Универсальный лабораторный стенд (УЛС).

ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ.

Введение (Вводная лабораторная работа).

Лабораторный практикум по основам микроэлектроники (ОМЭ) выполняют на специально оборудованном рабочем месте, содержащем:

· универсальный лабораторный (рабочий) стенд (УЛС) (рис. 1, 2) с набором блоков (панелей);

· комплект измерительных приборов: электронный осциллограф CI-93 (или СΙ -83) (рис. 7), цифровой комбинированный прибор Щ4300 (авометр) (рис. 6), логический зонд (ЛЗ);

· стабилизированные источники питания (ИПС), называемые условно ЕС-0905 (рис. 4) и ЛИПС-Ι Ι Ι -1, 5 (рис. 5);

· блок клавиш (клавиатура);

· набор панелек (плат) с интегральными микросхемами (как правило, с двумя ИМС);

· набор дискретных (аналоговых) элементов, необходимых для выполнения определенных работ;

· набор соединительных проводников со специальными наконечниками.

Универсальный лабораторный стенд (УЛС).

УЛС состоит из держателя 1 (рис. 1) – деревянной рамки со стойками, на котором установлены следующие блоки: блок коммутационный 2 (БК), вспомогательный 3 (БВ), блок индикации 4 (БИ). Кроме этих блоков, применяемых при выполнении большинства работ лабораторного практикума, на держателе могут быть установлены и другие (сменные) блоки: базовый логический элемент 2И-НЕ на дискретных элементах (сокращенно, блок 2И-НЕ); репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ); простое автоматическое программируемое вычислительное устройство (ПВУ или ПАПВУ) и другие, а также подключен блок клавиш – клавиатура.

Блок коммутационный (БК).

БК (рис. 2) предназначен для сборки изучаемого устройства путем соединения между собой соединительными проводниками всех элементов, из которых его строят.

В состав БК входят три коммутационных поля КП-I, КП-Ι Ι, КП-Ι Ι Ι, каждое из которых состоит из

· трех параллельно соединенных розеточных (Р) частей разъемов, содержащих по 35 гнезд, в которые при сборке устройств вставляют штекеры (Ш) – наконечники соединительных проводников;

· трех розеточных частей разъемов I, II, III, содержащих по 31 гнезду и предназначенных для установки на них специальных панелек с

- 2 -

ИМС, а иногда и с другими элементами.

Гнезда 1÷ 29 разъемов I, II, III соединены с соответствующими гнездами 1-29 КП-Ι, КП-Ι Ι, КП-Ι Ι Ι соответственно, т.е. гнездо 1 разъема I - с гнездами 1 (тремя) КП-I, гнездо 2 разъема I - с гнездами 2 (тремя) КП-I и т.д. Как правило, на каждой панельке установлены две ИМС (если позволяет количество контактов разъемов I, II, III).

Распайка выводов первой ИМС (1) сделана так, что номера выводов ИМС (обычно с 1 до 14) совпадают с номерами контактов разъемов I (или II, или III). Для определения номера контакта коммутационного поля, соответствующего номеру вывода второй ИМС (2), к номеру каждого ее вывода нужно прибавить число, соответствующее числу выводов первой ИМС (обычно 14), так как первые 14 контактов разъема (панельки) заняты выводами первой ИМС. Например, 1+14=15, 2+14=16 и т.д. Таким образом, при установке панельки с исследуемой ИМС на розеточную часть разъема I (II, III) выводы ИМС будут подключены к соответствующим гнездам определенного коммутационного поля КП-I (или КП-II, или КП-III), причем каждому выводу ИМС соответствуют три (однономерных) гнезда с тем же номером коммутационного поля. Соединяя гибкими проводниками (перемычками) необходимые (определенные) гнезда коммутационных полей, можно реализовать требуемое устройство.

- 3 -

Рис. 2. Схема электрических соединений блока коммутационного (БК).

