Авторы: Петров А.А., Рудаков А.В.

Авторы: Петров А.А., Рудаков А.В.

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

по дисциплине: «Микросхемотехника»

 

для специальности:

Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей»

 

Работы выполнил

Студент гр. ______

___________________

 

Работы принял преподаватель:

____________________________

Оценка: _____________________

Подпись: ____________________

Санкт – Петербург

Г.

 

Содержание

 

Лабораторная работа № 1. Логические схемы и функции. 4

Краткие сведения из теории 5

1. Основные отношения и аксиомы алгебры логики. 5

2. Логические выражения. 5

3. Логические функции. 5

4. Логические схемы. 5

5. Таблица истинности. 6

Порядок проведения экспериментов 6

Эксперимент 1. Исследование логической функции И. 6

Эксперимент 2. Исследование логической функции И-НЕ. 7

Эксперимент 3. Исследование логической функции ИЛИ. 7

Эксперимент 4. Исследование логической функции ИЛИ-НЕ. 8

Эксперимент 5. Исследование логических схем с помощью генератора слов. 9

Эксперимент 6. Реализация логической функции трех переменных. 9

Результаты экспериментов 10

Эксперимент 1. 10

Эксперимент 2. 11

Эксперимент 3. 11

Эксперимент 4. 12

Эксперимент 5. 12

Эксперимент 6. 12

Ответы на вопросы 13

 

Лабораторная работа № 2. Исследование дешифраторов. 15

Краткие сведения из теории 16

1. Комбинационные схемы. 16

2. Дешифраторы. 16

3. Использование дешифратора в качестве демультиплексора. 17

Порядок проведения экспериментов 17

Эксперимент 1. Исследование принципа работы дешифратора 3 X 8.

в основном режиме. 17

Эксперимент 2. Исследование принципа работы дешифратора в режиме 2 X 4. 18

Эксперимент 3. Исследование работы дешифратора в качестве

демультиплексора. 18

Эксперимент 4. Исследование микросхемы 74138. 19

Результаты экспериментов 19

Эксперимент 1. 19

Эксперимент 2. 20

Эксперимент 3. 20

Эксперимент 4. 21

Ответы на вопросы 21

 

Лабораторная работа № 3. Исследование мультиплексоров. 22

Краткие сведения из теории 23

1. Мультиплексоры. 23

Порядок проведения экспериментов 23

Эксперимент 1. Исследование мультиплексора. 23

Эксперимент 2. Исследование мультиплексора с помощью генератора слов. 24

Эксперимент 3. Исследование мультиплексора 74153. 24

Результаты экспериментов 25

Эксперимент 1. 25

Эксперимент 2. 25

Эксперимент 3. 26

Ответы на вопросы 26

 

Лабораторная работа № 4. Исследование RS-, JK- и D- триггеров в различных

режимах работы. 27

Краткие сведения из теории 28

1. RS – триггер. 28

2. JK – триггер. 29

3. D – триггер. 30

Порядок проведения экспериментов 31

Эксперимент 1. Исследование RS – триггера. 31

_{_____}

Эксперимент 2. Исследование RS – триггера. 32

Эксперимент 3. Исследование JK – триггера. 32

Эксперимент 4. Исследование JK – триггера в счетном режиме (Т – триггер). 33

Эксперимент 5. Исследование JK – триггера, построенного на базе логических 33

элементов и RS – триггеров.

Эксперимент 6. Исследование D – триггера. 33

Эксперимент 7. Исследование D – триггера в счетном режиме. 34

Результаты экспериментов 35

Эксперимент 1. 35

Эксперимент 2. 35

Эксперимент 3. 35

Эксперимент 4. 36

Эксперимент 5. 36

Эксперимент 6. 36

Эксперимент 7. 37

Ответы на вопросы 37

 

Лабораторная работа № 5. Исследовапие работы счетчиков в различных

режимах работы. 38

Краткие сведения из теории 39

1. Счетчики. 39

2. Изменение направления счета. 39

3. Изменение коэффициента пересчета. 39

Порядок проведения экспериментов 41

Эксперимент 1. Исследование суммирующего счетчика. 41

Эксперимент 2. Исследование вычитающего счетчика. 41

Эксперимент 3. Исследование счетчика с измененным коэффициентом пересчета.

