Embed Size (px)
Citation preview
Областное государственное бюджетное
образовательное учреждение
среднего профессионального образования
«Иркутский авиационный техникум»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ОГБОУ СПО «ИАТ»
___________________ В.Г. Семенов
Комплект методических указаний по выполнению
практических работ по междисциплинарному курсу
МДК.01.01 Цифровая схемотехника
образовательной программы (ОП)
по специальности СПО
230113 Компьютерные системы и комплексы
базовой подготовки
Иркутск 2013
Перечень практических работ
№ работы Название работы Объём часов на
выполнение
работы
Страница
1 Перевод чисел из одной системы счисления в
другую.
3 3
2 Упрощение функций методом непосредстве
нных преобразований.
2 4
3 Определение условных графических
обозначений (УГО) микросхем логических
элементов, их маркировка.
10 6
4 Выполнение упражнений на выполнение
арифметических операций.
3 9
5 Минимизация функций методом Карно-
Вейча
2 9
6 Исследование основных логических
элементов и простейших комбинационных
устройств.
6 10
7 Расчет быстродействия и потребляемой
мощности. Анализ построения схемы.
2 11
8 Исследование работы шифратора и
дешифратора.
2 12
9 Исследование работы мультиплексора и
демультиплексора.
1 13
10 Исследование параллельного сумматора. 3 14
11 Разработка преобразователя для цифровой
индикации
1 15
12 Исследование работы триггеров RS , D и T –
типов
13 Исследование схем последовательных
регистров
14 Исследование схем параллельных регистров
15 Исследование работы счетчиков
электрических импульсов
16 Построение счетчика с заданным периодом
счета
17 Исследование стандартного АЛУ
(арифметическо-логического устройства )
18 Построение схем запоминающих устройств
19 Анализ работы модулей памяти РУ1, РУ2,
РУ5.
20 Построение схем запоминающих устройств
типа 2D и 3D.
21 Построение схем ПЗУ
22 Построение схем стековой памяти.
23 Построение узлов комбинационного типа на
программируемой матричной логике.
24 Анализ работы цифро-аналогового
преобразователя заданного типа.
Предметом оценки освоения МДК являются умения:
выполнять анализ и синтез комбинационных схем;
проводить исследования работы цифровых устройств и проверку их на
работоспособность;
знания:
арифметические и логические основы цифровой техники;
правила оформления схем цифровых устройств;
принципы построения цифровых устройств.
арифметические и логические основы цифровой техники;
правила оформления схем цифровых устройств;
принципы построения цифровых устройств;
основы микропроцессорной техники;
основные задачи и этапы проектирования цифровых устройств;
конструкторскую документацию, используемую при проектировании;
условия эксплуатации цифровых устройств, обеспечение их помехоустойчивости и тепловых
режимов, защиты от механических воздействий и агрессивной среды;
особенности применения систем автоматизированного проектирования, пакеты прикладных
программ;
методы оценки качества и надежности цифровых устройств;
основы технологических процессов производства СВТ;
нормативно-техническую документацию: инструкции, регламенты, процедуры, технические
условия и нормативы.
Контроль и оценка этих дидактических единиц осуществляются с использованием
следующих форм и методов: отчеты.
3.2. Практические задания
Практическая работа 1
Тема : ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Занятие: Анализ работы комбинационных цифровых устройств.
ЦЕЛИ:
1. Повторить основы синтеза комбинационных цифровых устройств.
2. Получить практические навыки в анализе работы цифровых устройств.
Анализ работы комбинационных цифровых устройств
1. Отметить: синтез любых электронных узлов и устройств (в том числе, и
комбинационных цифровых устройств) предусматривает как одну из важнейших задач, разработку
функциональной или принципиальной схемы. То есть: устройства нет, но известно, как оно
работает, и его нужно спроектировать, в этом и заключается задача синтеза.
Задача анализа электронной схемы противоположна. Есть либо само устройство, либо его
схема, либо и то, и другое, но непонятно, как это устройство работает.
Другой вариант: устройство есть, но оно неисправно; необходимо выявить и устранить эту
неисправность.
Таким образом, специалист в области цифровой техники должен не только уметь
разработать устройство с заданными свойствами, но и анализировать работу незнакомых или
неисправных цифровых устройств.
2. Привести методику анализа работы цифровых комбинационных схем:
- определить количество входов и выходов устройства.
- вычертить таблицу истинности с уже известным количеством входов и выходов и
заполнить ее комбинациями входных сигналов.
- задавая последовательно ту или иную комбинацию входных сигналов, проследить
их прохождение по логическим элементам, составляющим схему исследуемого логического
устройства, зафиксировать выходные сигналы и записать их в таблицу истинности.
- в случае необходимости вывести логическую формулу исследуемого устройства,
произвести ее минимизацию и построить устройство уже по упрощенной логической схеме.
3. Задача: из-за неисправности электронный замок невозможно использовать. Имеется
его функциональная схема , рисунок 1. Требуется описать работу этого замка.
4. Привести функциональную схему электронного замка (обведена пунктиром).
А
В
С
+Еп +Еп
Рисунок 1
На рисунке 2 приведена таблица истинности.