БК содержит также поля логического ноля (логический 0) - гнезда с 1 по 17; логической единицы (логическая 1) - гнезда с 18 по 35. Гнезда 1-17 подключены к шине логического ноля (общему проводу), а 18-35 - к шине логической единицы, и поэтому имеют потенциалы соответствующих уровней – низкого и высокого. Сигналы, снимаемые с этих полей, используют при изучении работы ИМС в статическом режиме. Поля выполнены в виде таких же розеточных частей разъема, что и

- 4 -

коммутационные поля, и расположены между КП-I и КП-II. К БК подключен блок клавиш (клавиатура) с 10 клавишами с номерами от 0 до 9, клавишей " Сброс" (С) и тремя кнопками: " Вкл." (включение питания +5В клавиатуры), " 10" (включение режима работы в десятичном коде), " 2" (включение режима работы в двоичном четырехразрядном коде). Клавиши 0÷ 9 имеют прямые и инверсные выходы. При не нажатой клавише на прямом выходе - " 0", при нажатой - " 1". Прямые выходы клавиш подключены параллельно к светодиодным индикаторам 0÷ 9 и к соответствующим гнездам " ключи 10" – 0÷ 9 поля " Клавиатура" (между КП-II и КП-III). При не нажатой клавише на инверсном выходе - " 1", при нажатой - " 0". Инверсные выходы клавиш подключены к гнездам 15÷ 24 поля " Клавиатура" и обозначены " ключи инв. 10" с указанием номеров ÷ ÷ соответственно. Нажатое положение клавиши фиксируется с помощью устройства защиты от дребезга механических контактов также, как и клавиши ЭВМ. Клавиши можно нажимать как по отдельности, так и по несколько одновременно (или последовательно – это не имеет значения) или все сразу. Отменить нажатое положение клавиш 0÷ 9 можно только кратковременным нажатием клавиши " Сброс". Удерживать клавишу в нажатом положении не требуется. В режиме " 2" (двоичный код) двоичный четырехразрядный код отдельной клавиши выводится на гнезда 11÷ 14 " 2 код" поля " Клавиатура" и параллельно на светодиодные индикаторы. При этом допускается (выводится и на гнезда и индицируется) только нажатие одной клавиши 0÷ 9.

В верхней части БК расположены три пары гнезд, обозначенные 35 Ι 34, 35 II 34, 35 III 34 и соединенные с гнездами 35 и 34 соответствующих коммутационных полей КП-I, КП-II, КП-III, а также гнезда, имеющие потенциал общего провода (корпуса) источника питания БК (обозначение ┴ ). Указанные гнезда предназначены для подключения приборов (в основном, осциллографа), которые имеют соединительные проводники со стандартными (толстыми) штекерами, к необходимой точке (гнезду) коммутационного поля через гнездо 35 (или 34) КП.

Питание всех ИМС, расположенных на БК, осуществляется с гнезд 30 (+5В, «1») и 31(┴ или 0 В, «0») розеточных частей разъемов I, II, III, к которым подводится напряжение от стабилизированного источника питания ЕС-0905 через токоограничивающий резистор сопротивлением 1 кОм с помощью вилки со штырьками разной толщины (гнезда в правой нижней части БК).

В нижней части БК находится кнопочный пульт (ПК) с 8-ю кнопками. Каждая кнопка имеет контакты 1, 2, 3. Контакты 1-3 являются нормально замкнутыми (НЗ) при не нажатой кнопке, а 1-2 – нормально разомкнутыми (HP), контакт 1 является общим. При нажатии кнопки (ее удержании в этом положении) цепь 1-3 размыкается, а 1-2 замыкается. На рис. 2

- 5 -

пронумерованы для образца контакты первой кнопки, у остальных кнопок они расположены в том же порядке. Схема НЗ и HP контактов показана на боковой поверхности пульта (рис. 3):

Рис. 3. Схема расположения выводов кнопки.

При выборе коммутационного поля и разъема для установки ИМС нужно учитывать расстояние от поля до источника входных сигналов (например, к выходам ГТИ БВ ближе всего КП-III), их количество (проще подобрать один длинный проводник, чем несколько), расстояния от выходов собираемого устройства до индикаторов (например, к цветным лампочкам накаливания ближе КП-1, а к светодиодам БИ – КП-III), количество индикаторов, подключенных к выходам устройства, соединение и количество между коммутационными полями (проще выполнить соединения между КП-I и КП-II или КП-II и КП-III, чем между КП-I и КП-III) и другие оптимизирующие факторы.

