Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов высших учебных заведений по специальности 230101. 65 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети» icon

Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов высших учебных заведений по специальности 230101. 65 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети»



Смотрите также:
Методические указания и контрольные задания для студентов заочников Специальности 230101...
Рабочая программа...
Методические указания и контрольные задания Для студентов специальности 230101 «Вычислительные...
Методические разработки к курсовому проектированию для студентов высших учебных заведений по...
Методические указания и контрольные задания Для студентов специальности 230101 «Вычислительные...
Программа итоговой государственной аттестации выпускников по специальности 230101 Вычислительные...
Методические указания по выполнению контрольных работ и подготовке к экзамену по дисциплине...
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»...
Методические указания для студентов по прохождению производственной (профессиональной) практики...
Методические указания по выполнению и офрмлению квалификационной (дипломной) работы...
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»...
Рабочая программа...



страницы:   1   2   3   4   5   6
скачать
Калининградский Государственный Технический Университет


СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ.


Методические указания по выполнению лабораторных работ для

студентов высших учебных заведений по специальности

230101.65 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети»


Калининград

Издательство КГТУ

2005

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 30

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 36

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 47


^

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1


Базовые логические элементы. Реализация простейших логических функций.

Цель работы: изучение основных характеристик интегральных микросхем транзисторно-транзисторной логики; обучение навыкам проектирования и синтеза простейших комбинационных схем.

Литература: /1/, с. 6-25; /2/, с. 65-78; /3/, с. 87-118; /4/, с. 18-28; /7/, с. 542-552.

Приборы и оборудование: лабораторный стенд УМ11.


1.1 Общая часть.

1.1.1 Представление информации физическими сигналами.

Числовые данные и машинные команды представлены в ЭВМ в двоичной системе счисления. Физическими аналогами знаков 0 и 1 двоичного алфавита служат сигналы, способные принимать два хорошо различимых значения, например, напряжения (потенциал) высокого и низкого уровня, отсутствие или наличие электрического импульса в определённый момент времени, противоположные по знаку значения напряжённости магнитного поля и т.п.

В цифровых вычислительных устройствах обычно применяют два первых способа физического представления информации, в соответствии с чем, схемы цифровых устройств принято делить на потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные.

Потенциальный сигнал присутствует в определённой точке схемы в течение всего машинного такта и характеризуется величиной верхнего и нижнего уровня напряжения U1 и U0.

Наличие фронта и спада у потенциального сигнала связано с процессом перехода от нижнего к верхнему и от верхнего к нижнему уровню. Длительность этих процессов обозначается соответственно t01 и t10 (рис. 1.1), причём моменты перехода определяются тактовыми сигналами.

Импульсный сигнал, помимо перечисленных выше параметров, определяется также моментом своего появления и длительностью, не зависящей в общем случае от длительности машинного такта (рис. 1.1).

В транзисторной схемотехнике прошлых лет наибольшее распространение получили импульсные и импульсно-потенциальные системы элементов. Внедрение в аппаратуру серий ИС с потенциальными логическими элементами вытеснило другие цифровые структуры. Новые разработки, тем не менее, показали возможность очередного этапа развития импульсно-потенциальных систем на базе интегральных разностных преобразователей (РП). Такие РП формируют импульсные сигналы при заранее определённых видах переключений входных булевых переменных. Длительность выходного импульса синхронных РП определяется параметрами их компонентов, обеспечивающих задержку прохождения сигналов. В синхронных РП в качестве элемента задержки используются D-триггеры или регистры сдвига, поэтому длительность выходного импульса определяется периодом тактовых сигналов.




1.1.2 Системы логических элементов. Основные характеристики.

Системой (серией) логических элементов ЭВМ называется предназначенный для построения цифровых устройств функционально полный набор логических элементов, объединяемый общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами, использующие способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей. Система элементов включает элементы для выполнения логических операций, а также усиления, восстановления и формирования стандартной формы сигналов.

Основными параметрами систем логических элементов являются (табл. 1.1):

1. Напряжения питания и логических уровней. Система элементов характеризуется количеством используемых питающих напряжений и их номинальными значениями.

Для логических уровней указываются их полярность и величина. Если не оговорено особо, то логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице - высокий (положительная логика).

2. Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность К раз) характеризует количество входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу логического ключа.

3. Помехоустойчивость. Помехой называется нежелательное электрическое воздействие (например, пульсации напряжения питания, действия паразитных ёмкостей) на логический элемент, которое может привести к искажению преобразуемых или хранимых данных. Помехоустойчивость есть способность элемента правильно функционировать при наличии помех, она определяется максимально допустимым напряжением помехи, при котором не происходит сбоя в его работе.