Результаты экспериментов 42

Эксперимент 1. 42

Эксперимент 2. 43

Эксперимент 3. 43

Ответы на вопросы 44

Рекомендуемая литература 45

 

 

Лабораторная работа № 1

Логические схемы и функции

Цель работы

1. Исследование логических схем.

2. Реализация логических функций при помощи логических элементов.

3. Синтез логических схем, выполняющих заданные логические функции.

 

 

Приборы и элементы

Таблица 1

Название прибора или элемента	Обозначение прибора или элемента
Генератор слов	0000 xxxx
Логический анализатор
Логические пробники
Источник питания
Двухпозиционные переключатели
Базовые двухвходовые элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ
Микросхемы серии 74

 

Краткие сведения из теории

 

Логические выражения.

Логические выражения связывают значение логической функции со значениями логи­ческих переменных. Порядок действий в логических выражениях такой же, как и в обычных алгебраических выражениях.

Запись логических выражений обычно осуществляют в конъюнктивной или дизъюнк­тивной формах.

3. Логические функции.

Любое логическое выражение, составленное из n переменныхc помо­щью операций алгебры логики, является логической функцией п переменных. В соответствии с ак­сиомами алгебры логики функция может принимать значение 0 или 1. Основные логические функции для двух переменных х и у имеют следующий вид:

 

 

F 1 (x, у) = х • у - логическое умножение (конъюнкция),

F 2 (x, у) = х v у - логическое сложение (дизъюнкция),

_{_______}

F 3 (x, у) = х • у - логическое умножение с инверсией,

_{_________}

F 4 (x, у) = х v у - логическое сложение с инверсией.

4. Логические схемы.

Физическое устройство, выполняющее простейшую логическую функцию, называется логическим элементом. Схема, составленная из элементов, называется логической схемой.

5. Таблица истинности.

Любая логическая функции из п переменных может быть задана таблицей значений. Такие таблицы называют таблицами истиннос­ти. Таблица 2 является таблицей истинности, задающей указанные выше основные логические функции F1, F2, F3, F4 для двух переменных: X и Y.

Таблица 2

Значения переменных	Функции
X	Y	F l	F 2	F 3	F 4

 

Рис. 2

 

Соберите схему, изображенную на рис. 2. Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбина­ции уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сиг­налов на входах и выходе с помощью логических пробни­ков, заполните таблицу истинности логической схемы 2И-НЕ (таблица 4 в разделе " Результаты эксперимен­тов" ).

 

б). Экспериментальное получение таблицы истин­ности логического элемента 2И-НЕ.

Рис.3

Соберите схему, изображенную на рис. 3. Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные ком­бинации уровней входных сигналов и, наблюдая уров­ни сигналов на входах и выходе с помощью логичес­ких пробников, заполните таблицу истинности логической схемы 2И-НЕ (таблица 5 в разделе " Ре­зультаты экспериментов" ).

 

Рис.4

б). Получение аналитического выражения для функции.

По заполненной в предыдущем пункте таблице истинности составьте аналитическое выражение функ­ции и занесите его в раздел " Результаты экспериментов".

Рис.5

Включите схему. Подайте на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, заполните таблицу истинности логической схемы 2ИЛИ-НЕ (таблица 7 в разделе " Результаты экспериментов" ).

 

б). Экспериментальное получение таблицы истиннос­ти логического элемента 2ИЛИ-НЕ. Соберите схему, изображенную на рис. 6.

Рис.6

Включите схе­му. Подайте на входы схемы все возможные комбинации уровней входных сигналов и, наблюдая уровни сигналов на входах и выходе с помощью логических пробников, запол­ните таблицу истинности логической схемы 2ИЛИ-НЕ (таблица 8 в разделе " Результаты экспериментов" ). Срав­ните полученные результаты с предыдущей таблицей.

Эксперимент 5. Исследование логических схем с помо­щью генератора слов.

