Разработка лабораторных работ по цифровой электронике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

по дисциплине: Электроника и микропроцессорная техника

Разработка лабораторных работ по цифровой электронике.

Содержание

Введение

Лабораторная работа №1. Исследование логических элементов

Лабораторная работа № 2. Исследование триггерных устройств на интегральных микросхемах

Лабораторная работа №3. Исследование триггера Шмитта (несимметричный триггер)

Лабораторная работа № 4. Исследование мультивибраторов

Лабораторная работа 5. Исследование шифраторов и дешифраторов

Лабораторная работа 6. Мультиплексоры и демультиплексоры

Лабораторная работа 7. Регистры

Лабораторная работа № 8. Счетчики импульсов

Лабораторная работа № 9. Исследование арифметико-логического устройства

Заключение

Список использованных источников

Приложение 1 Условные обозначения микросхем

устройство микросхема триггер счетчик

Введение

Истоки цифровой техники начинаются в 30-50-х годах двадцатого века, когда с развитием вычислительной техника стало очевидно, что информацию можно измерить количественно, обработать и передать. Следовательно, возможно создать машину, способную выполнять все эти действия. Появились определение понятия информации, определено понятие минимального количества информации, созданы устройства для реализации логических функций и для хранения информации. Следствием этого стало появление электронно-вычислительных машин, которые за последние десятилетия стали неотъемлемой частью любой сферы человеческой деятельности. В последнее время цифровые системы управления практически вытеснили аналоговые, что объясняется развитием элементной базы, позволяющей создавать всё более дешевые, компактные и универсальные устройства. Знание принципов действия цифровых устройств необходимо специалистам, работающим в сфере автоматизации производства.

Цифровые интегральные микросхемы прошли длительный путь развития. За время их существования были разработаны схемы реализации логических функций на диодах, резисторах, полевых и биполярных транзисторов.

В методическом пособии должны быть описаны основные типы компонентов, применяемых в цифровых устройствах, принципы их действия и использования; лабораторные опыты, позволяющие на практике изучить устройства цифровой техники.

Лабораторная работа №1. Исследование логических элементов

1. Цель работы

1. Изучение принципа действия и назначение основных логических элементов.

2. Практическое изучение работы логических элементов на основе микросхем ЛА3, ЛА7, ЛИ1, ЛЕ1, ЛН6, ЛР4, ЛП5 и 561ЛП13.

2. Краткие сведения из теории

2.1 Основные логические функции

Логическая переменная имеет только два значения ("истина" и "ложь"). В алгебре логики их обозначают как "1" и "0" и называют логической единицей и логическим нулем.

Существуют три основные операции над переменными:

- инверсия (логическое отрицание, функция НЕ);

- дизъюнкция (логическое сложение, функция ИЛИ);

- конъюнкция (логическое умножение, функция И). Операции над логическими переменными подчиняются ряду законов и правил:

1) Операции c константами:

А?1=А А+1=1

А?0=0 А+0=А

=1 =0

2) Правило повторения:

А?А=А А+А=А

3) Правило отрицания:

А?=0 А+=1

4) Коммутативный закон:

А?В=В?А А+В=В+А

5) Ассоциативный закон:

(А?В)?С =А?(В?С) (А+В)+С =А+(В+С)

6) Дистрибутивный закон:

А?(В+С) =А?В+А?С А+В?С=(А+В) ?(А+С)

7) Правило склеивания:

A?(A + B) = A А+А?В=А

8) Теорема де Моргана:

=+ =

Из сопоставления левых и правых частей правил виден содержащийся в них дуализм: тождество сохраняется, если в нем поменять местами конъюнкцию с дизъюнкцией и 0 с 1.

Основные логические функции могут быть реализованы с помощью электронных схем, называемых логическими элементами. Условные графические обозначения элементов и соответствующие им таблицы истинности приведены на рис. 1.1-1.3.

2.2 Производные основных логических функций

При разработке схем используются логические функции, производные от основных, которые имеют собственные названия. Условные обозначения и таблицы истинности этих функций приведены на рис. 1.4-1.7.

Функции ИЛИ-НЕ и И-НЕ образуются путем инверсии результатов, получаемых при выполнении операций ИЛИ и И соответственно.

Функции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ совпадает с функцией ИЛИ для всех комбинаций входных переменных, кроме одной, когда х₁=1 и х₂=1. Ее логическое выражение:

Эта функция носит также название НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, так как у =1 при неравных значениях входных переменных.

Функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ имеет формулу:

Ее называют также функцией РАВНОЗНАЧНОСТЬ.

Любая логическая функция может быть реализована исключительно на элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Схемы для выполнения основных логических функций на элементах И-НЕ показаны на рис. 1.8.

Подача одной переменной на оба входа элемента И-НЕ позволяет получить инверсию. Логическое отрицание выходной переменной элемента И-НЕ реализует логическое умножение логических переменных. Возможность выполнения операции ИЛИ определяет теорема де Моргана. В соответствии с ней операция И-НЕ над инвертированными значениями переменных означает логическое сложение:

Если операцию инверсии входных переменных символически отразить кружками на входах элемента, то можно получить условное графическое изображение элемента ИЛИ, эквивалентное основному (рис. 1.9).

Схемы, аналогичные показанным на рис. 1.8 и 1.9, могут быть составлены с использованием элементов ИЛИ-НЕ.

2.3 Основные принципы построения цифровых микросхем

Цифровые микросхемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Выпускаются они сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, счетчики, элементы арифметических устройств (выполняющие различные математические операции) и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненный на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, единое напряжение питания, одинаковые уровни сигналов логического 0 и логической 1. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ). резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ), микросхемы на так называемых комплиментарных МДП структурах (КМДП). Элементы КМДП цифровых микросхем используют пары МДП - транзисторов (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник) - с каналами р- и n-типов. Базовые элементы остальных типов выполнены на биполярных транзисторах.