А В С Р
0 0 0 0
1 0 0 0
0 1 0 0
1 1 0 0
0 0 1 1
1 0 1 0
0 1 1 0
1 1 1 1
Рисунок 2
1. Устройство имеет три входа и один выход. Ко входам подключены кнопки, к выходу
- транзисторный ключ с обмоткой реле в цепи коллектора, которое, сработав, подготавливает цепи
подачи напряжения на электромагнит замка, который втягивает сердечник, соединенный с
ригелем обычного механического замка. Контакты кнопок набора номера подключены через
резистор к клемме «+» источника питания Еп, поэтому нажатие кнопки подает +Еп, т.е.
логическую единицу на соответствующий вход логической схемы.
2. Применяя предложенную методику, проанализировать работу замка при различных
сочетаниях сигналов на входах логической схемы (т.е. при различных сочетаниях нажатых
1
1
&
1
&
Р
кнопок). Заполнить таблицу истинности (рисунок 2), столбец Р, соответствующий выходу
логической схемы.
3. Только при двух сочетаниях нажатых кнопок (001 и 111) на выходе логической
схемы появится логическая 1, и на базу транзистора будет подано отпирающее напряжение,
открывающее его и приводящее в действие реле подачи напряжения на электромагнит замка.
Домашнее задание:
- произвести анализ представленной ниже функциональной схемы логического
устройства и составить таблицу истинности ее работы. По таблице истинности определить
назначение этого устройства.
Практическая работа 2
Тема : ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Занятие. Вычитающие и реверсивные двоичные счетчики.
ЦЕЛИ:
1. Повторить основные сведения, схему и работу двоичных счетчиков импульсов в интегральном
исполнении.
2. Изучить, схему, применение и работу вычитающего и реверсивного двоичного счетчика
импульсов.
1. Двоичный вычитающий триггерный счетчик
1. Дать определение: вычитающим счетчиком называется такой счетчик, в котором
при поступлении каждого счетного импульса код количества импульсов уменьшается на 1.
2. Привести пример применения такого счетчика: таймер микроволновой печи; счетчик
времени, оставшегося до конца тайм.
3. Объяснить принцип работы двоичного вычитающего триггерного счетчика.
В отличие от суммирующего счетчика сигналы на триггер старшего разряда снимаются с
инверсного выхода. Обычно перед началом счета импульсов в счетчик записывается какое-то
число. При поступлении счетных импульсов триггеры последовательно меняют свое состояние, но
код, записанный в счетчике, уменьшается на 1 с приходом очередного счетного импульса. В
остальном вычитающий счетчик работает так же, как и суммирующий.
4. Привести схему вычитающего счетчика на Т-триггерах, рисунок 3.
Р1
&
1
А
В &
1 1
1
Р2
Р3
S T
Т
R 1
S T
Т
R 2
S T
Т
R 3 Уст. 0
Q0 Q1 Q2
Вход
К
следую
щему разряду
D0 D1 D2
2. Младший разряд счетчика слева. Сигнал на инверсном выходе триггера всегда
противоположен сигналу на его прямом выходе. Поскольку счетчик вычитающий, каждый
приходящий импульс должен вычитать единицу из двоичного кода числа, хранящегося в счетчике.
Привести временные диаграммы, поясняющие работу трехразрядного двоичного
вычитающего триггерного счетчика, объяснить его работу по этапам.
А) Исходное состояние.
1. Питание включено, триггеры регистра устанавливаются в произвольное состояние.
2. На входы D0-D2 подается импульс, устанавливающий все триггеры в какое-то
исходное состояние, допустим, в нулевое Можно использовать и сигнал на шину Установка 0,
рисунок 4.
0 1 0 1 0 1 0 1 0
0 1 1 0 0 1 1 0 0
0 1 1 1 1 0 0 0 0
Рисунок 4
Б) Работа триггерного счетчика.
1. На вход Т счетчика (триггер 1) подается первый счетный импульс. Триггер 1
опрокидывается, переходя в состояние 1. Так как Т-вход каждого последующего триггера
подключен к инверсному выходу предыдущего триггера, триггер 2, а значит и триггер 3,
опрокидываются, переходя в единичное состояние. В счетчике записано число 111, т.е. 7.
2. На вход счетчика подается второй счетный импульс. Триггер 1 опрокидывается,
переходя в состояние 0. Но теперь на его инверсном выходе сформировался положительный
перепад напряжения, который не опрокидывает второй триггер. Состояние триггера 3 также не
меняется. В счетчике записано число 110, т.е. 6.
3. На вход счетчика подается третий импульс. Триггер 1 опрокидывается, переходя в
состояние 1, и опрокидывает триггер 2. Триггер 3 остается в состоянии 1. В счетчике записано
число 101, т.е.5.
4. На вход поступает четвертый импульс. Триггер 1 опрокидывается, переходя в
состояние 0, состояние остальных триггеров не меняется. В счетчике записано число 100, т.е.4.
5. При поступлении 5-го, 6-го и 7-го импульсов работа счетчика происходит
аналогично, записываются числа 011 (3), 010 (2) и 001 (1).
6. На вход поступает восьмой импульс. Триггер 1 опрокидывается, переходя в
состояние 0. Состояние остальных триггеров не меняется. В счетчике записано число 000, т.е. 0.
