраняется в течение заданного времени после окончания действия этих сигналов.

В зависимости от типа используемых элементов памяти триггеры подразделяются на три класса: статические, динамические и статико-динамические. В данной лабораторной работе исследуются статические триггеры.

В общем случае статические триггеры содержат схему управления комбинационного типа и элемент памяти – бистабильную ячейку (БЯ), представляющую собой простейший триггер. Структурная схема статического триггера показана на рис. 8.4а. Состояние триггера определяется значением выходного сигнала , причем если, то, а если, то. На рис. 8.4б приведена схема бистабильной ячейки, выполненной на биполярных транзисторах, из которой видно, что действие БЯ основано на сильной положительной обратной связи в усилительных цепях.

а) б)

Рис. 8.4. Статический триггер:

а) структурная схема,

б) схема бистабильной ячейки на биполярных транзисторах

В современной цифровой электронике триггеры строятся на основе ЛЭ ИЛИ - НЕ, И - НЕ, передаточные характеристики которых подобны характеристике инвертирующего усилителя. На рис. 8.5 показаны схемы и условные обозначения простейших асинхронных -триггеров на основе этих ЛЭ. Здесь же представлены характеристические уравнения и таблицы состояний, поясняющие их принцип действия. Они имеют два управляющих (информационных) входа(set – установка) и(reset – сброс).- триггер

на ЛЭ ИЛИ - НЕ при ,сохраняет свое состояние (выполняет функцию хранения информации объемом 1 бит). При,= 0 выполняется функция установки (состояние = 1), а при ,– функция сброса (состояние). Комбинация входных переменных,является запрещенной, так как может приводить к логически противоречивому состоянию триггера:. Если состояние триггера

а) б)

Рис. 8.5.Асинхронные - триггеры:

а) - триггер на ЛЭ ИЛИ-НЕ,

б) - триггер на ЛЭ И-НЕ

на ЛЭ ИЛИ - НЕ изменяется высоким входным логическим уровнем 1, то триггер на ЛЭ И - НЕ переключается (инверсным) низким логическим уровнем 0. В асинхронных триггерах вход синхронизации отсутствует, и переключение триггера происходит одновременно с подачей на управляющие входы соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Синхронные (тактируемые) триггеры имеют вход синхронизации (clock) и синхронизируются уровнем или фронтом синхроимпульса. Триггеры, синхронизируемые уровнем, могут изменять свое состояние в течение длительности синхроимпульса (уровня синхросигнала) при поступлении соответствующих управляющих сигналов. В течение паузы между синхроимпульсами состояние триггера сохраняется неизменным. Триггеры, синхронизируемые фронтом, могут изменять свое состояние при поступлении на вход синхронизации соответствующего (положительного или отрицательного) фронта синхроимпульса, т.е. за время действия одного синхроимпульса такой триггер может переключиться только один раз. Триггеры могут быть одноступенчатыми и двухступенчатыми. В одноступенчатых триггерах выходные сигналы изменяются одновременно с изменением входных сигналов. На рис. 8.6 приведены схема -триггера, синхронизируемого уровнем на логических элементах И - НЕ, его характеристическое уравнение, условное обозначение и временные диаграммы, объясняющие его работу.

Рис. 8.6. Синхронный- триггер

Двухступенчатые триггеры состоят из двух последовательно соединенных триггеров – ведущего и ведомого. На рис. 8.7 приведены схема и условное обозначение двухступенчатого - триггера. Синхронизация работы ведущего и ведомого триггеров осуществляется инверсными значениями входного синхроимпульса. Процесс переключения триггеров поясняют временные зависимости синхросигналоврис. 8.7в. Передним фронтом входного синхроимпульса (в момент времени ) сначала отключается ведомый триггер, сохраняя свое состояние, затем (в момент времени) ведущий триггер переключается в зависимости от комбинации входных информационных сигналов. Задним фронтом синхроимпульса сначала (в момент времени) отключается ведущий триггер от источника информационных сигналов, а затем (в момент времени) его состояние записывается в ведомый триггер. Выходной сигнал в двухступенчатых триггерах задерживается относительно управляющих сигналов на величину длительности синхроимпульса.