а). Сведения об исследуемой микросхеме.

Откройте файл с12_02 со схемой, изображенной на рис. 7.

Рис. 7

 

Включите схему. Укажите, к каким выводам микросхемы 7400 подключается источник питания, сколько элементов 2И-НЕ содержит микросхема, сколько элементов использует­ся в данном эксперименте и как обозначены на схеме использу­емые входы и выходы. Заполните таблицу сведений о микро­схеме (таблица 9 в разделе " Результаты экспериментов" ).

 

б). Экспериментальное получение таблицы истинности логического элемента 2И-НЕ.

Запрограммируйте генератор слов так, чтобы на выходе гене­ратора получать последовательно следующие комбинации: 00, 01, 10, 11. Переведите генератор в режим

пошаговой работы нажатием кнопки " Step" на увеличенном изображении генератора. Каждое нажатие кнопки " Step" вызывает пере­ход к очередному слову заданной последовательности, которое подается на выход генера­тора. Последовательно подавая на микросхему слова из заданной последовательности, за­полните таблицу истинности элемента 2И-НЕ ( таблица 10 в разделе " Результаты экспериментов" ).

 

Указание: значения разрядов текущего слова на выходе генератора отображаются в нижней части на панели генератора.

Эксперимент 6. Реализация логической функции 3-х переменных.

а). Синтез схемы, реализующей функцию, заданную логическим выражением.

Реализуйте функцию F = ab v bс на элементах 2И-НЕ.

Соберите схему на элементах 2И-НЕ, соответствующую полученному выражению.

Подключите к входам схемы генератор слов, к выходу - логический пробник. Генератор слов запрограммируйте на формирование последовательности из восьми слов, соответствующих числам от 0 до 7:

 

0=000; 1=001; 2=010; 3=011; 4=100; 5=101; 6=110; 7=111.

 

В пошаговом режиме, последовательно подавая на вход полученной схемы все слова последова­тельности, определите при помощи логического пробника уровень сигнала на выходе схемы. По полученным результатам заполните таблицу 11 в разделе " Результаты экспериментов".

 

б). Синтез схемы, реализующей заданную функцию при помощи логического преобразователя.

Для получения схемы, реализующей функцию, описываемую логическим выражением F = ab v bc, можно воспользоваться логическим преобразователем. Для этого проделайте следующее:

 

1) вызовите логический преобразователь;

2) введите в нижнее окно панели преобразователя логическое выражение ab v bc

с клави­атуры (операции ИЛИ соответствует знак «+», инверсия обозначается

апострофом);

3) для реализации схемы на элементах И-НЕ нажмите клавишу А|В —> NAND на

панели логического преобразователя.

 

Рис. 8

 

Логический преобразователь выводит на рабочее поле схему, реализующую функцию, описы­ваемую введенным логическим выражением. Полученная схема приведена на рис. 8. К схеме подключите генератор слов, запрограммированный на формирование восьми слов, соответствующих числам от 0 до 7: 0=000; 1=001; 2=010; 3=011; 4=100; 5=101; 6=110; 7=111.

Переведите генератор слов в пошаговый режим. Включите схему. Последовательно подавая на входы схемы указанные слова и определяя уровень сигнала на выходе схемы логическим пробни­ком, заполните таблицу истинности (таблица 12 в разделе " Результаты экспериментов" ).

 

 

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Исследование логической функции И.

а). Задание уровней логических сигналов.

 

Измерение

Напряжение на входе B (ключ B в нижнем положении), В ________________

 

Логический сигнал на входе B (ключ B в нижнем положении) ________________

 

 

Напряжение на входе B (ключ B в верхнем положнии), В ________________

 

 

Логический сигнал на входе B (ключ B в верхнем положении) ________________

 

 

Логический сигнал на выходе Y ________________

 

б). Экспериментальное получение таблицы истинности элемента И.

Таблица 3

Входы	Выход
А	в	Y
	о
о
	о

 

в). Получение аналитического выражения для функции.