Развитие видов логики тесно связано с развитием технологий производства микросхем. На данный момент ДТЛ и РТЛ можно считать абсолютно устаревшими. Элементы ЭСЛ в данный момент используются только на сверхвысоких частотах. Ознакомление с принципами действия этих элементов целесообразно только для облегчения понимания работы ТТЛ и КМДП схем.

2.3.1 Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) - одна из первых разработок цифровых микросхем на биполярных транзисторах, сохранившая некоторое значение до настоящего времени. Схема простого логического элемента ДТЛ показана на рисунке 1.10. Транзисторы VT' и VT" представляют собой выходные ступени предшествующих каскадов

(подобно VT1 в данном каскаде). Диоды VD1 и VD2 и резистор R1 образуют входную логическую схему, выполняющую в положительной логике операцию И, диод VD3 -- смещающий (буферный), транзистор VT1 с резистором R3 служит усилителем-инвертором. В некоторых типах микросхем с целью повышения помехоустойчивости ставят не один, а два буферных диода, включенных последовательно.

На схеме показаны два входа x1 и x2. Увеличение числа входов (расширение по И) достигается добавлением диодов, аноды которых подключают к входу EX. В этом состоит одно из достоинств ДТЛ-схем.

Когда транзисторы VT' и VT" заперты, на всех входах существуют напряжения, близкие к напряжению источника питания (состояние логической 1); диоды VD1 и VD2 смещены в обратном направлении, и по ним протекают только токи утечки (единицы микроампер). От источника питания через R1 и диод VD3 в цепи базы транзистора VT1 протекает ток, обеспечивающий его насыщение. Низкий уровень напряжения на коллекторе соответствует выходному состоянию логического нуля U⁰_вых.

Если на одном или обоих входах возникнет состояние логического 0, т.е. входной диод окажется замкнут на общую шину (через выходной транзистор предыдущего каскада или непосредственно), то через этот диод и резистор R1 потечет ток и потенциал в точке А упадет до уровня прямого падения напряжения на диоде и на коллекторе входного транзистора. Это напряжение (0,8--1,2 В) недостаточно для отпирания диода VD3 и эмиттерного перехода транзистора VT1, и транзистор VT1 окажется заперт. Выходное напряжение скачком возрастет до уровня логической единицы U¹_вых.

2.3.2 Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) широко применяются в цифровой аппаратуре. В них удачно сочетаются хорошие функциональные показатели: быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочная способность -- с умеренным потреблением энергии и невысокой стоимостью. Более половины объема мирового производства интегральных схем приходится в настоящее время на долю ТТЛ. Сейчас налажен массовый выпуск нескольких разновидностей ТТЛ-микросхем: универсальных (стандартных) серий, серий повышенного быстродействия, серий с малым потреблением мощности, а также серий микросхем на транзисторах Шотки в двух вариантах-- обычном и маломощном. Принцип действия различных модификаций ТТЛ одинаков и различаются они главным образом временем задержки сигнала и потребляемой мощностью.

Номенклатура микросхем ТТЛ весьма разнообразна и содержит различные изделия, от простых логических элементов до готовых функциональных узлов: счетчиков, регистров, запоминающих и арифметико-логических устройств. Некоторые типы микросхем в составе разных серий по функциональным возможностям совпадают, а отдельные типы свойственны только определенным сериям.

Основные электрические параметры для всех серий ТТЛ согласованы, благодаря чему изделия, относящиеся к разным сериям, могут непосредственно соединяться друг с другом.Типовые значения этих параметров приведены в табл.1.1. Дополнительным достоинством микросхем ТТЛ является их сопрягаемость с микросхемами других видов логики -- непосредственно, как в случае с ДТЛ, или посредством преобразователей уровней.

Табл. 1.1

Основные электрические параметры ТТЛ

Параметр	Значение параметра
	минимальное	номинальное	максимальное
Напряжение пит., В Выходное напряжение, В высокий уровень низкий уровень Входное напряжение, В высокий уровень низкий уровень	4,75(4,5)* 2,4 - 2,0 -	5,0 3,3 0,2 3,3 0,2	5,25(5,5)* - 0,4 - 0,8

Основная особенность микросхем ТТЛ состоит в том, что во входной цепи используется специфический интегральный прибор - многоэмиттерный транзистор. От обычных биполярных транзисторов он отличается тем, что имеет несколько эмиттеров, объединенных общей базой. Эмиттеры расположены так, что непосредственно взаимодействие между ними через участок базы отсутствует. Такой транзистор занимает меньшую площадь, а следовательно, имеет малую паразитную емкость, благодаря чему предельное быстродействие ТТЛ выше.

2.3.2.1 Универсальные (стандартные) серии ТТЛ

Самыми развитыми по номенклатуре являются универсальные серии микросхем, в составе которых значится около сотни изделий различного функционального назначения. К ним относятся микросхемы серий 133 (К133) и 155 (К155, КМ155). Основное различие между изделиями этих двух серий состоит в конструкции корпуса. Кроме того, они различаются стойкостью к климатическим и механическим воздействиям. Последнее относится и к микросхемам 155-й серии с различными буквами в обозначениях. В функциональном отношении микросхемы со сходными наименованиями, например 133ИД1 и 155ИД1, имеют одинаковые электрические и временные параметры, а также назначение выводов.

Микросхемы серии К155 являются изделиями массового применения. В составе этой и родственных серий (155, КМ155) имеется свыше 100 типономиналов микросхем. В дальнейшем при описании конкретных микросхем ТТЛ будем ориентироваться главным образом на них.

На рисунке 1.11 показана принципиальная схема базового элемента 155 (133)-й серии. Такие элементы выпускаются как самостоятельные изделия, а также служат для построения других, более сложных приборов.

Схема содержит три каскада: входной (транзистор VT1 и резистор R1); фазорасщепительный (транзистор VT2, резистор R2, а также узел VT3, R3, R4); выходной (транзисторы VT4, VT5, диод VD5).