а) б) в)

Рис. 8.7. Двухступенчатый - триггер:

а) схема,

б) условное обозначение,

в) временные зависимости синхросигналов

В зависимости от комбинации управляющих сигналов, вызывающих изменение состояния, триггеры подразделяются на функциональные типы. Тип триггера определяется по его характеристическому уравнению или таблице состояний, которые указывают значения выходного сигнала после переключения триггера (в момент времени) в зависимости от значений управляющих сигналов и выходного сигналадо переключения триггера (в момент времени). В цифровых устройствах наиболее часто используются триггеры-,-,- и- типов. Буквамии,и,,и другими принято обозначать управляющие (информационные) входы триггеров соответствующих типов.

На рис. 8.8 представлены вариант схемы двухступенчатого - триггера, синхронизируемого фронтом, его условное обозначение, характеристическое уравнение и таблица состояний.- триггер также имеет два управляющих входа(jump) и (keep) и отличается от-триггера тем, что не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов. При поступлении на входы комбинации,-триггер меняет свое состояние на инверсное, т.е..

Рис. 8.8. Двухступенчатый -триггер

Варианты одноступенчатого и двухступенчатого -триггера, их условные обозначения, характеристическое уравнение и временные зависимости входных и выходных сигналов двухступенчатого-триггера представлены на рис. 8.9.-триггер имеет один управляющий вход(delay) и выполняет функцию задержки информации, поступающей на вход на один период следования синхросигналов.-триггер – всегда синхронный. Он может быть построен на основе синхронного- триггера или- триггера исключением комбинаций=либо=. Это достигается, как видно из рис. 8.9, соединением входовилибоичерез инвертор.

Рис. 8.9. Варианты одноступенчатого и двухступенчатого-триггера

- триггер, называемый счетным, имеет один вход . Состояние этого триггера меняется на противоположное () при поступлении на вход сигналаи сохраняется неизменным при. Поскольку состояние- триггера при,изменяется на противоположное каждым синхроимпульсом, такой режим его использования соответствует- триггеру; при этом вход синхронизацииявляется счетным входом.- триггер также выполняет функции- триггера, если входсоединяется с инверсным выходом. Варианты схем- триггеров, условные обозначения и характеристическое уравнение приведены на рис. 8.10.

Рис. 8.10. Варианты схем - триггеров

В синхронных триггерах различных типов часто вводят входы предварительной установки и сброса . Подачей сигналов на эти входы можно асинхронно изменять состояние выходадо прихода синхроимпульсов.

На базе триггеров в сочетании с базовыми ЛЭ и КЛУ создаются последовательностные логические схемы, выполняющие ряд важных функций в цифровых устройствах. Наибольшее применение находят ПЛУ типа: счетчики, регистры, генераторы чисел (кодов). Счетчики – это ПЛУ, на выходах которых образуется число, соответствующее количеству поступивших на вход импульсов. Основным параметром счетчика является модуль счета – максимальное число импульсов, которое может посчитать счетчик и после поступления которого счетчик возвращается в исходное состояние. Модуль счета счетчикаравен или меньше числа устойчивых состояний. Разрядность счетчика равна числу триггеров, используемых в счетчике. Поэтому счетчик, имеющий m разрядов, имеет 2^m устойчивых состояний, а его модуль счета может быть равным или меньше 2^m. Количество поступивших на счетный вход импульсов представляется на выходах счетчика в виде двоичного числа в прямом или обратном коде. Обычно счетчики имеют вспомогательные входы установки , позволяющие предварительно установить на выходах заданное число, и входы сброса, подача сигнала на которые переводит счетчик в исходное состояние. Частота импульсов на выходе последнего разряда счетчика враз меньше частоты импульсов, поступающих на его вход. Поэтому счетчики широко используются в качестве делителей частоты. По типу функционирования счетчики бывают суммирующие, вычитающие, реверсивные; по структурной организации: последовательные, параллельные, параллельно-последовательные, асинхронные, синхронные.

Основу счетчиков составляют - триггеры, которые в свою очередь образуются из- или- триггеров. Варианты схем суммирующих счетчиков приведены на рис. 8.11 – 8.13.

Схема параллельного синхронного двоичного счетчика с модулем счета =16 показана на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Параллельный синхронный счетчик с=16

На рис. 8.12 показана схема последовательного асинхронного двоичного счетчика с модулем счета =16, а также временные зависимости входного сигнала (синхроимпульсы) и выходных сигналов, поясняющие его работу. На рис. 8.13 представлена схема последовательного асинхронного двоично-десятичного счетчика и временные зависимости, поясняющие его работу.