7. При поступлении последующих импульсов работа триггерного счетчика
повторяется.
№ Q0 Q1 Q2
0 0 0 0
1 1 1 1
2 0 1 1
3 1 0 1
4 0 0 1
5 1 1 0
6 0 1 0
7 1 0 0
8 0 0 0
Т
Q0
Q1
Q2
t
t
t
t
1 2 3 4 5 6 7 8
Таким образом, за 8 счетных импульсов триггерный счетчик полностью повторяет цикл
своей работы. По состоянию триггеров счетчика можно определить количество импульсов,
поступивших на его вход.
2 Реверсивный двоичный счетчик
1. Реверсивным называется счетчик, позволяющий производить счет как в прямом, так
и в обратном направлении.
Для того, чтобы объединить в одном устройстве суммирующий и вычитающий счетчик,
необходимо управлять направлением счета. Для этого необходимо подключать входы
последующих триггеров к прямым выходам триггеров. Также необходимо иметь цепи выбора
направления счета. Привести схему реверсивного счетчика.
2. Объяснить особенности и работу реверсивного счетчика.
Для управления направлением работы счетчика использованы логические элементы И-
ИЛИ-НЕ. Управляющий сигнал выбора направления счета уровня логической 1 подается на шину
+1 или –1. В зависимости от того, на какую шину подан управляющий сигнал, подготовленными
к передаче логических сигналов с выходов триггеров оказываются либо верхние, либо нижние
логические элементы И. Следовательно, к Т-входу следующего триггера подключается либо
прямой, либо инверсный выход триггера предыдущего, и счетчик работает либо на сложение, либо
на вычитание.
3. Привести условное обозначение реверсивного счетчика на функциональных схемах
(счетчик двоично-десятичный, построен в микроэлектронном исполнении).
Практическая работа 3
Тема: ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Занятие: Двоичные дешифраторы.
ЦЕЛИ:
1. Повторить назначение, особенности и работу триггеров в интегральном исполнении.
2. Изучить основные сведения, схемы и работу дешифраторов, шифраторов и преобразователей
кода в интегральном исполнении.
1 Основные сведения о дешифраторах, шифраторах и преобразователях кодов
Цифровые устройства в своей работе используют сигналы только двух видов – логические
0 и 1. Те же самые принципы использует и двоичная арифметика, в чем мы убедились на примерах
синтеза двоичного полусумматора и устройства сравнения двух одноразрядных двоичных чисел.
S T
Т
R 1
S T
Т
R 2
S T
Т
R 3 Уст. 0
Q0 Q1 Q2
Вход
К
следую
щему
разряду
D0 D1 D2
На принципах двоичной арифметики и их реализации в цифровых устройствах построены
самые различные вычислительные машины – от простейшего микрокалькулятора до сложнейших
информационно-вычислительных систем. Это связано с тем, что узлы и устройства двоичной
арифметики быстры и надежны, легко реализуются на основе только трех разновидностей
логических элементов – И, ИЛИ, НЕ. Но есть и обратная сторона этих преимуществ. Сочетания
двоичных сигналов, двоичные коды довольно сложно понять неподготовленному человеку,
который не видит смысла за сочетаниями нулей и единиц. Само собой разумеется, ему удобнее
вводить информацию в машину в привычном для себя виде (числа, буквы…), и получать
результаты обработки информации в таком же в привычном виде. Тот факт, что машинные коды
представляют собой двоичные числа, что все виды хранения и обработки информации происходят
именно с двоичными числами для него не столь важен, как важно получение результата обработки
информации.
Отсюда вытекает необходимость в преобразовании двоичных чисел (двоичных кодов) для
представления в других системах счисления, чаще всего – в десятичной (реже – в восьмеричной
или в шестнадцатеричной). Эту задачу выполняют устройства под названием ДЕШИФРАТОРЫ.
Если же необходимо осуществить обратное преобразование, например, представить
десятичное число в двоичной системе счисления, используются устройства под названием
ШИФРАТОРЫ.
Если необходимо преобразовать какой-то позиционный код в определенное сочетание
сигналов, например, десятичную цифру в код семисегментного индикатора, или нажатие клавиши
с определенным номером преобразовать в сочетание светящихся точек, образующих изображение
буквы на табло объявлений по железнодорожному вокзалу, то используются устройства,
называемые ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ КОДОВ. Помимо представления информации в виде
одновременной записи нескольких двоичных разрядов - параллельного кода (параллельные коды
изображений символов посылаются из компьютера на принтер) для передачи информации по
линиям связи используется представление информации в виде последовательности двоичных
разрядов чисел – последовательный код (так двоичная информация передается по телефонным
линиям). Для преобразования последовательного кода в параллельный и обратно также
необходимы преобразователи кодов.
Таким образом, и дешифраторы, и шифраторы, и преобразователи кодов относятся к классу
преобразователей кодов.
1. Двоичные дешифраторы
1. Двоичным дешифратором называется цифровое устройство, в котором при любой
комбинации входных двоичных сигналов появляется сигнал 1 только на одном из его выходов.
2. Пояснить: поскольку дешифратор преобразует двоичный код, он называется
двоичным. Двоичный дешифратор имеет m входов и 2m выходов. Например, дешифратор для
преобразования одной шестнадцатеричной цифры имеет 4 входа и 16 выходов.
