Лабораторная работа №3

Логические элементы

Цель работы: Изучение принципов построения и функционирования

логических элементов.

Оборудование:

1. Панели с микросхемами К155ЛАЗ,К155ЛЕ1;

2. Комбинированный прибор "Сура"; Литература:

1. В.П. Шило, "Популярные цифровые микросхемы", М., 1987.

1. B.C. Ямполъский, "Основы автоматики и электронно-вычислительной техники", М., 1991.

Контрольные вопросы:

1. Какие логические функции являются основными в алгебре логики?

1. Какой логический элемент можно выбрать в качестве базового эле­мента?

2. Описать устройство и принцип действия базового логического эле­мента серии 155.

3. На основе базового логического элемента И-НЕ сконструировать ло­гическую схему ИЛИ-НЕ.

4. На основе базового элемента ИЛИ-НЕ сконструировать логическую схему И-НЕ.

5. В каком состоянии находится элемент И-НЕ, если его входы не подключены?

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обра­ботки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, например двоич­ной, функции. Они применяются для построения цифровых вычисли­тельных машин, а также цифровых узлов измерительных приборов, ап­паратуры автоматического управления, связи и т.д.

По функциональному назначению цифровые микросхемы подразде­ляются на подгруппы логических микросхем, триггеров, элементов арифметических и дискретных устройств и др. Внутри каждой подгруп­пы по функциональному признаку микросхемы подразделяются на виды. Сведения о подгруппе и виде микросхемы содержатся в ее условном обозначении. В соответствии с ГОСТ 18682-73 обозначение микросхем состоит из четыре?: основных элементов:

1. элемент - цифра, указывающая тип микросхемы по конструктивно- технологическому признаку (например: 1-полупроводниковые, 2- гибридные и т.д.).

2. элемент- две цифры, указывающие номер разработки.

Первый и второй элементы(3 цифры) составляют номер серии, к ко­торой принадлежит микросхема.

3 элемент - две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы.

Например:

ЛИ-элемент "И" ЛА-элемент "И-НЕ"

ЛЛ-элемент "ИЛИ" ЛЕ-элемент "ИЛИ-НЕ"

ЛН-элемент "НЕ" ЛР-элеменг "И-ИЛИ-НЕ"

ЛС-элемент "И-ИЛИ" ЛК-элемент "И-ИЛИ-НЕ/ И-ИЛИ" и т.д.

Большинство цифровых микросхем относятся к потенциальным: сиг­нал на их входе и выходе представляется высоким и низким уровнем на­пряжения. Указанным двум состояниям ставятся в соответствие логиче­ские значения 1 и 0.

В зависимости от способа кодирования состояния двоичного сигнала различают положительную и отрицательную логику:

Таблица № 1.

Вид логики	Полярность напряжения питания
	положительная		отрицательная
Положительная
Отрицательная

Логические операции, выполняемые микросхемами, обычно указы­вают для положительной логики.

Свойства цифровых микросхем характеризуют системой электриче­ских параметров, которые для удобства рассмотрения делятся на стати­ческие и динамические.

Статические параметры характеризуют микросхему в статическом режиме. К ним относятся: напряжение источника питания Uип; входное и выходное U_вх.0 ; U_вых.0 напряжения логического 0; входное и выходное U_BX.₁ U_вых.1 напряжения логической 1; входной I_вх..0; I_вых.0 и выходной I_вх.1 ;I_вых.1 токи логического 0 и логической 1; средняя потребляемая мощность P_{пор. ср}

Динамические параметры характеризуют свойства микросхемы в ре­жиме переключения. В основном это временные параметры: время пере­хода из состояния логического 0 в состояние логической 1 t_o,i и из со­стояния логической 1 в состояние логического 0 t_1,0; время задержки

распространения сигнала t_{з.р.с.(1,0)} при включении микросхемы и время задержки при выключении; среднее время задержки распространения сигнала 1_{з.р.с.(0,1)}

Логические микросхемы выполняют операции конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ), инверсии (НЕ),более сложные логические операции: И-НЕ,ИЛИ-НЕ,И-ИЛИ-НЕ и др.

Логическая микросхема, как функциональный узел, может состоять из нескольких логических элементов, каждый из которых выполняет од­ну, две или более из перечисленных логических операций и является функционально автономным, т.е. может использоваться независимо от других логических элементов.

Конструктивно логические элементы объединены единой подложкой и корпусом и, как правило, имеют общие выводы для подключения ис­точника питания.

В таблице № 2 приведены условные обозначения и таблицы истин­ности некоторых логических элементов. Символом логического элемен­та И служит знак "&", стоящий ]внутри прямоугольника - он заменяет союз «и» в английском языке. Условный символ логического элемента ИЛИ - цифра 1 внутри прямоугольника. Условный символ логического элемента НЕ тоже цифра 1 в прямоугольнике, но у него один вход и один выход. Небольшой кружок, которым начинается линия связи вы­ходного сигнала, символизирует логическое отрицание "НЕ" на выходе элемента.

Таблицы истинности показывают, каким будет сигнал на выходе (О или 1) при той или иной комбинации сигналов на входе. В таблице № 2 приведены логические элементы с двумя входами, но число входов может быть и большим. Поскольку микросхемы выпускают в корпусах с ограниченным числом выводов, например корпус К201.14-1 имеет 14 выводов, то и логических элементов, размещаемых в таком корпусе, бу­дет тем меньше, чем больше входов у каждого из них. Например, серия К155, часть микросхем которой выпускается в указанном корпусе, вклю­чает следующий ряд логических микросхем:

К 155 ЛА1-двачетырехвходовых,

К 155 ЛА2-один восьмивходовый,

К 155 ЛА3-четыре двухвходовых,

К 155 ЛА4-три трехвходовых логических элемента.

логическая операция	обозначение логического элемента	таблица истинности
		x1 x2 y 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0
		x1 x2 y 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0
		x y 1 0 0 1

		x1 x2 y 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1
		x1 x2 y 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1
		x1x2 x3x4 y 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1

Достоверное представление о работе логического элемента дают также временные диаграммы электрических процессов. Например, для элемента И:

Н а входе X1 сигнал появляется пер­вым. Как только подается сигнал на вход Х2, появляется сигнал на выходе Y, который существует до тех пор, пока имеются сигналы на обоих вхо­дах.

Логическими (комбинационными) назы­вают функциональные узлы, которые построены только на логических эле­ментах и не содержат элементов памяти (триггеров). Состояние логического функционального узла однозначно оп­ределяется комбинацией входных сиг­налов и не зависит от предыдущего со­стояния,

К логическим относятся такие цифровые узлы, как шифраторы, де­шифраторы, сумматоры, устройства сравнения (компараторы), преобра­зователи кодов, мультиплексоры и т.д. Любая сколь угодно сложная ло­гическая функция, может быть реализована на наборе логических эле­ментов И, ИЛИ, НЕ,

В этом смысле такой набор логических элементов называют функ­ционально полным. Но, как правило, в составе серий цифровых микро­схем имеются либо элементы И-НЕ, либо элементы ИЛИ-НЕ, а также бо­лее сложные логические элементы И-ИЛИ-НЕ. На любом из этих эле­ментов реализуется функционально полная система логических функций и, следовательно, любой из указанных элементов обладает свойством функциональной полноты. Например, основные функции И, ИЛИ, НЕ можно реализовать как на логическом элементе И-НЕ, так и на логиче­ском элементе ИЛИ-НЕ:

«И»

«ИЛИ»

«НЕ»

Это значит, что любой логический узел можно построить на микро­схемах одной выбранной серии. В составе серии обычно имеются логи­ческие микросхемы, содержащие элементы с разным числом входов, с различной нагрузочной способностью, допускающее увеличение числа входов, имеющие возможность объединения по выходу с другими эле­ментами и т.д.

Такое разнообразие логических элементов в составе серии позволяет выбрать из них наиболее подходящие для конкретного цифрового базового логического элемента. Так называют элемент, лежащий в ос­нове всех микросхем серии. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Принцип построения, способ устройства управления его работой, выполняемая им логическая операция, напря­жение питания и другие параметры базового элемента являются опреде­ляющими для всех микросхем серии.

По принципу построения базовых логических элементов цифровые микросхемы подразделяют на следующие типы:

. резистивно-транзисторной логики (РТЛ),

. диодно-транзисторной логики (ДТЛ),

. транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ),

. транзисторной логики с эмиттерными связями (ЭСЛ),

. транзисторной логики с непосредственными связями (НСТЛ).

Разнообразие типов базовых элементов объясняются тем, что каждый из них имеет свои достоинства и свою область применения. Некоторые из перечисленных типов элементов: РТЛ, ДТЛ, ЭСЛ перешли в цифро­вую микроэлектронику, сохранившись практически в таком же виде, ка­кими они были в цифровых устройствах на навесных компонентах.

Элементы ТТЛ, НСТЛ появились сразу в микроэлектронном испол­нении. В настоящее время наблюдается интенсивное развитие серии микросхем, построенных на принципах ТТЛ, НСТЛ, ЭСЛ и вытеснение ими микросхем РТЛ, ДТЛ.

В серию микросхем К155, на которых построены ЭВМ ЕС, входят более 80 микросхем разной степени интеграции и функционального на­значения. Базовым элементом в данной серии является ТТЛ- элементы И-НЕ (входная логика осуществляется транзистором, усиление и инверсия - тоже транзисторами). Он состоит из четырёх транзисторов структуры n-р-n, трёх диодов и пяти резисторов.

Резистор, показанный штриховыми линиями, символизирует нагруз­ку R_H, подключенную к выходу элемента.

Входной транзистор VT1, включенный по схеме с общей базой, двух-эмиттерный. Эмиттеры соединены с общим проводом через диоды VD1, VD2, защищающие транзистор от случайного попадания на эмиттеры напряжения отрицательной полярности. Транзистор VT2 образует пара-фазный каскад с двумя нагрузками - эмиттерной (R3) и коллекторной (R2). Снимаемые с них сигналы противофазны (противоположны по уровню -- если на коллекторе уровень логической 1, то на эмиттере -уровень логического 0). Они поступают на базы транзисторов VT3 и VT4

выходного каскада.

Таким образом, выходные транзисторы всегда будут находиться в противоположных состояниях - один закрыт, а второй в это время от­крыт. Этому способствует и диод VD3 падение напряжения на котором создаёт на эмиттере транзистора VT3 относительно его базы более поло­жительное (0,3...0,4 В) напряжение.

При наличие на одном или обоих входах элемента уровня логическо­го 0 (например, при соединении их с общим проводом питания) VT1 от­крыт и насыщен, VT2 и VT4 закрыты, а VТ3 открыт - через него и на­грузку протекает ток. Если на оба входа будет подан уровень логической 1, транзистор VT1 закроется, а VT2 и VТ4 откроются и тем самым за­кроют VТ3. Ток через нагрузку практически прекратится — элемент при­мет нулевое состояние.

Напряжение логического 0 на выходе элемента равно напряжению на коллекторе открытого транзистора VT4 и не превышает 0,4 В. Выходное напряжение логической 1 (когда VT4 закрыт) отличается от напряжения на транзисторе VТ3 и диоде VD3 и составляет не менее 2,4В.

Фактически уровни логических 0 и 1 на выходе элемента зависят от сопротивления нагрузки и могут быть в пределах 0,1...0,15 и 3,5...3,9 В соответственно. Переход элемента из единичного состояния в нулевое происходит скачкообразно при подаче на его входы сигнала напряже­нием около 1,15 В, называемого пороговым.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из четырёх логических элементов 2И-НЕ, питающихся от общего источника постоянного тока. Каждый эле­мент работает как самостоятельная микросхема. Выделить элемент мож­но по номерам выводов, поставленным на условном изображении мик­росхемы:

Микросхема представляет собой пластмассовый корпус прямоуголь­ной формы с 14 выводами. Нумерация выводов ведётся от ключа- метки на корпусе. Не обозначенные на схематическом изображении микросхе­мы выводы 7 и 14 служат для подачи питания на все элементы. Эти вы­воды не принято обозначать на схемах потому, что логические элементы, входящие в одну микросхему, могут располагаться в различных участках общей схемы устройства, цепи питания при этом остаются общими. Вы­вод 14 должен соединяться с положительным, а вывод 7- с отрицатель­ным полюсами источника питания 5 В.

ХОД РАБОТЫ

1. Изучить теоретические сведения. Описать устройство и параметры микросхемы К155ЛАЗ.

2. Установить порядок подключения микросхемы к источнику питания, величину питающего напряжения, потребляемый ток.

3. Подготовить измерительные приборы (авометр для измерения потреб­ляемого тока, мультиметр для измерения напряжения на входах и вы­ ходах логических элементов). Напряжение на входах и выходах можно измерять как с помощью мультиметра, так и с помощью осциллографа с открытым входом, т.е. когда измеряемое напряжение подаётся на вход Y усилителя вертикального отклонения, минуя входную ём­ кость. При этом следует переключатель входа поставить в положение открытый вход, ручку " Усиление Y " - в крайнее правое положение, переключатель чувствительности - в положение 2 дел/ В.

4. Включить напряжение питания и, не подключая входы логических элементов, проверить их состояние, измерив напряжения на входах и выходах логических элементов. В каком состоянии находится логиче­ский элемент, если его входы не подключены?

5. Подключив к одному из входов любого логического элемента регули­руемый источник питания, изменяя напряжение, установить, при каком уровне входного сигнала логический элемент переходит из нуле­- вого состояния в единичное и наоборот. Указать пределы, в которых должно находиться напряжение логического 0 и логической 1. Вклю­чив миллиамперметр поочерёдно во входную цепь и в цепь питания, определить входной ток Iвх.1 Iвх._.0 при единичном и нулевом входном сигнале, потребляемый ток 1_ПОТ, подсчитать потребляемую мощность Рпот- Повторить опыт, отключив первый вход и подключив второй. Измерить входные уровни, соответствующие нулевому и единичному состоянию элемента.

6. Проверить исправность всех логических элементов, подавая на входы различные комбинации уровней и измеряя выходные напряжения. Составить таблицы истинности для каждого элемента. Единичный уровень на вход элемента подается от цепи питания +5В через резистор сопротивлением 1кОм, нулевой - соединением входа с общим прово­дом.

7. Начертить временные диаграммы электрических процессов для эле­ментов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ,

8. На основе элементов И-НЕ собрать логические элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ. Составить таблицы истинности для каждого элемента.