Аналитическое выражение для функции:

Эксперимент 2. Исследование логической функции И-НЕ. а). Элемент 2И-НЕ, составленный из 2И и НЕ. б). Элемент 2И-НЕ.

Таблица 4 Таблица 5

Входы	Выход		Входы	Выход
А	B	Y	А	B	Y
1

Рис. 10

Входы управления используются для каскадирования (увеличения разрядности) дешифраторов.

3. Использование дешифратора в качестве демультиплексора.

Дешифратор может быть использован и как демультиплексор - логический коммута­тор, подключающий входной сигнал к одному из выходов. В этом случае функцию инфор­мационного входа выполняет один из входов разрешения, а состояние входов C, В и A зада­ет номер выхода, на который передается сигнал со входа разрешения.

Рис. 12

 

помощью пробников заполните таблицу истинности дешифратора (таблица 15 в разделе " Результаты экспериментов" ). Укажите выходы, на которых уровень сигнала не меняется.

б). Проделайте пункт а) при C = 1, для чего вход C подключите к источнику логической единицы. Заполните таблицу истинности дешифратора (таблица 16 в разделе " Результаты экспериментов" ). Укажите выходы, на которых уровень сигнала не меняется.

в). Проделайте пункт а), заземлив вход B ( В=0 ), а на входы A и C подавая все возможные ком­бинации логических уровней. Заполните таблицу истинности (таблица 17 в разделе " Результаты экспериментов" ), там же укажите номера выходов, на ко­торых уровень логического сиг­нала не изменяется.

Эксперимент 3. Исследова­ние работы дешифратора в качестве демультиплексора.

Откройте файл с13_02 со схемой, изображенной на рис.13

 

 

Рис. 13

Включите схему. В пошаго­вом режиме работы генератора слов подайте на входы C, B, А де­мультиплексора слова, эквива­лентные числам от 0 до 7. Наблю­дая при помощи логических пробников уровни сигналов на выходах, заполните таблицу 18 в разделе " Результаты экспери­ментов". Убедитесь, что изменя­ющийся сигнал на входе G пооче­редно появляется на выходах де­шифратора.

Результаты экспериментов

Цель работы

1. Ознакомление с принципом работы мультиплексора.

2. Реализация электронных схем на основе мультиплексоров.

 

Приборы и элементы

Таблица 22

Название прибора или элемента	Обозначение прибора или элемента
Генератор слов	0000 xxxx
Мультиплексор
Логические пробники
Источник питания
Двухпозиционные переключатели
Микросхема 74153 ( сдвоенный 4 – канальный мультиплексор )

Краткие сведения из теории

 

Мультиплексоры.

Мультиплексор - комбинационная логическая схема, пред­ставляющая собой управляемый переключатель, который под­ключает к выходу один из информационных входов данных. Но­мер подключаемого входа равен числу (адресу), определяемому комбинацией логических уровней на входах управления. Кроме информационных и управляющих входов, схемы мультиплексо­ров содержат вход разрешения, при подаче на который активного уровня мультиплексор переходит в активное состояние. При по­даче на вход разрешения пассивного уровня мультиплексор перейдет в пассивное состоя­ние, для которого сигнал на выходе сохраняет постоянное значение независимо от значе­ний информационных и управляющих сигналов. Число информационных входов у мультиплексоров обычно 2, 4, 8 или 16. На рис. 15 представлен мультиплексор 8х1 с ин­версным входом разрешения G, прямым Y и инверсным W-выходами (W = Y).

 

Рис. 15

 

 

Рис. 17

 

Включите схему. Подавая в пошаговом режиме слова от генератора слов на входы мультиплексора и наблюдая уровни сигналов на выходах Y и W при помощи ло­гических пробников, заполните таблицу 24 в разделе " Результаты экспериментов".

Эксперимент 3. Исследование мультиплексора 74153.

а). Откройте файл с13_11 со схемой, изоб­раженной на рис.18.