При установке панелек с ИМС в разъемы I, II, III нужно соблюдать следующие правила:

1. Панелька с ИМС при установке не должна перекрывать гнезда КП (она не симметрична относительно вилочной части разъема).

2. На вилочной части разъема панели есть один (иногда два) направляющий стержень (штырек), а на розеточной части разъемов I, II, III БК – соответствующие отверстия, с которыми направляющие стержни должны совпадать, при этом оба ряда наконечников (штырьков, стержней) вилочной части разъема панельки должны входить (совпадать) в оба ряда гнезд разъемов I, II, III.

3. Нужно брать панельки с ИМС аккуратно двумя пальцами одной руки за короткие (узкие) стороны панельки, чтобы не повредить соединительные проводники и выводы ИМС на тыльной стороне панельки, близко расположенные к длинным сторонам панельки.

4. При установке (или извлечении панельки из разъема) нужно покачивать панельку в вертикальной плоскости (вперед-назад: верх - вперед, низ - назад, и наоборот), не прилагая больших усилий, и при этом другой рукой аккуратно придерживать край панели БК, чтобы не выдавить довольно гибкую панель блока из держателя стенда.

Блок вспомогательный (БВ).

Блок вспомогательный (БВ) вырабатывает входные (задающие) сигналы для работы исследуемых устройств в динамическом режиме и обеспечивает наблюдение входных и выходных сигналов. Питание БВ

- 6 -

осуществляется от стабилизированного источника питания (ЛИПС-III-1, 5) разнополярным напряжением +/–5 В с нулевой точкой «общий провод» («корпус» - ┴ ) через магнитофонный разъём. Прежде чем подать питание на вход 5 В, нужно установить величину напряжения (+/– 5 В) на выходах ЛИПСа, а затем соединить штекерную часть магнитофонного разъема с розеточной в электронном коммутаторе (ЭК) на панели БВ. Гнездо «корпус» БВ соединено с одним из гнёзд «корпус (┴ )» БК. При подаче напряжения питания на БВ, как правило, загорается светодиод в средней части этого блока (он загорается при автоматическом режиме работы ГТИ - см. ниже: при ручном режиме светодиод горит при нажатой кнопке «Одиночный импульс»). БВ включает в себя генератор тактовых импульсов (ГТИ) прямоугольной формы (нижняя часть блока) и шестиканальный электронный коммутатор (ЭК) к электронному осциллографу (ЭО).

Блок индикации (БИ).

Блок индикации (БИ) предназначен для визуального контроля за работой изучаемых устройств в случаях работы в статическом режиме и на низкой частоте. БИ содержит четыре транзисторных ключа с лампочками накаливания (красной К, желтой Ж, зеленой 3, синей С) в коллекторных цепях транзисторов, двадцать светодиодов (5 рядов по 4

- 8 -

светодиода) и два семисегментных цифровых индикатора 7СЦИ с дешифраторами. Лампочки и светодиоды имеют по одному гнезду для их подключения к изучаемому устройству. Второй вывод индикаторов подключен к общему проводу. Транзисторные ключи необходимы для усиления тока, так как даже маломощные лампочки накаливания рассчитаны на ток 0, 068 А, то есть 68 мА, а ИМС даёт выходной ток порядка 5÷ 10 мА.

Задание. Проверьте работу отдельных видов световых индикаторов БИ, подавая на вход индикатора 0 с поля логического нуля или 1 с поля логической единицы БК.

Световые индикаторы на схемах указывают с символами HLX.Y. HL – обозначение элемента индикации, X - номер строки, Y - номер столбца, в которых расположен данный элемент, например, HL2.3.

Логический зонд (ЛЗ).