а) б)

Рис. 8.12. Последовательный асинхронный счетчик с =16:

а) схема,

б) временные зависимости сигналов на входе и разрядных выходах

а) б)

Рис. 8.13. Последовательный асинхронный двоично-десятичный счетчик

а) схема,

б) временные зависимости сигналов на входе и разрядных выходах

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из базового стенда и набора сменных накладных плат с условными изображениями логических схем. На лицевой панели стенда установлены два вольтметра для измерения входного и выходного постоянного напряжения. Входной вольтметр соединен с потенциометром, позволяющим плавно изменять . В зоне потенциометра расположены два гнезда для подачи регулируемого напряжения на входы логических схем. Для подключения выходного вольтметра имеется гнездо. В правой части лицевой панели расположены: цифровой индикатор СЧЕТЧИК ИМПУЛЬСОВ с тумблером СЧЕТ-УСТ."0" и гнездо ВХОД для подключения индикатора к счетчикам; три гнезда НАГРУЗКА для подключения нагрузки к логическим элементам; тумблер и индикаторная лампочка включения сети. В правой части лицевой панели расположены: два тумблера и гнезда УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ для задания комбинаций сигналов, соответствующих логическим 0 и 1; кнопочные переключатели и гнезда задания ОДИНОЧНЫЙ ИМПУЛЬС; выходные гнезда встроенного генератора, лампочки указателя номера накладной платы; переключатели ЛОГИКА, ТРИГГЕРЫ, СЧЕТЧИКИ для включения схемы с нужным номером; контактные гнезда входов и выходов логических схем; блок модульных переключателей коммутации логических схем, которые коммутируют при закреплении накладных плат. Для исследования требуемого устройства необходимо на лицевую панель стенда укрепить двумя невыпадающими винтами нужную накладную плату. При правильном закреплении платы загорается лампочка индикации номера платы. Для включения схемы надо установить один из переключателей ЛОГИКА, ТРИГГЕРЫ, СЧЕТЧИКИ в положение с цифрой, соответствующей номеру платы.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Подготовка стенда к проведению исследований

Для подготовки стенда к проведению исследований выполните следующие операции:

• установите ручку в крайнее левое положение, при этом стрелка приборадолжна находиться в нулевом положении;

• установите оба тумблера УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ в нижнее положение; установите тумблер СЧЕТ-УСТ."0" в нижнее положение;

• установите переключатели ЛОГИКА, ТРИГГЕРЫ, СЧЕТЧИК в положение 0; включите сеть.

1. Исследование логических элементов

Установите накладную плату 1 на лицевую панель стенда и укрепите ее двумя невыпадающими винтами. При этом загорится лампочка 1 индикации. Переключатель ЛОГИКА поставьте в положение 1.

1.1. Исследуйте ЛЭ "И - НЕ".

1.1.1. Исследуйте передаточную характеристику ЛЭ.

Соедините входы 1, 2 микросхемы DDI соединительными проводами с гнездами , а выход 1 с гнездом. Изменяя входное напряжение потенциометромв пределах 0 – 2,5 В снять зависимостьотЛЭ без нагрузки и с нагрузкой. Для подключения нагрузки соедините дополнительно выход 1 с НАГРУЗКОЙ (гнездо 2 или 3). Входное и выходное напряжения контролируется вольтметрами,.

1.1.2. Исследуйте логику работы ЛЭ.

Соедините входы 1, 2 с гнездами УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ, а выход 1 с гнездом . Тумблерами УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ задавайте различные значения входных сигналов. Уровень выходного сигнала контролируйте вольтметром. Постройте графики временных зависимостей входных и выходного сигналов и таблицу истинности ЛЭ.

1.2. Исследуйте элемент, выполняющий логическую операцию "ИЛИ - НЕ".

Подайте с помощью соединительных проводов сигналы с гнезд УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ на входные гнезда 4 и 5 микросхемы DD2. Сигнал с гнезда выход 4 подайте с помощью соединительного провода на гнездо вольтметра . Тумблерами УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ задавайте различные значения входных сигналов, а выходной сигнал наблюдайте по показаниям вольтметра. Постройте графики временных зависимостей входных и выходного сигналов, а также таблицу истинности ЛЭ. Отвинтите винты и снимите накладную панель 1.

1.3. Исследуйте логические элементы "И", "НЕ", "ИЛИ".