3. Напомнить принципы записи чисел в двоичной системе счисления.
Любое число записывается в двоичной системе счисления в виде суммы произведений
степеней числа 2, умноженных на цифры, из которых состоит запись числа.
4. Привести пример: 610=1102, т.к. 1*22 + 1*2
1 + 0*2
0 = 4+2+0 = 6.
5. Привести таблицу соответствия первых 16 десятичных чисел двоичным:
Десятичн
ое число
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Двоично
е число
0 1 10 11 10
0
10
1
11
0
11
1
10
00
10
01
10
10
10
11
11
00
11
01
1110 1111 10000
6. Привести значения степеней числа 2:
20=1 2
1=2 2
2=4 2
3=8 2
4=16 2
5=32 2
6=64 2
7=128 2
8=256 2
9=512 2
10=1024
7. Составить функциональную схему двоичного дешифратора, преобразующего
двухразрядное двоичное число в управляющий сигнал только на одном из его выходов. Такой
дешифратор должен иметь 2 входа и 4 выхода (m=2; 2m
=4).
8. Представить таблицу истинности такого дешифратора и его УГО.
А В Р0 Р1 Р2 Р3
0 0 1 0 0 0
1 0 0 1 0 0
0 1 0 0 1 0
1 1 0 0 0 1
9. Пояснить: схема дешифратора должна быть построена на логических элементах И в
количестве 4, каждый из них должен иметь 2 входа.
Построить схему дешифратора, привести его условное обозначение.
1. Объяснить работу дешифратора.
Отметить: в качестве источника двоичного кода обычно используются триггер.
А В Р0 Р1 Р2 Р3
0 0 1 0 0 0
1 0 0 1 0 0
0 1 0 0 1 0
1 1 0 0 0 1
2. Пояснить: схема дешифратора должна быть построена на логических элементах И в
количестве 4, каждый из них должен иметь 2 входа..
3. Построить схему дешифратора, привести его условное обозначение.
9. Пояснить: схема дешифратора должна быть построена на логических элементах И в
количестве 4, каждый из них должен иметь 2 входа..
10. Построить схему дешифратора, привести его условное обозначение.
DC P0
A P1
P2
B P3
DC
P0
A
P1
P2
B
P3
&
&
&
&
1
А
В
1
Р0
Р1
Р2
Р3
DC
0
D0 1
D1 2
3
11. Объяснить работу дешифратора.
Практическая работа 4
Тема: ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Занятие. Двоичный суммирующий триггерный счетчик.
ЦЕЛИ:
1. Повторить основные сведения, схемы и работу регистров сдвига в интегральном исполнении.
2. Изучить основные сведения, схему и работу двоичного счетчика импульсов в интегральном
исполнении.
Основные сведения о счетчиках импульсов и делителях частоты
2. Счетчики импульсов – это цифровые устройства, предназначенные для подсчета
количества импульсов, поданных на вход. Счетчики осуществляют счет и хранение кода числа
подсчитанных импульсов. Кроме того, счетчик импульсов может служить делителем частоты
входных сигналов.
3. Классификация счетчиков:
- по направлению счета: суммирующие, вычитающие, реверсивные;
- по коэффициенту счета: двоичные, десятичные, с произвольным коэффициентом счета;
- по виду связи между разрядами: с непосредственными связями, с комбинированными
связями;
- по порядку изменения состояний – с естественным и произвольным порядком счета;
- по элементной базе: на дискретных элементах, на микросхемах-триггерах, в виде одной
микросхемы повышенной степени интеграции.
4. Поскольку триггер имеет два состояния устойчивого равновесия и способен хранить один
бит информации, количество триггеров для построения счетчика определяется его необходимой
емкостью. Например, для подсчета и хранения максимум четырех импульсов необходимо два
триггера (число представлено в двоичном коде), для подсчета 8-16 импульсов – 4 триггера, 256
импульсов – 8 триггеров и т.д. – в общем случае 2n триггеров. Для подсчета и хранения количества
импульсов в двоично-десятичном коде необходимо иметь 4*n триггеров, где n – количество
десятичных разрядов.
Основные параметры счетчиков – емкость и быстродействие. Особая разновидность
счетчиков импульсов – кольцевые регистры сдвига, которые могут служить еще и
распределителями сигналов.
&
&
&
&
1
А
В
1
Р0
Р1
Р2
Р3
DC
0
D0 1
D1 2
3
5. Принцип работы двоичного триггерного счетчика.
Обычно перед началом счета импульсов триггеры счетчика сбрасываются в 0. При
поступлении счетных импульсов триггеры последовательно меняют свое состояние, причем они
могут сохранять это состояние сколь угодно долго до прихода очередного счетного импульса.
Состояние счетчика в заданном коде отображает результат счета. Считывание результата счета
производится обычно в прямом параллельном коде.
5. Применение счетчиков импульсов – цифровые устройства автоматики, вычислительная
техника, измерительная техника, техника связи.
6. Пример применения триггерных счетчиков – электронные часы.
Двоичный суммирующий триггерный счетчик
1. Привести схему двоичного триггерного счетчика на Т-триггерах.