Рис. 18

 

Рис. 18

Исследуйте рабо­ту сдвоенного четырехканального муль­типлексора (микросхема 74153). Составь­те таблицу работы схемы для выходов Y1 и Y2. Для этого установите ключами 1 и 2 уровень логического нуля на входах G1 и G2. Затем в пошаговом ре­жиме последовательно подайте от генера­тора все слова последовательности для каждой комбинации логических уровней на входах A и В. Для каждого шага опре­делите входы, сигналы с которых прохо­дят на выходы микросхемы. Обозначения входов занесите в таблицу 25 в разделе " Результаты экспериментов".

б). При помощи ключа 1 установите уровень логической единицы на входе 1G микросхе­мы. Подавая на входы микросхемы слова от генератора, определите, какой из выходов ми­кросхемы перестал реагировать на изменение состояния входов. Запишите обозначение этого вывода в раздел " Результаты экспериментов".

в). Повторите действия пункта б), установив на входе 2G уровень логической единицы, а на входе 1G — уровень логического нуля.

 

Результаты экспериментов

 

Эксперимент 1. Исследование мультиплексора.

 

Таблица 23

A	B	C	Y	W

 

 

Выводы, не влияющие на состояние выходов микросхемы: _________________________

 

Таблица 24

A	B	C	Y	W

 

 

Цель работы

1. Изучение структуры и алгоритмов работы различных типов триггеров.

2. Исследование функций возбуждения основных типов триггеров.

3. Исследование взаимозаменяемости триггеров различных типов.

 

Приборы и элементы

Таблица 26

Название прибора или элемента	Обозначение прибора или элемента
Генератор слов	0000 xxxx
Вольтметр
Логические пробники
Источник питания
Двухпозиционные переключатели
Двухвходовые элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ
RS – триггеры, JK – триггеры,   D – триггеры

Краткие сведения из теории

 

Триггер имеет два устойчивых состо­яния: Q = 1 и Q = 0, поэтому его иногда называют бистабильной схемой. В каком из этих состояний окажется триггер, зависит от сигналов на входах триггера и от его предыдущего состояния, т. е. он имеет память. Иначе говоря, триггер является элементарной ячейкой памяти.

Триг­гер может иметь установочные, информационные и управляющие входы. Установочные входы ус­танавливают состояние триггера независимо от состояния других входов. Входы управления раз­решают запись данных, подающихся на информационные входы. Наиболее распространенными являются триггеры RS, JK, и D-типов.

1. Триггер типа RS

RS-триггер – простейшая ячейка с памятью, которая может находиться в двух состояниях. Триггер имеет два установочных входа: установки S (set - установка) и сброса R (reset - сброс), на которые подаются входные сигналы от внешних источников. При пода­че на вход установки активного логического уровня триггер устанавливается в

_{___}

единичное состояние (Q = 1, Q = 0), при подаче активного уровня на вход сброса

_{____}

триггер устанавливается в нулевое состояние ( Q = 0, Q = 1). Если подать на оба входа установки (возбуждения) пассивный уровень, то триггер будет со­хранять предыдущее

__ __

состояние выходов: Q = 0 ( Q = 1 ) либо Q = 1 ( Q= 0 ). Каждое состояние выходов устойчиво.

Для триггеров этого типа является недопустимой одновременная подача активного уровня на оба входа установки, т. к. триггер не может одновременно быть установлен в ноль и единицу.

На рис. 19 и 20 показаны два вида RS-триггеров, выполненных на элементах ИЛИ-НЕ и

И-НЕ.

 

 

Рис.19 Рис.20

 

Для схемы на рис.19 активным уровнем является уровень логической единицы, для схемы на рис.20 - уровень логического нуля. Схема на рис. 20 получила название RS-триггера с инверсными входами.

Состояние выхода триггера зависит от того, в какой последовательности на входы подаются комбинации входных сигналов и каково было предше­ствующее состояние. Так, если в RS-триггере (рис.19) вначале установить комбинацию R = 0, S = 1 (сокращенная запись - 01), а потом перейти к R = 0, S = 0 (00), то состояние выхода Q = 1. Если же вначале устано­вить комбинацию 10, а потом перейти к 00, то состояние выхода будет другим: Q = 0, несмотря на одинаковые комбинации сигналов на входах.