Установите накладную плату 2 на лицевую панель стенда и закрепите ее двумя невыпадающими винтами. При этом загорится лампочка 2 индикации. Переключатель ЛОГИКА поставьте в положение 2.

Входы исследуемого ЛЭ соедините с гнездами УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ, а выход с гнездом вольтметра . Задавая различные значения входных сигналов тумблерами УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ и контролируя уровень выходного сигнала вольтметром, постройте графики их временных зависимостей и таблицу истинности ЛЭ "И", "НЕ", "ИЛИ". Отвинтите винты и снимите накладную панель 2. Переключатель ЛОГИКА установите в положение 0.

2. Исследование триггеров

2.1. Исследуйте - триггер.

Установите накладную плату 3 на лицевую панель и укрепите ее двумя невыпадающими винтами. При этом загорится лампочка 3 индикации. Переключатель ТРИГГЕРЫ установите в положение 3. Соедините с помощью соединительных проводов гнезда УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ с входами 2 и 4. Тумблерами УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ задавайте различные комбинации входных сигналов и. Контролируя вольтметромуровень выходных сигналови(гнезда выхода 2, 4), постройте таблицу состояний и графики временных зависимостей входных и выходных сигналов (,,,при). Отвинтите винты и снимите накладную плату 3. Соединительным проводом соедините выходтриггера (гнездо выход 2) с гнездом.

2.2. Исследуйте - и- триггеры.

Установите накладную плату 4 на лицевую панель и укрепите ее двумя невыпадающими винтами. При этом загорится лампочка 4 индикации. Переключатель ТРИГГЕРЫ установите в положение 4. Исследуйте работу - триггера типа К155ТВ1. Подайте с помощью соединительных проводов сигналы на входы установки триггера и(гнезда вход 1, 5) с гнездот регулируемого источника постоянного напряжения. По вольтметруустановите напряжение 2,4 В (логическая). С помощью соединительных проводов входсоедините с гнездом П ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ (положительный импульс), а входыисоедините с гнездами УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ. Задав определенную комбинацию входных сигналов,, нажатием кнопки ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ подать одиночный синхроимпульс на вход. По показаниям выходного вольтметра проследить моменты переключения триггера, а также состояния прямого выходаи инверсного –. Рассмотреть все комбинации сигналов,прии. Построить графики временных зависимостей сигналов,,,иприи записать таблицу состояний триггера.

Исследуйте работу - триггера типа К155ТМ2. Подайте с помощью соединительных проводов сигналы логической с гнезд УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ на входы установки- триггера и(гнезда вход 1, 5). На счетный вход(гнездо вход 3) подавать сигнал из гнезда П ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ. Контроль состояния прямогои инверсноговыхода триггера производить вольтметром. Построить графики временных зависимостей входного и выходных сигналов, записать таблицу состояний. Отвинтите винты и снимите накладную плату. Переключатель ТРИГГЕРЫ установите в положение 0.

3. Исследование счетчиков

3.1. Исследуйте двоично-десятичный четырехразрядный счетчик, выполненный на ИМС типа 155ТВ1.

Установите накладную плату 5 на лицевую панель и укрепите ее двумя невыпадающими винтами. При этом загорится лампочка 5 индикации. Переключатель СЧЕТЧИК установите в положение 5. Подайте с помощью соединительного провода сигнал логической с гнезда УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ на гнездо 5 вход(при– сброс). Вход(гнездо вход 3) соедините с гнездом П ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ. Контроль сигналов на выходе счетчика производите с помощью вольтметра. Для этого гнездо вольтметраподключите с помощью соединительных проводов к исследуемому выходу счетчика. Измерения проведите последовательно для разрядных выходов счетчика 1, 2, 3, 4. При измерении по каждому выходу сначала произвести сброс триггеров счетчика, затем на входподать серию из 10 синхроимпульсов. При подаче входных синхроимпульсов определить, каким (передним или задним) фронтом синхроимпульса производится переключение. Результаты измерений представить в виде графиков временных зависимостей,,,,аналогично тем, что представлены на рис. 11.12б и рис. 11.13б. Отвинтите винты и снимите накладную плату 5.

3.2. Исследуйте двоичный четырехразрядный счетчик, выполненный на ИМС типа К155ТМ2.