2. Младший разряд счетчика слева. Поскольку счетчик суммирующий, каждый
приходящий импульс прибавляет единицу к двоичному коду числа, хранящемуся в счетчике.
Привести временные диаграммы, поясняющие работу трехразрядного двоичного
триггерного счетчика, объяснить его работу по этапам.
А) Исходное состояние.
1. Питание включено, триггеры регистра устанавливаются в произвольное состояние.
2. На вход Установка 0 подается импульс, устанавливающий все триггеры в 0.
0 1 0 1 0 1 0 1 0
0 0 1 1 0 0 1 1 0
0 0 0 0 1 1 1 1 0
№ Q0 Q1 Q2
0 0 0 0
1 1 0 0
2 0 1 0
3 1 1 0
4 0 0 1
5 1 0 1
6 0 1 1
7 1 1 1
8 0 0 0
T
Т
R 1
T
Т
R 2
T
Т
R 3 Уст. 0
Q0 Q1 Q2
Вход
Т
Q0
Q1
Q2
t
t
t
t
1 2 3 4 5 6 7 8
Б) Работа триггерного счетчика.
- На вход Т счетчика (триггер 1) подается первый счетный импульс. Триггер 1
опрокидывается, переходя в состояние 1. На его прямом выходе образовался положительный
перепад напряжения. Но так как опрокидывание триггера должно происходить при отрицательном
перепаде напряжения на его Т-входе, триггер 2, а значит и триггер 3, сохраняют свое состояние. В
счетчике записано число 001, т.е. 1.
- На вход счетчика подается второй счетный импульс. Триггер 1 опрокидывается, переходя
в состояние 0. Но теперь на его прямом выходе сформировался отрицательный перепад
напряжения, который опрокидывает второй триггер. Но поскольку при этом на прямом выходе
триггера 2 образовался положительный перепад напряжения, состояние триггера 3 не меняется. В
счетчике записано число 010, т.е. 2.
- На вход счетчика подается третий импульс. Триггер 1 опрокидывается, переходя в
состояние 1. Триггер 2 своего состояния не меняет. В счетчике записано число 011, т.е.3.
- На вход поступает четвертый импульс. Триггер 1 опрокидывается, переходя в состояние 0,
заставляя опрокидываться и триггер 2, а тот в свою очередь, опрокидывает триггер 3. В счетчике
записано число 100, т.е.4.
- При поступлении 5-го, 6-го и 7-го импульсов работа счетчика происходит аналогично,
записываются числа 101 (5), 110 (6) и 111 (7).
- На вход поступает восьмой импульс. Триггер 1 опрокидывается, переходя в состояние 0,
заставляя опрокидываться и триггер 2 (состояние 0), а тот в свою очередь, опрокидывает триггер
3, переводя его также в состояние 0. В счетчике записано число 000, т.е. 0.
- При поступлении последующих импульсов работа триггерного счетчика повторяется.
Таким образом, за 8 счетных импульсов триггерный счетчик полностью повторяет цикл
своей работы. По состоянию триггеров счетчика можно определить количество импульсов,
поступивших на его вход.
Объяснить схему двоичного триггерного счетчика на D-триггерах, обозначение на
функциональных схемах, назначение цепей и работу.
Практическая работа 5
Тема: ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Занятие: Общие сведения о логических элементах. Диодно-транзисторные логические элементы.
ЦЕЛИ:
1. Повторить назначение и область применения логических устройств связи и автоматики.
2. Изучить общие сведения о логических элементах.
D T
C
R 1
D T
C
R 2
D T
C
R 3
Уст. 0
Q0 Q1
Q2
Вход
Общие сведения о логических элементах
1. Все логические элементы предназначены для выполнения некоторой логической
функции при применении цифровых способов передачи, обработки и использования информации.
Так, например, логические элементы И, ИЛИ, НЕ выполняют простейшие логические операции
(логическое умножение, сложение, инверсия), и их принято называть простейшими, или
элементами. Логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ являются универсальными и
реализуют более сложные логические функции. Они же являются основой для построения еще
более сложных логических узлов и устройств, поскольку их легче всего реализовать в
микроэлектронном исполнении. Именно поэтому они называются базовыми, т.к. на этих
логических элементах строятся практически все микроэлектронные узлы и устройства цифровой
техники.
2. Отметить: ранее были изучены варианты реализации логических элементов на
контактной основе, при помощи тумблеров и релейных схем. Помимо этого, на практике, в
аппаратуре железнодорожной автоматики и связи применяются и электронные схемы логических
элементов в дискретном исполнении, а также элементы, узлы и устройства в микроэлектронном
исполнении. Небезынтересно отметить, что в аппаратуре шахтной автоматики, где очень важна
взрывобезопасность, применяются пневматические логические элементы.
3. Устройства, воспринимающие и обрабатывающие цифровую информацию,
называются цифровыми устройствами. Каждое подобное устройство состоит из элементов и
узлов. Элемент – простейшая функциональная часть устройства, реализующая логическую или
вспомогательную функцию над цифровыми сигналами, либо функцию запоминания этих
сигналов. Узел – совокупность элементов, обеспечивающих выполнение определенных операций
над поступившими сигналами (подсчет количества импульсов).