Диоды на входе VD1--VD4 (так называемые анти-звонные диоды) при нормальном использовании микросхемы смещены в обратном направлении, имеют очень большое сопротивление и не влияют на работу. Узел VT3, R3, R4 служит для улучшения передаточной характеристики и повышения помехоустойчивости. При первом рассмотрении он может быть представлен как резистор 1 кОм.

2.3.2.2 Микросхемы ТТЛ с транзисторами Шотки

Микросхемы этого вида среди других изделий ТТЛ имеют, максимальное быстродействие, которое сочетается с умеренным потреблением мощности. Эти качества достигаются за счет введения в схему металло-полупроводниковых выпрямляющих контактов (диодов с барьерами Шотки, или, короче, диодов Шотки).

По принципу действия диоды Шотки существенно отличаются от диодов, работа которых основана на свойствах электронно-дырочного (р--n) - перехода. В р--n-переходе, смещенном в прямом направлении, перенос тока обусловлен инжекцией неосновных носителей из одной области полупроводника в другую, вследствие чего после переключения приложенного напряжения с прямого на обратное ток протекает некоторое время, пока избыточная концентрация неосновных носителей не снизится до нуля (время рассасывания). В диодах Шотки накопления неосновных носителей не происходит, так как перенос тока в них обусловлен переходом (эмиссией) основных носителей из полупроводника в металл. Благодаря этому их время выключения очень мало (до 100 пс) и не зависит от температуры. Для р--n-переходов это время составляет 1--100 нс. Другое достоинство диодов Шотки состоит в том, что для отпирания их требуется напряжение 0,2--0,4 В против 0,4--0,7 В для диодов с р--n-переходом и может регулироваться подбором металла, образующего контакт с полупроводником.

На рисунке 1.12 показаны принципиальная схема и передаточные характеристики базового элемента ТТЛШ.

В обычных микросхемах ТТЛ открытые транзисторы находятся в состоянии насыщения, при котором эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении и инжектируют. Это создает избыточное количество неосновных носителей в базовой и коллекторной областях, которые, как и в случае одиночного перехода, удлиняют выключение транзистора.

В микросхемах ТТЛ с диодами Шотки, как и в универсальных сериях ТТЛ, переключения сопровождаются бросками тока в цепи питания; потребляемая мощность быстро растет с частотой переключений. Если в статическом режиме микросхема ТТЛШ потребляет практически такую же мощность, как и сходный прибор универсальных серий ТТЛ, то при частоте переключений 50 МГц рассеиваемая мощность удваивается, а при 100 МГц -- утраивается.

В маломощных микросхемах ТТЛ с диодами Шотки сочетаются высокое быстродействие с умеренным потреблением мощности: при одинаковом с универсальным элементом ТТЛ быстродействии потребляемая здесь мощность в пять раз меньше.

Принципиальная схема базового элемента дана на рисунке 1.13 В целом она повторяет рассмотренные ранее схемы элементов ТТЛ, но отличается от них тем, что на входе вместо многоэмиттерного. транзистора стоят диоды Шотки, благодаря чему свободные входы могут непосредственно подключаться к шине питания. Допустимые помехи для этих серий немного меньше ввиду того, что между базой входного транзистора и землей находятся два р--n-перехода, а не три, как у микросхем ТТЛ других серий.

И еще один важный момент. Суммарная мощность, рассеиваемая микросхемой, ограничена некоторой предельной величиной, определяемой типом используемого корпуса. Так, для пластмассового корпуса с 14 выводами максимальная мощность составляет 0,5 Вт, что накладывает существенные ограничения на ее функциональную сложность. По этой причине обычные ТТЛ-схемы, а также схемы ТТЛШ не подходят для БИС. Поскольку маломощные микросхемы с диодами Шотки потребляют примерно в 5 раз меньшую мощность, то на одном кристалле можно разместить в 5 раз больше транзисторов и других элементов без превышения норм перегрева.

Сравнительно с другими сериями семейства ТТЛ маломощные микросхемы ТТЛШ наиболее привлекательны для использования в аппаратуре, работающей с высокой производительностью.

2.3.2.3 Микросхемы с открытым коллектором

Сложный инвертор благодаря малым выходным сопротивлениям в обоих выходных состояниях обладает хорошей нагрузочной способностью: к одному выходу в зависимости от типа микросхемы можно подключать от 10 до 30 входов ТТЛ той же серии. Если же соединить между собой выходы разных микросхем, то, когда в одном элементе открытым окажется верхний, а в другом нижний транзистор, в цепи потечет ток, ограниченный только резистором R5(см. рисунок 1.11), опасный для выходных транзисторов. По этой причине соединять между собой выходы нельзя. Как исключение, допускается параллельное включение входов и выходов двух логических элементов из одного корпуса.

Выходы некоторых микросхем выполнены так, что верхний выходной транзистор и относящиеся к нему элементы отсутствуют. Это так называемые элементы со свободным (открытым) коллектором (рисунок 1.14). На выходе его формируется только сигнал низкого уровня, поэтому для нормальной работы выходного транзистора коллектор следует подключать к источнику питания через внешнюю нагрузку: резистор, элемент индикации, реле и т. п. Некоторые типы логических элементов 155-й серии с открытым коллектором перечислены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Микросхемы 155-й серий с открытым коллектором

Тип	Краткая характеристика
К155ЛН2	6 элементов НЕ
К155ЛН3	6 НЕ с повышенным коллекторным напряжением
К155ЛН4	6 буферных формирователей
К155ЛН5	6 НЕ с повышенным коллекторным напряжением
К155ЛА7	24И-НЕ
К155ЛА8	42И-НЕ
К155ЛА10	33И-НЕ
К155ЛА11	42И-НЕ с повышенным коллекторным напряжением
К155ЛА13	42И-НЕ - буферные формирователи
К155ЛА18	с мощным выходом
К155ЛИ5
К155ЛА1Л2

Для выпуска таких микросхем есть по меньшей мере две причины. Первая состоит в том, что выходной транзистор может быть использован для управления внешними устройствами, которые к тому же могут работать от других источников питания. Микросхема К155ЛА11, например, позволяет подводить к выходному транзистору до 30 В. Эти микросхемы лёгко также вводить в линейный (усилительный) режим.