Установите накладную плату 6 на лицевую панель и укрепите ее двумя невыпадающими винтами. При этом загорится лампочка 6 индикации. Переключатель СЧЕТЧИК установите в положение 6. С гнезда УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ подайте сигнал логической на входсчетчика. Входсоедините с гнездом П ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ. Выходные сигналы контролируйте с помощью вольтметра. Измерения провести по методике п. 3.1, подавая на входсерии из 16 импульсов. По результатам измерений постройте графики временных зависимостей,,,,. Отвинтите винты и снимите накладную плату 6.

3.3. Исследуйте двоично-десятичный четырехразрядный счетчик, выполненный на ИМС типа К155ИЕ2.

Установите накладную плату 7 на лицевую панель и укрепите ее двумя невыпадающими винтами. При этом загорится лампочка 7 индикации. Переключатель счетчик установите в положение 7.

Соедините вход ₀ с гнездом УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ (– сброс), вход– с П ОДИНОЧНЫЙ ИМПУЛЬС, а выходы, как и в п.3.1, с вольтметром. Измерения провести по методике п.3.1, подавая на входсерии из 10 импульсов. По результатам измерений построить графики временных зависимостей,,,,.

Отвинтите винты и снимите накладную плату 7. Тумблер СЧЕТ-УСТ."0" установите в положение УСТ."0". Переключатель СЧЕТЧИКИ поставьте в положение 0. Тумблером СЕТЬ выключить стенд.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Схемы базовых логических элементов ТТЛ и КМОПЛ.

2. Схемы исследованных устройств.

3. Результаты экспериментальных исследований в виде таблиц и графиков.

4. Выводы по результатам проведенных исследований.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните принцип работы базового логического элемента ТТЛ.

2. Объясните принцип работы базовых логических элементов КМОПЛ.

3. Чем отличаются комбинационные и последовательностные логические устройства? Приведите примеры таких схем.

4. На чем основано действие бистабильной ячейки?

5. Перечислите основные разновидности триггеров, по схемам объясните их работу.

6. На основе каких устройств строятся счетчики?

7. Перечислите основные разновидности счетчиков. Какой параметр счетчиков является основным?

8. Объясните работу счетчиков с = 8, 16, 6, 10.

ЛИТЕРАТУРА: [1], [5], [6], [8].

ПРиложение А

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Электронный осциллограф – один из наиболее универсальных измерительных приборов, предназначенный для наблюдения электрических сигналов и измерения их характеристик.

Любой электронный осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), канала горизонтального отклонения луча и каналаY вертикального отклонения луча (рис. 1). Анализируемые электрические сигналы через вход подаются на канал вертикального отклоненияY и наблюдаются на люминесцентном экране электронно-лучевой трубки.

Рис. А.1. Функциональная схема электронного осциллографа

Развертка во времени по оси осуществляется пилообразным напряжением генератора развертки, усиленным усилителем. Нужная скорость развертки устанавливается соответствующим переключателем, шкала которого оцифрована в единицах «время/см» (c/см, мс/см, мкс/см). Неподвижность изображения на экране обеспечивается синхронизатором, совмещающим начало развертки с определенным уровнем или фазой исследуемого процесса.

Канал вертикального отклонения обеспечивает согласование уровня исследуемого сигнала с чувствительностью пластин вертикального отклонения луча ЭЛТ. При постоянном калиброванном коэффициенте усиления усилителя (предварительный усилитель и усилитель) это согласование достигается выбором степени ослабления входного аттенюатора, шкала которого оцифрована в единицах «В/см».

Перед измерением параметров сигналов необходимо настроить осциллограф и, тем самым, убедиться в его исправности. Для этого следует замкнуть его входные клеммы, что соответствует подаче нулевого потенциала на вход, и при помощи регуляторов горизонтального и вертикального смещения луча получить на экране горизонтальную прямую, при этом ручки регулировки яркости луча, «уровень» и «стабильность» должны быть выведены в крайне правое положение. После того как горизонтальная прямая будет расположена в центре экрана, необходимо уменьшить яркость луча – это позволит при помощи ручки «фокусировка» добиться минимальной толщины линии развертки, что обеспечит максимальную точность измерения напряжения. Далее нужно разомкнуть входные клеммы осциллографа, при этом горизонтальная линия может немного исказиться. Если коэффициент усиления канала достаточно высок, то прикосновение к сигнальной (красной, «горячей») клемме, подключенной к центральному проводнику коаксиального кабеля, приведет к сильному искажению горизонтальной линии на экране осциллографа, и изображение станет дрожащим. Это осциллограф реагирует на небольшие напряжения, наводимые на нашем теле посторонними электромагнитными полями. Прикосновение к клемме заземления (синей, «холодной»), подключенной к внешнему экранирующему проводнику коаксиального кабеля, приводит к противоположному эффекту – исчезновению искажений, на экране будет видна такая же четкая горизонтальная линия, какую наблюдали, когда клеммы были замкнуты.

Масштаб изображения по вертикали (В/см, мВ/см, мкВ/см) и горизонтали (c/см, мс/см, мкс/см) изменяется при помощи переключателей, принимающих фиксированные значения, но на большинстве осциллографов имеются ручки для некалиброванного изменения масштаба изображения по вертикали и горизонтали, как правило, они располагаются на одной оси с соответствующими переключателями калиброванных значений. Перед проведением измерений необходимо убедиться, что регуляторы некалиброванных значений не используются, для чего их надо повернуть в крайне левое положение до щелчка.

Как правило, при измерениях сигналов представляет интерес только переменная составляющая напряжения, и способность осциллографа игнорировать постоянную его составляющую (пьедестал) существенно ускоряет проведение измерений. Но если необходимо измерять не только параметры переменного напряжения, но и его постоянную составляющую (или просто постоянное напряжение), нужно перевести переключатель на лицевой панели осциллографа из положения ~ в положение~. В данном режиме при каждом изменении чувствительности входного усилителя необходимо подстраивать нуль – отсоединяться от измеряемой схемы, замыкать входные клеммы осциллографа и ручкой вертикального отклонения луча перемещать горизонтальную прямую точно в центр экрана.

Если параметры измеряемых сигналов заранее неизвестны, то вначале устанавливается минимальная чувствительность осциллографа ко входному сигналу (максимальное значение В/см), и только после этого подается сигнал на осциллограф. Если размеры изображения слишком малы, вплоть до того, что оно просто не изменяется, то необходимо чувствительность входного усилителя увеличивать до тех пор, пока высота изображения займет более половины высоты экрана осциллографа.

Далее нужно добиться, чтобы изображение на экране было неподвижным. Необходимо выбрать режим синхронизации изображения, который называется «внутренняя синхронизация». Это значит, что моменты времени, в которые луч будет начинать свое движение по экрану, будут задаваться самим входным сигналом, в отличие от режима «внешняя синхронизация», когда начало развертки луча задается каким-то отдельным синхронизирующим сигналом. Если заранее приблизительно известен период входного сигнала, лучше перед измерением задать такой масштаб по горизонтали, чтобы на длине экрана помещался один или несколько периодов сигнала. Далее, попеременно вращая влево ручки «уровень» и «синхронизация» на небольшие углы, добиваемся, чтобы изображение на экране стало неподвижным и не двоилось. Если в какой-то момент изображение исчезло, необходимо ручки «уровень» и «синхронизация» вращать вправо до появления сигнала, а если изображение по прежнему нестабильно, нужно снова вращать эти ручки влево, но в другой последовательности и с меньшим шагом. Чем больше размер изображения по вертикали и чем точнее оно выставлено в центр экрана осциллографа, тем легче оно синхронизируется.

Генератор синусоидального напряжения – прибор, предназначенный для получения сигнала синусоидальной формы с заданной величиной напряжения и периодом.

Сигнал на выходе такого генератора характеризуется двумя параметрами – напряжением и частотой. Большинство генераторов позволяют варьировать эти параметры в очень широких пределах и устанавливать с большой точностью, поэтому для изменения каждого из них используется не один, а, по крайней мере, два регулятора. Один из них позволяет изменять напряжение или частоту плавно, задавая любое значение в пределах декады (max/min~10). Второй задает напряжение или частоту ступенчато – переключение на следующее положение изменяет их в 10 раз, поэтому каждому положению соответствует множитель, на который нужно умножать показания первого регулятора.

Иногда ступенчатые регуляторы градуируют несколько другим образом, когда задают не множитель, а диапазон изменения величины либо только ее верхний предел. Тогда показания снимают не путем умножения на множитель, а пересчетом показаний первого регулятора, с учетом, что его максимальное отклонение соответствует значению, на которое указывает второй регулятор.

Многие генераторы не имеют встроенного вольтметра, и регулятор плавного изменения выходного напряжения может не иметь градуировки. В этом случае напряжение на выходе генератора нужно контролировать внешним вольтметром или осциллографом.