4. Наиболее простыми являются логические элементы контактной логики.
Логические элементы диодно-транзисторной логики
1. Особенности элементов ТТЛ: данные логические элементы используют
основополагающий принцип образования сигналов цифровых устройств: логическая 1
В
А
В А
А
ИЛИ
И
НЕ
1
&
1
1 &
ИЛИ-НЕ И-НЕ
1 &
&
эквивалентна сигналу с высоким уровнем напряжения (единицы вольт), а логический 0 – сигналу с
низким уровнем напряжения (доли вольта), а кроме того, свойство односторонней проводимости
полупроводниковых диодов и транзисторов. Достоинствами подобных логических элементов
является их простота и однотипность, недостатком – дискретное построение.
2. Привести схемы этих логических элементов. Объяснить работу логических
элементов:
а ) б ) в)
а) логический элемент И:
Если на входы А и В логического элемента И подать сигналы логического нуля, то оба диода
будут открыты, они имеют малое сопротивление, поэтому на выходе логического элемента –
сигнал логического 0. Если подать сигналы 0 и 1, то один из диодов окажется открытым, а другой
– закрытым, поэтому на выходе логического элемента – сигнал логического нуля. Только при
подаче на все входы элемента сигналов логической 1 диоды будут закрыты, на выходе – сигнал
логической 1.
б) логический элемент ИЛИ:
Если на входы А и В логического элемента И подать сигналы логического нуля, то оба диода
будут закрыты, ток через резистор нагрузки не протекает, поэтому на выходе логического
элемента – сигнал логического 0. Если хотя бы на один вход логического элемента подать сигналы
логической 1, то один из диодов окажется открытым, через резистор нагрузки будет протекать ток,
поэтому на выходе логического элемента будет сигнал логической единицы. При подаче сигналов
логической единиц на все входы элемента все диоды будут открыты, на выходе – сигнал
логической 1.
в) логический элемент НЕ:
При подаче на вход схемы сигнала логического 0 транзистор закрыт напряжением
смещения, на выходе элемента – сигнал логической 1. При подаче сигнала логической 1
транзистор открывается и входит в насыщение, его сопротивление близко к 0, на выходе элемента
– сигнал логического 0.
+Ек
А
В
«И»
Р
Р
«ИЛИ»
Р
+Ек
-Есм
«НЕ»
А
В
А
В
«И»
+Ек
-Есм
«НЕ» Р
И-НЕ
Самостоятельно объяснить работу логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Практическая работа 6
Тема 2: ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Занятие: Синтез комбинационных цифровых устройств на базе логических элементов И-НЕ, ИЛИ-
НЕ.
ЦЕЛИ:
1. Повторить основы синтеза комбинационных цифровых устройств.
2. Совершенствовать практические навыки студентов в разработке цифровых устройств.
Синтез комбинационных цифровых устройств на основе логических элементов И-НЕ,
ИЛИ-НЕ
1. Спроектировать цифровое устройство, которое может быть использовано для
подсчета голосов при голосовании. Оно должно работать следующим образом: на ее входы
подаются сигналы от кнопок, нажимаемых членами выборной комиссии (их всего трое). Решение
считается принятым, если «За» проголосовали хотя бы двое из членов комиссии. Как видим, такое
устройство по своему назначению напоминает рассмотренное ранее за исключением небольшой
разницы (голоса каждого члена комиссии равнозначны). Устройство должно быть собрано на
двухвходовых логических элементах.
2. Провести синтез схемы сравнения.
Для проектирования устройства применим методику, которую мы использовали ранее
(кратко обозначим этапы):
- «черный ящик»;
- таблица истинности;
- логическая формула;
- ее минимизация;
- функциональная схема;
- принципиальная схема.
Устройство должно иметь три входа и один выход.
A
B Р
С
Согласно словесному описанию проектируемая схема сравнения должна работать в
соответствии с приведенной таблицей истинности:
«ИЛИ»
Р
+Ек
-Есм
«НЕ» А
В ИЛИ-НЕ
D
А В С P
0 0 0 0
1 0 0 0
0 1 0 0
1 1 0 1
0 0 1 0
1 0 1 1
0 1 1 1
1 1 1 1
Запишем логические формулы: Р = А*В*!С + А*!В*С + !А*В*С + А*В*С
При переходе от каждого квадрата к соседнему меняется состояние только одного входа!
Минимизация формулы (применим карту Карно):
Р = А*В +А*С + В*С
Строим функциональную схему устройства на логических элементах И, ИЛИ, НЕ:
Построение данной схемы является промежуточным этапом для построения
функциональной схемы устройства на микросхемах (логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ).
Построим функциональную схему проектируемого устройства на микросхемах И-НЕ.
А
В
С
!А!В !АВ АВ А!В
!С
С
1
1 1 1
& &
&
&
& &
& &
А
В
&
1
А
В &
&
Р
С
&
&
& Р1
С
& &
Вариант увеличения количества входов логического элемента И.
3. Подсчитать количество логических элементов (12) и определить количество
корпусов микросхем данного типа (3) и оценить преимущество построения цифрового устройства
только из одной разновидности логических элементов.