Другое применение подобных микросхем связано с выполнением логических операций. Логические элементы с открытым коллектором в отличие от сложных инверторов допускают параллельное подключение нескольких выходов к общей нагрузке (рисунок 1.15).

Объединение выходов называют монтажной (проводной) логикой. При таком соединении, если на выходе одного или нескольких элементов будет низкий потенциал (логический 0 в положительной логике), то тот же потенциал окажется на выходе всей системы. Чтобы обеспечить логическую 1 на общем выходе, необходимо иметь логические I на всех выходах. Другими словами, в данном случае параллельным подключением нескольких открытых коллекторов к общей нагрузке создается система, выполняющая логическую операцию И (монтажное И). Действительно,

F_вых=y₁y₂y₃…y_n.

В свою очередь, каждый из логических элементов производит операцию И-НЕ:

Следовательно, выходная логическая функция системы

Имея дело с монтажной логикой, следует учитывать, что каждый компонент схемы утрачивает самостоятельность и действует как элемент общей системы.

2.3.2.4 Логические элементы ТТЛ с тремя выходными состояниями

На рисунок 1.16 показан один из способов обеспечения трех состояний в микросхемах ТТЛ. Эта схема отличается от базовой наличием дополнительных транзисторов VT1--VT3 и диода VD1. Когда транзистор VT3 заперт, схема действует подобно обычному логическому элементу, поскольку диод VD1 смещен в обратном направлении. При открытом транзисторе VT3 диод VD1 также открыт и напряжение в точке А близко к нулю.

Транзистор VT6 при этом заперт. Транзистор VT5 также будет закрыт, поскольку на эмиттере транзистора VT4, связанном с коллектором VT3, -- логический 0. Следовательно, транзистор VT7 также будет заперт и выходной вывод окажется отсоединенным от входных цепей и от обеих шин питания. В этом состоянии микросхема потребляет значительно меньшую мощность.

2.3.2.5 Совместное применение разных серий ТТЛ

В аппаратуре дискретного действия в пределах одного узла отдельные микросхемы могут работать с разными частотами. Примером могут служить асинхронные счетчики -- делители, входные триггеры которых переключаются с большой частотой, а каждый последующий -- с частотой, вдвое меньшей. Поскольку входные и выходные электрические уровни микросхем разных серий ТТЛ совпадают, с целью уменьшения общего потребления мощности приборы разных серий можно применять совместно. Так как в номенклатуре каждой серии имеются микросхемы со специфическими функциональными свойствами, смешанное включение позволяет наиболее полно реализовать возможности семейства в целом.

Микросхемы, принадлежащие к разным сериям, непосредственно согласуются между собой по электрическим уровням, однако следует учитывать особенности каждой серии. Допустимые коэффициенты нагрузки при совместном сопряжении микросхем разных серий ТТЛ приведены в таблице 1.3. Они определяют число входов микросхем ТТЛ, которым можно нагружать выходы каждой серии.

Таблица 1.3

Нагрузочная характеристика микросхем ТТЛ

Нагружаемые серии	Число входов подключаемых микросхем
	универса-льных (133,К155)	быстро- действующих (130, К131)	микро- мощных (134, КР134)	Шотки (530,К531)	маломощных Шотки (533,К555)
Универ- сальные (133,К155)	10	8	40	8	20
Быстро- действующие (130, К131)	12	10	50	10	25
Микро- мощные (134, КР134)	2	1	20	1	10
Шотки (530,К531)	12	10	100	10	50
Маломощные Шотки (533,К555)	5	4	40	4	20

Превышение указанных значений не рекомендуется, так как напряжение на выходе нагружаемой схемы в состоянии Uвых⁰ может оказаться выше максимального допустимого. Микросхемы с повышенным и высоким быстродействием имеют малое входное и выходное сопротивление и в моменты переключений создают кратковременные броски тока в цепи питания, которые могут явиться причинами помех. У быстродействующих микросхем на транзисторах Шотки (серий 530, К531) крутизна фронтов импульсов очень велика, и здесь следует 'считаться с возможностью высокочастотных наводок по сигнальным цепям, особенно при открытых входах, которые действуют подобно антеннам.

При сопряжении приборов упомянутых серий с менее быстродействующими, такими, как приборы серий К155, 133, К555, 533, следует учитывать, что те более восприимчивы к помехам по причине более высоких входных и выходных сопротивлений. Применением очень коротких сигнальных концов, продуманным расположением шин питания и заземления, а также использованием групповых емкостных фильтров в цепях питания можно обеспечить устойчивую работу. На каждой плате рекомендуется между шиной питания и общей шиной устанавливать 1--2 электролитических конденсатора емкостью 4,7--10 мкФ, а также керамические конденсаторы емкостью 0,047-- 0,47 мкФ на каждые 5--10 корпусов.

Маломощные микросхемы с диодами Шотки особенно чувствительны к наводкам, и их по возможности следует отделять от других быстродействующих элементов. Здесь рекомендуется применять раздельное питание и заземление; входные сигнальные линии маломощных серий также должны быть разнесены с выходными линиями быстродействующих.

Смешанное включение микросхем серии К155 (133) с К555 и 533-й сериями не накладывает таких жестких условий, и компоновка их может быть выполнена менее тщательно. Переходные процессы здесь проявляются слабее и создают меньше помех. Однако и в этом случае следует учитывать правила проектирования высокочастотных систем, особенно при работе со счетчиками, регистрами и другими приборами, обладающими памятью.

2.3.2.6 Питание микросхем ТТЛ

Электрическое питание ТТЛ осуществляется напряжением 5 В±5 % (микросхемы общего применения) и 5 В±10 % (специального назначения). В установленные пределы входит и напряжение пульсаций, которое не должно превышать 100 мВ. Микросхемы боятся перегрузок: даже небольшое избыточное напряжение вызывает необратимый пробой. Как исключение, допускается кратковременное повышение напряжения питания до 7 В в течение 5 мс. В аппаратуре с сетевым питанием после выпрямителя обычно ставят стабилизатор напряжения. Коэффициент стабилизации может быть невысок, учитывая допуск по питанию.

Таблица 1.4

Напряжения питания некоторых серий микросхем

Серии микросхем	Напряжение питания (В)
IN74ACXXXN, D (DW)	2 - 6
IN74ACTXXXN, D (DW)	4,5 - 5,5
IN74VHCXXXN, D (DW)	2 - 5,5
IN74LVXXXN, D (DW)	1,2 - 3,6
К/ЭКФ 561	3 - 15
IW4000BN, D, DW	3 - 18
IN74LSXXXN, D (DW)	4,75 - 5,25
K155, ЭКФ155	5±10%
541XXX	5±10%
1880XXXX	5±10%
588	5±10%
5102XXXT	4,75 - 5,25
1467XXXX	5 - 30
1473XXXX	±15 - 2%
1554XXXXТБМ	2 - 6
1594XXXXT	4,5 - 5,5
5584XXXXT	2 - 5,5
1533XXXX	5±10%
133XXXX	5±10%
155	5±10%

2.3.2.7 Сравнительная характеристика серий логических микросхем

Высокое быстродействие в сочетании с низкой потребляемой мощностью и большой нагрузочной способностью, широкий набор логических и интерфейсных микросхем серии КР1533 позволяет создавать вычислительные устройства цифровой автоматики с качественно новыми характеристиками и высокими технико-экономическими показателями.

Для наглядности типовые значения времени задержки распространения и потребляемой мощности в пересчете на логический вентиль для различных отечественных серий микросхем приведены ниже (рис. 1.17 ). (На графике приведены значения статической потребляемой мощности учитывая слабую ее зависимость от частоты для данных серий, за исключением КМОП серии КР1554).

Существенной особенностью серии КР1533 является наличие интерфейсных и буферных микросхем, обладающих повышенной нагрузочной способностью по выходу в состоянии высокого и низкого уровня (=15мA, =24 мА) и меньшей, в сравнении с серией КР1531, мощностью потребления при практически сравнимом быстродействии. Микросхемы серии КР1533, имеющие функциональные аналоги в других сериях, совпадают с ними в части разводки выводов в корпусе. Это позволяет проводить полную замену микросхем серий К555, К533, К155, КР1531 и добиваться уменьшения размеров блоков питания, уменьшения рассеиваемой мощности и повышения надежности.

Микросхемы серии К555 по быстродействию соответствуют серии К155 (потребляемый ток уменьшен в 5 раз!), по экономичности уступают микросхемам серии К134 (1мВт) всего в 2 раза, но в итоге потребляют энергию на перенос 1 бита информации в 1,5 раза меньше.

Микросхемы серии К531 потребляют энергию на перенос 1 бита, 2,3 раза меньшую, чем у микросхем серии К131. Логические уровни и допустимые напряжения на входах и выходах серий К155, К555, К531 отличаются незначительно. Но для микросхем серий К155 и К531 велики входные токи низкого уровня. Сила этого тока для серии К555 и К1531 в 3-4 раза меньше. Допустимый стекающий ток низкого уровня для серии К531 в 2,5 раза больше, чем для серии К555.

При совместном использовании микросхем ТТЛ высокоскоростных, стандартных и микромощных следует учитывать, что микросхемы серии К531 дают увеличенный уровень помех по шинам питания из-за больших по силе и коротких по времени импульсов сквозного тока короткого замыкания выходных транзисторов логических элементов. Часть печатной платы с микросхемами серии К531 должна иметь отдельные, очень низкоомные шины питания. Токоведущие сигнальные дорожки должны быть кратчайшими, чтобы не излучались помехи.

Серии с повышенными входным и выходным сопротивлениями (например, К555) более чувствительны к помехам-наводкам и к помехам по питанию, чем мощные серии. При совместном применении микросхем серии К155 и К555 помехи невелики.

3. Методические указания по выполнению лабораторной работы

Исследование передаточной характеристики логического элемента проводится с использованием измерительной установки, структурная схема которой представлена на рисунке 1.18. ИСПОЛЬЗОВАТЬ ТОЛЬКО ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ!

Параметры быстродействия логического элемента измеряются с использованием измерительной установки, структурная схема которой представлена на рисунке 1.19.

На вход исследуемой микросхемы с выхода генератора импульсов подается прямоугольный импульс. С помощью осциллографа наблюдают и зарисовывают сигнал на входе, а затем на выходе логического элемента и проводят измерение параметров быстродействия: t_вкл, t_выкл, t_{зд вкл}, t_{зд выкл}. Осциллограф работает в ждущем режиме, внешний синхронизирующий сигнал снимается с синхронизирующего выхода генератора импульсов.

4. Порядок выполнения работы

1. Исследовать характеристики и параметры логических элементов на основе микросхем ЛА3, ЛА7, ЛИ1, ЛЕ1, ЛН6, ЛР4, ЛП5 и 561ЛП13

1.1. Задать напряжение питания U_ип = 5 В. Подавая на входы логического элемента уровни сигнала, эквивалентные логическим "1" и "0", составить таблицу истинности элемента.

1.2. Собрать измерительную установку для исследования передаточной характеристики (см. рисунок 1.18).

1.4. Снять передаточную характеристику элемента U_вых = f(U_вх) по одному из входов.

1.5. По передаточной характеристике рассчитать граничные напряжения зон логической единицы и логического нуля.

1.6. Собрать измерительную установку для исследования параметров быстродействия (рисунок 1.19).

1.7. Для заданных нагрузок зарисовать сигнал на входе и выходе логического элемента и провести измерение параметров быстродействия: t_вкл, t_выкл, t_{зд вкл}, t_{зд выкл}.

5. Контрольные вопросы

1. ЛЭ и логические операции, выполняемые ЛЭ.

2. Цифровые интегральные микросхемы. Серии ИС. Классификация.

3. Микросхемы ДТЛ. Базовый элемент ДТЛ.

4. Микросхемы ТТЛ. Разновидности микросхем ТТЛ. ЛЭ и питание микросхем ТТЛ.

5. Базовый элемент универсальных серий ТТЛ. Расширение по И и по ИЛИ.

6. Базовые элементы ТТЛШ.

7. Микросхемы ТТЛ с открытым коллектором.

8. ЛЭ ТТЛ с 3 выходными состояниями.

9. Неиспользуемые элементы, входы и выходы микросхем ТТЛ.

10. Совместное применение различных серий ТТЛ.

11. Базовые элементы ЭСЛ.

12. Микросхемы КМОП. Базовые элементы КМОП: инвертор, двунаправленный ключ.

13. Базовые элементы КМОП: ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Лабораторная работа 2. Исследование триггерных устройств на интегральных микросхемах

1. Цель работы

1. Изучить разновидности, схемотехнические решения и логику работы триггерных устройств; их основные параметры, элементы анализа и синтеза, особенности расчета.

2. Экспериментально исследовать параметры и характеристики триггерных устройств в интегральном исполнении.

2. Краткие теоретические сведения

Значения выходных переменных логических элементов однозначно определяются значениями входных переменных. Это означает, что логические элементы не обладают памятью. Однако для обработки информации, представленной в цифровой форме, необходимы и такие схемы, которые позволяют фиксировать данные и хранить их произвольное количество тактов.

Элементарная ячейка памяти, предназначенная для хранения одного бита данных, должна иметь два устойчивых состояния. Состояние определяется не только комбинацией сигналов на входах, но и предыдущим значением функционирования триггера. Одному из состояний придается значение 0, другому - 1. Под действием внешних сигналов эта ячейка должна устанавливаться в одно из состояний и оставаться в нем необходимое время после окончания действия этих сигналов. В качестве таких ячеек памяти могут использоваться триггеры.

Триггерные устройства (триггеры) - бистабильные элементы, выполняющие функцию хранения информации, представленной в двоичном коде сигнала на его выходе.

2.1 Бистабильная ячейка

Схему бистабильной ячейки, т.е. элементарной ячейки памяти с двумя устойчивыми состояниями, можно получить из двух элементов ИЛИ-НЕ, охваченных цепью положительной обратной связи (рис. 2.1).

Предположим, что на обоих входах - уровни логического нуля. Из таблицы истинности элемента ИЛИ-НЕ следует:

если

если

Но y₁ не может быть равным y₂, т.е. выходные сигналы взаимоинверсны. Следовательно, при нулевых уровнях на входах эта ячейка, называемая триггером, может находиться в одном из двух устойчивых состояний:

или

Состояние ячейки оценивается по основному выходу Q. Триггер находится в нулевом состоянии, если Q= 0 и в единичном - если Q= 1.

Если

.

Если

=1.

Таким образом, при комбинации сигналов x₁=1 и x₂=0 триггер устанавливается в нулевое состояние, а при x₁=0 и x₂=1 - в единичное.

Комбинация x₁=0, x₂=0 является нейтральной, т.е. при ней триггер находится в режиме хранения данных. Активный уровень, равный 1, на входе x₁ позволяет записать в триггер число 0. Этот вход обозначают буквой R (Reset - вход сброса, или установки в нуль). Активный уровень, равный 1, на входе x₂ позволяет записать в триггер число 1,. Этот вход обозначают буквой S (Set - вход установки). В соответствии с обозначениями входов такую бистабильную ячейку называют RS-триггером.

Комбинация R=1, S=1 является недопустимой, если схема используется в качестве бистабильной ячейки. При этом:

Q =0

=0

т.е. триггер не находится ни в одном из устойчивых состояний (неопределенное, или логически недопустимое состояние).

RS- триггер можно построить и на элементах И-НЕ (рис. 2.2). Активные уровни входных сигналов - нулевые, нейтральные - единичные. Такую ячейку называют RS - триггером с инверсными входами.

Рис. 2.2 Асинхронный RS-триггер на элементах 2И-НЕ и его условное графическое обозначение (УГО)

Рассмотренные схемы бистабильных ячеек являются базовыми элементами при построении более сложных и совершенных триггеров. Они также находят самостоятельное применение, например, в схемах подавления дребезга механических контактов.

2.2 Триггеры на биполярных транзисторах

Принципиальная схема триггера на биполярных транзисторах представлена на рис. 2.3,а. Основной узел триггера называется бистабильной ячейкой и состоит из двух транзисторных ключей с перекрестными резистивными обратными связями. Эти обратные связи являются положительными и задают одно из двух устойчивых состояний схемы (транзистор VT1 открыт, VT2 закрыт или наоборот). При переключении триггера режимы работы транзисторов меняются на противоположные.

Режим отсечки для закрытого транзистора обеспечивается параметрами элементов схемы и напряжением питания. При этом необходимо, чтобы

U_{бэ отс} = U_{см экв} + R_{б экв} I_кб0 , (1)

где U_{бэ отс} - напряжение на базе транзистора, находящегося в режиме отсечки; I_кб0 - $обратный ток коллектора,

U_{см экв} = U_см R_cв/(U_{см экв} + R_cв), (2)

R_{б экв} = R_cвR_в = R_cв R_в /(R_cв + R_в). (3)

Транзистор, который находится в открытом состоянии, обычно вводят в режим насыщения, для которого справедливо неравенство

I_б I_{б н} = I_{к н}/h_21Э, (4)

где I_{б н} - ток базы насыщения транзистора.

Базовый ток транзистора задается элементами схемы

I_б = U_ип/(R_к + R_cв), (5)

а б

Рис. 2.3

а ток коллектора насыщения I_{к н} = U_ип/R_к.

Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом насыщения S, значение которого обычно выбирается в пределах 13:

S = I_б/I_бн. (6)

Быстродействие триггера, построенного на бистабильной ячейке, определяется быстродействием транзисторных ключей, из которых состоит триггер. Конденсаторы С1 и С2 выполняют функцию форсирующих емкостей и служат для повышения быстродействия ключей. Величина емкости этих конденсаторов определяется соотношением

СR_к = 1,3_h21б, (7)

где _h21б = 1/_h21б - постоянная времени коэффициента передачи по току в схеме с ОБ используемого транзистора.

Предельная частота переключения бистабильной ячейки с форсирующими емкостями определяется выражением

f_макс = 2f_h21б/(S + 6) = _h21б/(S+6). (8)

Закон функционирования триггера определяется цепями запуска. Для триггера, схема которого изображена на рис. 2.3,а, переключение определяется схемой, подключенной к коллекторам транзисторов (запуск на коллекторе).

В соответствии с принятыми на схеме обозначениями триггер находится в состоянии "1", если транзистор VT2 закрыт. В этом случае падение напряжения на диоде VD2 (VD4) равно (U_ип - U_{к Т2}), что намного меньше, чем на диоде VD1 (VD3) - (U_ип - U_{к Т1нас}). Триггер управляется импульсами отрицательной полярности с амплитудой U_зап U_ип - U_{к Т2}, но меньшей, чем U_ип _ U_{к Т1 нас}. Подача импульсов управления на вход 2 приводит к тому, что импульс через диод VD2 и конденсатор С2 уменьшит ток базы транзистора VT1 и закроет его. При этом транзистор VT2 переходит в режим насыщения, и на его коллекторе сформируется уровень "0". Аналогично, если триггер находится в состоянии "0", то подача управляющего сигнала переведет его в состояние "1".

При подаче управляющих импульсов на вход 3 триггер каждый раз будет переходить в противоположное состояние, так как этот импульс всегда попадает на базу открытого транзистора через один из диодов (VD4 или VD3). В данном случае триггер имеет возможность как раздельной установки по каждому из входов (1 или 2), так и возможность срабатывания по тактовому импульсу (вход 3). Входы 1 и 2 по общепринятым определениям называются соответственно входами R и S, а вход 3 является синхровходом (тактовым входом) и обозначается C. Рассмотренный триггер является триггером типа RST, его обозначение приведено на рис. 2.3,б. Существуют и другие схемы запуска - как диодные, так и транзисторные.

2.3 Триггеры на интегральных логических элементах

Триггеры в общем случае могут быть нескольких типов. Название триггера зависит от того, какие сигналы необходимо подать на его вход, чтобы обеспечить то или иное состояние триггера. Это определяет закон функционирования триггера.

Классификация триггеров:

Входы триггера по характеру входных сигналов подразделяются на три категории: информационные (логические), предустановки (подготовительные), и тактовые (синхронизирующие). Информационные входы имеются у всех триггеров, тогда как подготовительные и тактовые могут отсутствовать.

Входы триггера в зависимости от их функционального назначения обозначаются условными метками, в качестве которых используют буквы латинского алфавита. Значение этих меток расшифровано в табл.2.1

Табл. 2.1

Функциональное назначение внешних входов

Усл. обозн.	Назначение
информационные входы
S	вход раздельной установки триггера в состоянии «1»
R	вход раздельной установки триггера в состоянии «0»
J	вход установки JK-триггера в состоянии «1»
K	вход установки JK-триггера в состоянии «0»
T	вход счетного триггера
D	вход установки D- или DV-триггера в состоянии «1» или «0»
управляющие входы
V	подготовительный вход разрешения приема информации
C	вход синхронизации (тактирующий)

2.3.1 Асинхронные и синхронные триггеры

По способу ввода информации триггеры могут быть асинхронными и синхронными.

Асинхронные триггеры имеют только информационные входы. Пример асинхронного триггера - рассмотренная выше бистабильная ячейка с информационными R и S входами. Асинхронные триггеры принимают состояние, предписываемое входными данными, непосредственно в момент поступления комбинации входных сигналов, отличающейся от нейтральной. В ряде случаев это может оказаться недостатком. Например, логические состязания входных сигналов могут оказаться причиной ложных срабатываний триггеров.

В синхронных триггерах момент записи данных, поступающих на информационные входы, определяется с помощью дополнительного сигнала синхронизации (тактовых импульсов). Этот дополнительный сигнал поступает на синхронизирующий, или, как его также называют, тактовый вход. Тактовые импульсы, формируемые специальным генератором, позволяют обеспечить работу всех элементов цифровых устройств в едином ритме.

В зависимости от того, как определяется момент записи входной информации, синхронные триггеры делятся на статические (с управлением по уровню тактовых импульсов), динамические (с управлением по фронту или срезу тактовых импульсов) и двухступенчатые ("ведущий-ведомый").

Способы управления триггерами

В зависимости от того, какой параметр входных сигналов используют для записи информации, триггеры подразделяются на три категории; со статическим управлением записью (управляемые по уровню входного сигнала), с динамическим управлением (управляемые по фронту или срезу) и двухступенчатые триггеры.

Для асинхронных триггеров в качестве управляющих служат сигналы на информационных входах. Применительно к синхронным триггерам управляющим сигналом служит тактовый импульс, так как считается, что к его приходу смена сигналов на информационных входах уже завершалась.

2.3.2 Синхронный RS-триггер со статическим управлением

Асинхронный RS - триггер можно превратить в статический синхронный путем стробирования информационных сигналов тактовыми импульсами.

На рис. 2.4 показана логическая структура синхронного триггера со статическим управлением, выполненного на элементах И -- НЕ. Элементы 1 и 2 образуют схему управления, а собственно триггер состоит из элементов 3 и 4,

Рис. 2.4 Статический синхронный RS-триггер и его условное графическое обозначение и таблица переключений

Входы S и R-- информационные, вход С -- тактовый (синхронизирующий). Каждый из информационных входов связан с тактовым операцией И, поэтому информация с входов S и R может быть передана на собственно триггер только при С=1.

Внутренние сигналы (q₁ и q₂) управляют собственно триггером, который, как и его асинхронный аналог на элементах И--НЕ, переключается сигналами нулевого уровня. Поскольку в элементах 1 и 2 происходит инверсия, для опрокидывания триггера требуются входные сигналы логической единицы. Когда С=0, элементы 1 и 2 закрыты, значит, q₁=q₂=1, что является нейтральной комбинацией для собственно триггера, который хранит записанную информацию, а состояние входов S и R безразлично. С приходом тактового импульса (С=1) один из элементов откроется, отчего на выходах триггера сформируются надлежащие сигналы. Второй логический элемент остается запертым. С окончанием тактового импульса для собственно триггера снова возникнет нейтральная комбинация, благодаря которой на выходах сохранится записанная информация. Входная комбинация Sⁿ=Rⁿ=l недопустима, так как при С=1 на промежуточных шинах возникнет сочетание q₁ = q₂=0, которое создает неопределенное состояние на выходах Qⁿ⁺¹=Qⁿ⁺¹ = l.

Таблица переключений триггера (рис. 2.4) указывает состояние триггера Q_n+1 после подачи (n+1)-го тактового импульса в зависимости от значений информационных сигналов, а также от состояния триггера Q_n в предшествующем n-ом такте. При С=0 триггер работает в режиме хранения записанной информации.

2.3.3 Разновидности RS-триггеров

Наличие неопределенных состояний ограничивает функциональные возможности RS-триггера. В ряде случаев требуется, чтобы состояния триггера были определены при всех комбинациях входных сигналов, включая и те, которые запрещены для RS-триггера.

Подключая ко входам RS-триггера схему управления из логических элементов, включенных определенным образом, можно обеспечить такое положение, что при всех входных комбинациях сигналы на выходе триггера будут иметь определенные, наперед известные состояния. Бывшей неопределенной входной комбинации в этом случае, в зависимости от логической схемы, может отвечать, одно из четырех состояний триггера. ; . При всех других сочетаниях входных сигналов видоизмененный триггер функционирует подобно исходному RS- или -триггеру.

Каждая такая разновидность считается самостоятельным типом триггера и имеет свое наименование. Триггер, принимающий единичное состояние (Qⁿ⁺¹ = l), называют S-триггером, так как бывшая неопределенная входная комбинация действует подобно переключающему сигналу на входе S; приходящий в нулевое состояние (Qⁿ⁺¹=0) - R-триггером; сохраняющий свое состояние--E-триггером (английское exclusive--исключающий, особенный), а меняющий состояние на противоположное -- JK-триггером. У первых трех разновидностей названия входов одинаковы со входами RS- триггера, а у JK-триггера вход J соответствует входу S,а К- входу R.

Каждый из этих триггеров, как и RS-триггер, может быть выполнен в асинхронной и в синхронной модификациях.

В табл. 2.2 показаны возможные состояния триггеров на основе RS-триггера.

Табл. 2.2

Сводная таблица состояний триггеров S-, R-, E- и JK-типов

Аналогичная таблица для -, -, -, -триггеров дана в табл.2.3

Табл. 2.3

Сводная таблица состояний триггеров -, -, - и -типов

Логические структуры S-триггера и R-триггера одинаковы, и все зависит от наименования входных и выходных выводов. На рис. 2.5 показана схема на элементах И-НЕ в варианте S-триггера. Цепи, по которым осуществляется синхронизация, изображены пунктиром. Когда на входе S действует сигнал логической 1, нa выходе инвертора 1 существует сигнал логического 0, запирающий элемент 3.

Нулевой уровень на выходе элемента 2 и единичный--на выходе 3 обеспечивают Qⁿ⁺¹= 1 независимо от сигнала на входе R.

Та же схема будет работать как R-триггер, если поменять местами на входе буквы S и R, а на выходе Q и Q (рис. 2.5).

Рис 2.5 Логическая структура S- и R-триггеров. Метки, показанные в скобках, соответствуют варианту R-триггера. (Тактирующий вход показан пунктиром)

Рис. 2.6 Логическая структура E-триггера Тактирующий вход показан пунктиром

В схеме E-триггера (рис. 2.6) при одновременном сочетании на входах сигналов Sⁿ = Rⁿ = l на выходах элементов 3 и 4 будут сигналы логической единицы qз=q4=1. которые обеспечат режим хранения информации выходной ячейкой, т. е. ее состояние сохранится неизменным.

Из перечисленных устройств наибольшее практическое значение имеют JK-триггеры благодаря универсальным свойствам. Универсальность JK-триггеров носит двойственный характер. Во-первых, эти триггеры с равным успехом могут быть использованы в регистрах, счетчиках, делителях частоты и других узлах, и, во-вторых, путем определенного соединения выводов они легко обращаются в триггеры других типов. Это позволяет промышленности сократить номенклатуру триггеров, не сковывая в то же время разработчиков цифровой аппаратуры. Поэтому JK-триггеры рассмотрены в отдельной главе.

2.3.4 JK-триггер

Этот тип триггеров не имеет неопределенных состояний. Функциональная особенность JK-триггеров состоит в том, что при всех входных комбинациях, кроме одной = 1, они действуют подобно RS-триггеру, причем вход J играет роль входа S, а K-вход соответствует R-входу. При входной комбинации = 1 в каждом такте происходит опрокидывание триггера и выходные сигналы меняют свое значение.

JK-триггеры относятся к универсальным устройствам. Их универсальность имеет двойственный характер. Во-первых, эти триггеры с равным успехом могут быть использованы в регистрах, счетчиках, делителях частоты и других узлах, и, во-вторых, путем определенного соединения выводов они легко обращаются в триггеры других типов. Это позволяет промышленности сократить номенклатуру триггеров, не сковывая в то же время разработчиков аппаратуры. Таблица состояний JK-триггера дана в табл. 2.4

...