4. Быстродействие логических элементов является одним из важнейших параметров и характеризуется средним временем задержки распространения сигнала

(1.1)

Время задержки распространения при включении t01зд.р., и выключении t10зд.р. измеряют как интервал между уровнем 0,5UвхА входного сигнала и уровнем 0,5UвыхА выходного сигнала (рис. 1.2)


Рис. 1.2


5. Потребляемая мощность также является немаловажным фактором, поскольку ее увеличение повышает затраты на создание и эксплуатацию цифровых устройств, а снижение уменьшает быстродействие и помехоустойчивость. В зависимости от типа компонентов наиболее широко распространённые серии элементов характеризуются следующими усреднёнными параметрами:

Таблица 1.1

Тип-серия

ТТЛ

ДТЛ

ЭСЛ

кМОП

n-МОП

p-МОП

Характеристика

155

158

131

511

500

176

172

108

1. Напряжение

питания

Напряжение лог. 0

Напряжение лог. 1

+5


0,4

2,4

+5


0,4

2,4

+5


0,4

2,5

+15


1,5

12

-5,2


-1,63

-0,98

+9,0


0,3

8,2

-27


-2,0

7,5

-27


0,85

-9,5

2. Коэффициент

разветвления

10

10

10

25

-

100

15

10

3. Время задержки

распространения, нс

15

15

10

300

2,9

200

600

6000

4. Потребляемая

мощность на

элемент, мВт

24

4,85

50

187

35

0,001

-

100



1.1.3 Рекомендации по применению интегральных микросхем серии К155.

1.1.3.1 Подключение неиспользованных входов

Для обеспечения максимального быстродействия и помехоустойчивости неиспользуемые входы должны находиться под постоянным потенциалом. Это позволяет исключить перезарядку ёмкости разомкнутого эмиттера входного транзистора относительно выводов схемы, которая увеличивает задержку сигнала. Существует ряд методов создания данного потенциала. Напряжение питания, ограниченное до значения 4,5 В, позволяет подключать неиспользуемые входы непосредственно к источнику питания.

Если напряжение 4,5 В отсутствует, то возможно подключение до 20 неиспользуемых входов через резистор сопротивлением 1кОм к источнику питания +5 В. Неиспользуемые входы можно соединить с используемым, если логическая функция при этом не претерпит изменений и не будет превышена нагрузочная способность при входном напряжении, соответствующем уровню логической единицы.

Неиспользуемые входы могут быть подключены к выходу неиспользуемой инвертирующей микросхемы, на вход которой подаётся напряжение логического нуля. При необходимости на отдельные неиспользуемые входы микросхем серии К155 подаётся напряжение логического нуля, что определяется таблицей истинности соответствующей микросхемы.

Рассмотрим возможность применения данных способов подключения неиспользуемых входов для получения инвертора на основе микросхемы К155 ЛА4 (3 элемента «ЗИ-НЕ») (рис. 1.3-1.5).










1.1.3.2 Допустимые значения фронта спада сигнала

Для микросхем серии К155 длительность фронта не должна превышать 150 нс (для ИС 155 ЛА8 длительность фронта и спада критична).

1.1.3.3 Обеспечение коэффициентов разветвления

Для обеспечения работоспособности логических микросхем друг от друга при условии сохранения их параметров, оговоренных в ТУ, необходимо выполнять следующие требования:

- выходные напряжения микросхем-генераторов в открытом и закрытом состояниях должны соответствовать входным напряжениям закрытого и открытого состояния микросхемы - нагрузки с учётом величины напряжения помехи,

- значение суммарных токов всех микросхем-нагрузок, подключённых к выходу микросхемы-генератора, не должно превышать значений выходных токов микросхемы-генератора в открытом и закрытом состояниях,

- значение суммарных ёмкостей входов микросхем-нагрузок, при которых регламентируются временные параметры, не превышает 15 пФ. При необходимости суммарная ёмкость нагрузки ИС-генератора с учётом ёмкости монтажа может достигать максимальной ёмкости нагрузки 200 пФ, но динамические параметры при этом не регламентируются.

Примечание. При объединении нескольких входов одного логического элемента, принадлежащих одному многоэмиттерному транзистору, ток I0вх остаётся неизменным, ток I1вх увеличивается пропорционально числу объединяемых входов.

1.1.3.4 Нумерация выводов микросхем

Микросхемы 155-й серии, применяемые в данном лабораторном практикуме, могут иметь 14 или 16 выводов. Нумерация выводов показана на рис. 1.6.



Устройство, преобразующее дискретную информацию, в общем случае имеет n-входов и k-выходов, на которые подаются и с которых снимаются электрические сигналы. Каждый из них представляет собой некоторый символ (букву) входного и выходного алфавита. Устройства, в которых совокупность выходных сигналов (выходное слово Y) в некоторый момент времени t, однозначно определяется входными сигналами (входным словом X), поступившими на входы в тот же момент времени, называются комбинационными схемами. В них результат обработки информации зависит только от комбинации входных сигналов и вырабатывается сразу при подаче входной информации.

Закон функционирования комбинационной схемы (КС) определён, если задано соответствие между словами ее входного и выходного алфавитов, что может быть осуществлено либо в виде таблицы, либо в аналитической форме, с использованием булевых функций. Таким образом, комбинационная схема, выполняющая соответствующее некоторой булевой функции преобразование информации, является её техническим аналогом. КС, реализующая элементарную логическую операцию, носит название логического элемента, причём число его входов соответствует числу аргументов воспроизводимой им булевой функции.