4. Типовые задания для экзамена по дисциплине «Цифровая схемотехника»
Задание №1
При логическом отрицании верны следующие утверждения:
- Если событие А = 1 тогда событие Р = 0;
- Если событие А = 1 тогда событие Р = 1;
- Если событие А = 0 тогда событие Р = 0;
- Если событие А = 0 тогда событие Р = 1;
Задание №2
Как соотносятся два данных выражения: А * (В + С) , и А * В + А * С
1. Равны между собой;
- А * (В + С) больше чем А * В + А * С;
- А * (В + С) меньше чем А * В + А * С;
- Задан некорректный вопрос;
Задание №3
После того, как на все входы неизвестного многовходового логического элемента был
подан уровень логической единицы, на его выходе также появился уровень логической единицы.
Определите тип логического элемента.
* "И"
* "ИЛИ"
- "НЕ"
- "И-НЕ"
Задание №4
Если на схему симметричного триггера подать напряжение питания, то произойдет следующее:
- один из транзисторов начнет приоткрываться;
- другой из транзисторов начнет призакрываться;
- оба транзистора начнут приоткрываться;
- оба транзистора начнут призакрываться;
Задание №5
Оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) является; и предназначено :
- Энергозависимым устройством;
- Энергонезависимым устройством;
- Для временного хранения обрабатываемой информации;
- Для постоянного хранения файлов данных и программного обеспечения;
Задание №6
Шифратор - это узел цифровых устройств предназначенный :
- для преобразования чисел из десятичного кода в двоичный;
- для преобразования чисел из двоичного кода в десятичный;
- для передачи сигнала от нескольких источников по одному физическому каналу;
- для передачи сигнала от одного физического канала к нескольким приемникам;
Задание №7
Опрокидывание D-триггера происходит в момент когда:
- на его вход D подается импульс высокого логического уровня;
- на его вход С подается задний фронт импульса высокого логического уровня;
- на его вход С подается передний фронт импульса низкого логического уровня;
- на его инверсном выходе появляется импульс высокого уровня;
Задание №8
В регистр хранения запись осуществляется:
- В параллельном коде;
- В последовательном коде;
- После подачи короткого импульса на вход С;
- После подачи короткого импульса на вход R;
Задание №9
Демультиплексор - это узел цифровых устройств управляемый:
- двоичным кодом на его управляющих входах;
- двоичным кодом на его информационных входах;
- работой специального генератора импульсов;
- кодом семисегментного индикатора на его управляющих входах;
Задание №10
Выбор того выхода, куда пересылаются данные в демультиплексоре, определяется:
- двоичным кодом, поступающим на управляющие (селекторные) входы;
- десятичным кодом, поступающим на управляющие (селекторные) входы;
- замыканием специальных ключей;
- кодом семисегментного индикатора, поступающим на управляющие
(селекторные) входы;
Задание №11
Полный сумматор - это устройство, которое обеспечивает:
- двоичное сложение с учетом переноса из младшего разряда;
- двоичное сложение с учетом переноса в старший разряда;
- передачу сигнала от нескольких источников по одному физическому каналу;
- передачу сигнала от одного физического канала к нескольким приемникам;
Задание №12
Двоичные счетчики предназначены для:
- подсчета импульсов приходящих на их вход ;
- для хранения информации о количестве пришедших на вход импульсов;
- используется как пороговое устройство для генерации импульсов пилообразной формы;
- для выпрямления переменного тока;
Задание №13
В качестве делителей частоты могут быть использованы:
- двоичные счетчики;
- регистры сдвига (последовательные);
- регистры хранения (параллельные);
- триггер Шмитта;
Задание №14
Цифро-аналоговый преобразователь - это:
- узел цифровых устройств;
- предназначенный для преобразования цифрового сигнала в аналоговый;
- предназначенный для преобразования аналогового сигнала в цифровой;
- для передачи сигнала от одного физического канала к нескольким приемникам;
Задание №15
Микропроцессорная большая интегральная схема (КР580ИК80) рассчитана на выполнение:
- логических операций;
- арифметических операций;
- алгебраических операций;
- геометрических операций;
Задание №16
Для того чтобы написать программу для микроконтроллера на Ассемблере программист должен:
- написать текст программы, придерживаясь, правил выбранного языка программирования;
- запустив программу транслятор (компилятор) перевести каждую команду создаваемой
программы в ее код;
- запустив приложение MS Word перевести каждую команду создаваемой программы в ее код;
- запустив программу транслятор (компилятор) перевести ее код в команду;
Вопрос №17
Вам нужно записать двоичное число 010 в регистр сдвига. Предварительно регистр сдвига
обнулен, то есть во всех его разрядах записаны нули. Укажите порядок выполнения операций.
1. Замкнуть ключ D и тем самым подать на вход первого триггера логическую единицу;
2. Подать кратковременный импульс на вход С и тем самым записать в первый разряд регистра
высокий уровень. В регистре записано число 100;
3. Разомкнуть ключ D и тем самым подать на вход первого триггера логический ноль;
4. Подать кратковременный импульс на вход С и тем самым записать в первый разряд регистра
низкий уровень (ноль). В регистре записано число 010;
Вопрос №18
Перед Вами находится схема демультиплексора. Вам необходимо передать сигнал высокого
уровня с входа D на выход 2, а затем сигнал низкого уровня с входа D на выход 0. Укажите
порядок выполнения операций.
1. Устанавливают на входах А и B комбинацию 0 1
2. Для записи высокого уровня замыкаю ключ D и на выходе 2 высокий уровень сигнала.
3.Устанавливают на входах А и B комбинацию 0 0
4. Для записи низкого уровня размыкаю ключ D и на выходе 0 низкий уровень сигнала.
Вопрос №19
Перед Вами находится схема мультиплексора. Ваша задача передать сигнал высокого
уровня с входа D2 на выход Q, а затем сигнал высокого уровня с входа D4 на выход Q.
Укажите порядок выполнения операций.
1. Устанавливат на входах А и B комбинацию 1 0
2. Для передачи сигнала высокого уровня с входа D2 на выход Q замыкают ключ D2.
3. Устанавливают на входах А и B комбинацию 1 1
4. Для передачи сигнала высокого уровня с входа D4 на выход Q, замыкают ключ D4.
Вопрос №20
На схеме изображен синхронный RS-триггер. Ваша задача установить на его прямом
выходе высокий, а на инверсном низкий логический уровни.
4
1. Для того, чтобы обнулить состояния на выходах триггера замыкают ключ R, а затем подают
короткий импульс на вход С. Размыкают ключ R.
2. На прямом выходе триггера низкий, а на инверсном высокий логический уровни.
3. Замыкают ключ S.
4. Подают короткий импульс на вход С. На прямом выходе триггера высокий, а на инверсном
низкий логический уровни.
Вопрос №21
На рисунке изображена схема асинхронного суммирующего счетчика.
Укажите, последовательность записи двоичных чисел в разряды счетчика при приходе 1, 2, 3 и 4
импульсов.
1. В результате прихода первого импульса в счетчике записано число 1000
2. В результате прихода второго импульса в счетчике записано число 0100
3. В результате прихода третьего импульса в счетчике записано число 1100
4. В результате прихода четвертого импульса в счетчике записано число 0010
Вопрос №22
В аккумуляторе микропроцессора записано двоичное число 00000001, а в его буфер
записано двоичное число 00000011. Какие операции будут выполнены в микропроцессоре после
ввода команды «Ввод».
1. Число 00000001 из аккумулятора будет перемещено в RGфик.
2. Число 00000011 из буфера данных переместится во внутреннюю шину данных.
3. Число 00000011 из внутренней шины данных переместится в RGпром.
4. Микропроцессор переходит в режим ожидания дальнейшей команды.
Вопрос №23
В RGфик. микропроцессора записано двоичное число 00000001, а в его регистре RGпром. –
двоичное число 00000011. Какие операции будут выполнены в микропроцессоре после ввода
команды АDD M.
1. Число 00000001 из RGфик. Будет перемещено в АЛУ.
2. Число 00000011 из RGпром. Будет перемещено в АЛУ.
3. В арифметико-логическом устройстве произойдет двоичное сложение чисел 00000001 и
00000011.
4. Результат сложения двоичных чисел переместится в аккумулятор.
Вопрос №24
На схеме изображен D-триггер. Ваша задача установить на его прямом выходе высокий, а
на инверсном низкий логический уровни.
8
1. Замыкаю ключ D, и тем самым подаю на вход D триггера высокий логический уровень.
2. Подаю короткий импульс на вход С.
3. На прямом выходе формируется высокий, а инверсном низкий логический уровни.
4. Размыкаю ключ D, и тем самым снимаю с входа D триггера высокий логический уровень.
Вопрос №25 (кейс задача)
На входах устройства присутствуют логические единицы (высокий логический уровень).
Какой уровень будет на выходах устройства:
1.На первом выходе присутствует логический ноль;
2.На втором выходе присутствует логический ноль;
3.На первом выходе присутствует логическая единица;
4.На втором выходе присутствует логическая единица;
5. Пакет экзаменатора
Количество вариантов задания для экзаменующегося – 1/30
Время выполнения задания - 60 мин. (1 час)
Оборудование:
персональные компьютеры с лицензионным программным обеспечением: система
автоматизированного проектирования Quartus II, Microsoft Office;
мультимедийный проектор;
ручка, карандаш, бумага для чернения
Информационные источники:
Основные:
1. Калабеков Б,А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы..
М.,2008.
Дополнительные:
1. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и
микроконтроллеры. С-Петербург., 2004
2. Мышляева И.М. Цифровая схемотехника. М., 2005
3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника, СПб.: БХВ-Петербург, 2004
4. Бибило П.Н., Романов В.И. Логическое проектирование дискретных устройств с
использованием продукционно-фреймовой модели представления знаний. – Минск:
Беларус. навука, 2011.
5. Бибило П.Н. Основы языка VHDL: Учебное пособие. Изд. 5-е. М.: Книжный дом
«ЛИБРОКОМ», 2012.
Электронные ресурсы:
1. Проектирование цифровых схем на основе ПЛИС: www.mirea.ru (10.09.2013)
2. VHDL - обучающий портал для студентов и разработчиков: www.vhdl (10.09.2013)
3. Интернет-университет информационных технологий (ИНТУИТ.ру): www.intuit.ru
(10.09.2013)