Логический зонд (ЛЗ) предназначен для определения логических уровней " 0" и " 1" в статическом режиме и наличия импульсов в динамическом режиме. Для этого провод логического зонда нужно подключить к источнику постоянного тока 0 В ÷ 5 В (выходные гнезда " +" и " –" ЕС-0905) с соблюдением полярности, щуп зонда приставить к исследуемой точке, логический уровень которой нужно определить. Тогда индикаторы-светодиоды на боковой поверхности ЛЗ покажут логический уровень " 0" при наличии в этой точке потенциала (напряжения относительно общего провода, корпуса) низкого уровня 0 В≤ U₀≤ 0, 4 В, или логический уровень " 1" при наличии напряжения высокого уровня 2, 4 В ≤ U₁≤ 5, 0 В, или " 10" (" 1" и " 0" одновременно) – при наличии импульсов. При напряжении 0, 4 B < U < 2, 4 B ЛЗ не показывает ни " 0" , ни " 1", как и при отсутствии в этой точке потенциала (напряжения).

Примечания.

1. Формы импульса (рис. 8):

Рис. 8. Формы импульса.

1) прямоугольный идеальный (рис. 8а);

- 16 -

2) прямоугольный реальный (рис. 8б);

3) треугольный (рис. 8в);

4) пилообразный (рис. 8г);

5) трапецеидальный (рис. 8д);

6) колоколообразный (куполообразный) (рис. 8е);

7) прямоугольный отрицательной полярности (рис. 8ж);

8) прямоугольный разнополярный (двуполярный) (рис. 8з).

Импульсы а-е имеют положительную полярность.

Параметры импульса.

Рис. 9. Параметры импульса.

На рис. 9: ABCDEF (или AF) – импульс, U_m – амплитуда импульса; AB – фронт импульса, t_ф= t₃- t₁ – длительность фронта импульса; BCD – вершина импульса, ∆ U – скос (завал) вершины импульса; DF – срез импульса, t_c = t₆- t₄ – длительность среза импульса; t_и= τ = t₆- t₁ – длительность импульса.

На практике длительность импульса нередко определяют на уровне 0, 5U_m, то есть t_и= t₅- t₂.

Фронт импульса – возрастание напряжения от 0, 1U_m до 0, 9U_m; срез – уменьшение напряжения от 0, 9U_m до 0, 1U_m.

Запомните: фронтом импульса называется перепад из «0» в «1»

(передняя часть импульса) – обозначают символом ; срезом импульса (иногда – задним фронтом импульса) – перепад из «1» в «0» (задняя часть

- 17 -

импульса) – обозначают .

Практическая часть.

Задание 1. Познакомиться с описаниями работы приборов Щ4300, ИПС ЕС–0905 и ЛИПС–III–1, 5. Прибором Щ4300 измерить напряжение ЕС–0905. Установить и измерить напряжения ±5 В ЛИПС–III–1, 5. Измерить сопротивления нескольких резисторов.

Задание2. Ознакомиться с работой логического зонда. Индицировать зондом логические уровни выходов (гнезд) поля «0», поля «1» БК УЛС, одного из выходов ГТИ БВ в режиме «Авт.» (в автоматическом режиме работы).

Соедините гнездо (контакт) 3 одной из кнопок кнопочного пульта БК УЛС с полем «0», гнездо (контакт) 2 с полем «1», подключите ЛЗ к гнезду (контакту) 1. Зарисуйте схему кнопки, укажите нормально замкнутые (НЗ), нормально разомкнутые (HP) пары контактов, опишите их работу. Определите логический уровень напряжения гнезда 1 при не нажатой и

нажатой кнопке.

- 18 -

Задание 3. Ознакомиться с блоками УЛС: блоком индикации БИ, коммутационным БК, вспомогательным БВ, клавиатурой (блоком клавиш).

1. Используя сигналы с полей «0» и «1», исследовать условия включения и выключения цветных лампочек (с транзисторными ключами), светодиодов, семисегментных цифровых индикаторов 7СЦИ (с кодопреобразователями ИМС 514ИД2 двоичного кода в код 7СЦИ) блока индикации БИ.

2. Используя светодиоды БИ, определить логические уровни напряжения прямых и инверсных выходов клавиш клавиатуры при не нажатых и нажатых клавишах.

3. Используя Щ 4300, измерить сопротивление между гнездом 35 КП–II и гнездами 35–II и 34–II в верхней части БК, между 34 КП–II и 34–II, 35–II, 34–I, 34–III в верхней части БК, между гнездом 1 КП–III и гнездом 1 для подключения панельки с ИМС на коммутационном поле III.

4. Включите ЭО; используя гнезда 35 и 34 коммутационных полей, подайте сигналы с выходов ГТИ-1 и ГТИ-2 БВ (в режиме «Авт.») непосредственно на входы каналов 1 и 2 ЭО (ЭО–1 и ЭО–2) параллельно. Измерьте основные характеристики сигналов – длительности импульса («1»), паузы («0») между импульсами, периода следования импульсов, фронта и среза импульса, частоты импульсов, амплитуды импульсов. Сделайте рисунок. Подключите к гнездам «С» ГТИ БВ конденсатор, исследуйте изменение характеристик импульсов.

5. Используя ЛЗ и другие приборы, пронаблюдайте на выходе (гнезде) ГТИ-7 «Один. импульс» в режимах «Ручн.» и «Авт.» без конденсатора и сконденсатором вгнездах «С» ГТИ БВ. Обратите внимание на работу индикатора БВ (ГТИ).

6. Подключите вход первого канала ЭО (ЭО-1) к гнездам «Вход У» ЭК БВ с соблюдением полярности, вход внешней синхронизации ЭО « » к гнезду «Синхр.» (большое гнездо) ЭК БВ, а малое гнездо «Синхр.» к выходу «32Т» ГТИ - 6 (режим работы ГТИ «Авт.») (На экране ЭО при включенном питании БВ – ЛИПС–III–1, 5, должно наблюдаться 8 горизонтальных линий). Определите положение этих линий, подавая на входы ЭК (ЭК-1, ЭК-2, ...) «0» и «1» с полей логических «0» и «1». Подайте на входы электронного коммутатора ЭК сигналы с выходов ГТИ. С помощью ЭО исследуйте соотношение длительности (частот), взаимное положение фронтов и срезов импульсов. Зарисуйте, полученную на ЭО, картину.

7. Используя Щ4300, измерьте напряжение на выходах логических полей «0» и «1», клавиш, ГТИ.

Задание 4. Подайте на вход простого транзисторного ключа на плате

«2И-НЕ» (на готовой схеме) логический «0». Измерьте напряжение питания

- 19 -

Е_К, напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U_КЭ, на резисторе R_К. Считая сопротивление R_К и сопротивление транзистора r_КЭ делителем напряжения, вычислите r_КЭ в этом режиме работы (в режиме отсечки). Измените сигнал на «1», снова измерьте напряжение и вычислите сопротивление транзистора r_КЭ в режиме насыщения.

Содержание.

Универсальный лабораторный стенд (УЛС) ……………………... 1

1. Блок коммутационный (БК)……………………...................... 1

2. Блок вспомогательный (БВ)………………………………….. 5

3. Генератор тактовых импульсов (ГТИ)………………………. 6

4. Электронный коммутатор (ЭК) ……………………………... 7

5. Блок индикации (БИ)…………………………………………. 7

Источники питания (ИПС)…………………………………………. 8

1. ЕС-0905 …………………………………….............................. 8

2. ЛИПС III-1, 5 ……………………………….............................. 9

Логический зонд (ЛЗ)…………………………………………….... 10

Прибор комбинированный цифровой Щ4300 ………………….... 10

Электронный осциллограф С1-93 (ЭО) ………………………….. 12

Некоторые правила сборки электрических схем ………………... 14

Примечания ………………………………………………………… 15

1. Формы импульса ……………………………………………. 15

2. Параметры импульса …………………………...................... 16

3. Импульсная последовательность ……………...................... 17

4. Понятие статического и динамического режимов работы. 17

Практическая часть …………………………………………………17