Таким образом, при од­ной и той же комбинации входных сигналов выход триггера

может находиться в разных состояниях.

Алгоритм работы триггера можно описать табличным или аналитическим способами. Табличное описание работы RS-триггера (рис.19) представлено в таблице27 (таблица функций возбуждения).

 

Таблица 27

Qt	Qt+1	R	S
		x
			x

 

 

В таблице использованы следующие обозначения:

Qt - предшествующее состояние выхода;

Qt+1 - новое состояние, устанавливающееся после перехода (возможно Qt+1= Qt);

х - безразличное значение сигнала: 0 или1.

 

Аналитическое описание (характеристическое уравнение) RS –триггера имеет вид:

Qt+1=RS v RQt =R (S v Qt).

Зависимость Qt+1 от Qt характеризует свойство запоминания предшествующего состояния.

2. JK-триггер _{___}

Помимо информационных входов J и K и прямого и инверсного выходов Q и Q, JK-триггер имеет вход управления C (этот вход так­же называют тактирующим или счетным), а также асинхронные установочные R и S - входы.

Активный уровень сиг­нала (0) на входе S устанавливает триггер в состояние

Q = 1, а активный уровень сигнала на входе R - в состояние Q = 0, независимо от сигналов на остальных входах.

Если на оба входа установки одновременно подать пассивный уровень сигнала (1), то состояние триггера будет изменяться по фронту импульса на счетном входе в зависимости от состояния входов J и K, как показано в таблицах переходов (табл.28) и функций возбуждения (табл.29).

 

 

Таблица 28.

J	K	Qt+1
		Qt
		Qt

 

Таблица 29.

Qt	Qt+1	J	K
		x
			x

 

Работа JK-триггера описывается характеристическим уравнением:

 

Qt+1 = JtQt V QtKt

 

Один из вариантов функциональной схемы JK-триггера со входами установки логичес­ким нулем и его условное графическое обозначение приведены на puc. 21, 22 соответственно. Вре­менные диаграммы его работы при R = S = 1 приведены на рис. 23.

 

Рис. 21

Рис. 22

Рис.23

 

D-триггер.

D-триггер имеет один информационный вход D (data - данные). Информация со входа D заносится в триггер по положительному перепаду импульса на счетном входе C и сохра­няется до следующего положительного перепада на счетном входе триггера. Кроме счетного C и информационного D входов, триггер снабжен асинхронными установочными

R- и S- входами. R- и S- входы устанавливают триггер независимо от сигналов на входах C и D. Функционирование D-триггера описывается таблицей функций возбуждения (табл. 30) и диаграммами входных и вы­ходных сигналов (рис. 24).

 

Таблица 30

Qt	Qt+1	D

 

Рис. 24

 

Условное обозначение D-триггера представлено на рис. 25.

 

Рис. 25

Рис.30

 

 

Рис. 31

Убедитесь в том, что: _{__}

· приR = 1, S = 0 триггер устанавливается в 1 (Q = 1, Q = 0) независимо от состояния ос­тальных входов; _{__}

· при R = 0, S = 1 триггер устанавливается в 0 (Q = 0, Q = 1) независимо от состояния ос­тальных входов.

_{__ __}

б). Установите S = R = 1, проверьте истин­ность таблицы функций возбуждения (табл. 30), по результатам эксперимента заполните таблицу 34 в разделе «Резуль­таты экспериментов».

в). Составьте временные диаграммы работы триггера для всех возможных комбинаций Qt, Dt и зарисуйте их в раздел «Результаты экс­периментов».

Результаты экспериментов

 

Лабораторная работа № 5

Цель работы

1. Изучение структуры и исследование работы суммирующих и вычитающих счетчиков.

2. Изучение способов изменения коэффициента пересчета счетчиков.

3. Исследование работы счетчиков с коэффициентом пересчета, отличным от 2ⁿ.

 

Приборы и элементы

Таблица 35

Название прибора или элемента	Обозначение прибора или элемента
Генератор слов	0000 xxxx 12345678Следующая ⇒ Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-15; Просмотров: 368; Нарушение авторского права страницы