В состав элементов ТТЛ 155-й серии входит ряд элементов малой степени интеграции, выполняющих элементарные логические операции.

Базовым элементом, т.е. таким, посредством которого могут быть реализованы все остальные логические операции, является элемент И-НЕ. Технология производства позволяет число входов данного элемента варьировать от 2 до 8, при этом, в зависимости от данного числа, наименование элемента будет: 2И-НЕ, ЗИ-НЕ, 4И-НЕ, 8И-НЕ. Элементы с числом входов 5, 6, 7 - не изготавливаются. Схема базового элемента показана на рис. 1.7.




Основной его особенностью является использование многоэмиттерного транзистора, специфичного для интегрального исполнения логических элементов. При подаче на все его эмиттеры, выполняющие роль входов логического элемента, сигнала высокого уровня, ток коллектора смещается в прямом направлении и возникает ток базы транзистора VT2. За счёт падения напряжений на резисторах R2 и R3 транзистор VT3 закрывается, VT4 - открыт, при этом напряжение на выходе не превышает 0,4 В. При подаче сигнала низкого уровня хотя бы на один вход - картина противоположная: транзисторы VT2 и VT4 закрываются, а VT3 - открыт. На выходе элемента устанавливается потенциал более 2,4В. Выходной каскад подобного вида иногда называется столбовым. Некоторым недостатком подобного принципа построения выходного каскада является невозможность создания "монтажной функции" путём соединения выходов определённых элементов. Указанное ограничение снимается при использовании микросхем с "открытым коллектором" (рис. 1.8).




Отсутствие транзистора, сходного по функции с VT3 согласно рис. 1.7, компенсируется наличием нагрузочного резистора Rн, за счёт которого при закрытом транзисторе VT3 на входах элементов, подключённых к данному, устанавливается единичный потенциал. Подключение к точке А выходов однотипных элементов, транзисторы VT3 которых закрыты, не изменяет состояние. Если же хотя бы один из указанных транзисторов открыт, в точке А устанавливается низкий потенциал.

Очевидно, что таблица истинности для данного типа микросхем будет включать одну строку, соответствующую случаю, когда на все входы поданы логические единицы, с нулём в графе выхода. В остальных 2N-1 случаях (где N - число входов) на выходе будет сохраняться высокий уровень.


1.2 Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с установкой УМ11. Разобраться с назначением всех гнёзд, имеющихся на наборном поле установки.

2. Экспериментальным путём получить таблицы истинности для следующих элементов:

2-И-НЕ,

3-И-НЕ,

4-И-НЕ,

2И-2ИЛИ-НЕ.

В отчёте для каждого элемента должно быть приведено его название, математическое представление реализуемой функции, графическое обозначение и таблица истинности.

3. Построить на основе элементов "2-И-НЕ" схему, реализующую функцию элемента "НЕ". Привести 2 различные схемы, их математические модели и графическое изображение.

4. Построить на основе элементов "2-И-НЕ" схему, реализующую функцию элемента "ИЛИ". Привести математическое описание работы схемы и её графическое изображение.

5. Построить на основе элементов "2-И-НЕ" схему, реализующую функцию элемента "И". Привести математическое описание работы схемы и её графическое изображение.

6. Построить на основе элементов "2-И-НЕ" схему, реализующую функцию, указанную преподавателем.

7. Определить свой вариант переключательной функции. Для этого необходимо номер варианта перевести в двоичную систему счисления и записать шесть его младших разрядов в виде слова α6 α5 α4 α3 α2 α1. Определив значение αi, записать их в табл. 1.2.

Например, если номер варианта 19 (010011), то α6=0, α5=1, α4=0, α3=0, α2=1, α1=1.

Для заданной функции и ее отрицания найти МДНФ. Представить функцию в форме И-НЕ.

Построить указанную схему, учитывая, что на входы могут подаваться с помощью тумблеров прямые и инверсные значения переменных.


Таблица 1.2

X4

X3

X2

X1

y

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

0

α1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

α2

0

1

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

α3

1

0

0

1

α4

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

0

1

1

1

1

1

0

α5

1

1

1

1

α6



1.3 Вопросы для самостоятельной работы

1. Системы логических элементов (серии, комплексы), основные параметры системы логических элементов, значения основных параметров для логических элементов серии 155.

2. Подключение неиспользуемых входов элементов, работоспособность элемента с "висящими в воздухе" выводами.

3. Базовый элемент 155-й серии, реализация элемента "НЕ", "ИЛИ" многовходовых "И" и "ИЛИ", "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ".

4 Комбинационная схема, закон функционирования, способы его задания.

5. Управляемый инвертор.

6. Схемы с "открытым коллектором", "монтажное ИЛИ", возможность соединения логических элементов, минимальные и максимальные величины нагрузочных резисторов для элементов с открытым коллектором.

7. Система обозначения микросхем.




Скачать 0,98 Mb.
оставить комментарий
страница1/6
Дата30.09.2011
Размер0,98 Mb.
ТипМетодические указания, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6
хорошо
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх