 |
Изучение реализаций основных логических элементов
|
|
|
|
Выполнили студенты
III курса 28 группы
Федосеев А.Е.
Галанин Д.В.
Проверил:
Можжухина В.В.
I. Изучение основных логических элементов, их изображений и функций, реализуемых этими элементами.
Изучение основных логических элементов, их изображений и функций, реализуемых этими элементами, может осуществляться при виде исследований – либо «Таблица состояний», либо «Временные диаграммы». При любом из этих видов исследований производится выбор изучаемого логического элемента:
· элемент `И`;
· элемент `ИЛИ`;
· элемент `НЕ`;
· элемент `И-НЕ`;
· элемент `ИЛИ-НЕ`.
При этом в окне «Изображение» появляется изображение выбранного вида логического элемента и функция, реализуемая этим элементом.
Изучение изображений основных логических элементов можно совместить с определением таблиц состояний.
II. Определение таблиц состояний основных логических элементов.
Определение таблицы состояний исследуемого логического элемента производится при виде исследований «Таблица состояний».
Перед началом работы желательно подготовить заготовку таблицы состояний, в которой должны быть столбцы входных сигналов и выходного сигнала. Число строк в таблице должно соответствовать всем возможным сочетаниям входных сигналов. Незаполненной должен быть только столбец выходного сигнала.
Затем необходимо задавать различные комбинации входных сигналов, и нажимать кнопку «Внести в таблицу». При этом результат данной комбинации сигналов заносится в таблицу состояний на экране монитора. Когда все возможные комбинации сигналов будут определены кнопка «Внести в таблицу» становится недоступной. Результаты из таблицы состояний на экране монитора заносятся в заготовленную таблицу и анализируются. Затем определяется таблица состояний следующего логического элемента.
|
|
|
В этом режиме на экране монитора имеются:
1. Элементы выбора вида логического элемента и количества его входов;
2. Изображение выбранного вида логического элемента с указанием выполняемой функции, значение входных сигналов и сигналов на выходе
3. Таблица состояния.
III. Получение и анализ временных диаграмм основных логических элементов.
Получение и анализ временных диаграмм основных логических элементов производится при виде исследований «Временные диаграммы».
Исследование проводится следующим образом.
Пользователь выбирает вид исследуемого логического элемента и количество его входов. Затем он задает количество интервалов сигналов и комбинации сигналов для каждого интервала. Одновременно с нажатием кнопки мыши, изменяющей значение входного сигнала в выбранном интервале, происходит изменение временных диаграмм.
Для полного анализа пользователь должен задать все возможные комбинации входных сигналов и понять, при каких сигналах и в какие моменты времени появляются те или иные сигналы на выходе. Для более точного определения момента переключения можно использовать визир, который перемещается с помощью мыши.
· элемент `И`; 
· элемент `ИЛИ`;
· элемент `НЕ`;
· элемент `И-НЕ`;
· элемент `ИЛИ-НЕ`.
IV. Изучение реализаций основных логических элементов.
Изучение реализаций основных логических элементов производится при виде исследований - «Реализация».
В моделирующей системе изучаются 5 реализаций основных логических элементов:
· диодный элемент `ИЛИ`;
· диодный элемент `И`;
· транзисторный элемент `НЕ`;
· базовый элемент `И-НЕ` серии К511;
· базовый элемент `И-НЕ` серии К155.
Для каждого из этих элементов производится:
|
|
|
· изучение принципиальных схем;
· определение проходных характеристик;
· исследование влияния параметров элементов схемы на вид проходной характеристики.
Исследование проводится следующим образом. Выбирается закладка с изучаемым элементом. При этом в поле «Изображение элемента» появляется принципиальная схема элемента.
1. Диодный элемент `ИЛИ`.
Рис. 1.1. Диодный элемент `ИЛИ`.
Снятие проходных характеристик.
Для этого элемента определяется проходная характеристика
при 
.
Характеристика снимается для 3-х значений 
при изменении 
от 0 до 
в соответствии с заданным вариантом (табл. 4.1). Чтобы лучше понять, как сказывается второй входной сигнал на вид характеристики, все три зависимости целесообразно построить на одном графике (рис. 1).
Снятие характеристик производится следующим образом.
Сначала устанавливается заданное значение . Затем задаются значения и нажимается кнопка «Измерение». Полученные значения напряжений фиксируются.
Таблица 1.1. Вариант задания при определении проходной характеристики диодного элемента `ИЛИ`.
| 
| 
| ||
| 1-е | 2-е | 3-е | ||
Таблица 1.2. Снятие проходных характеристик диодного элемента `ИЛИ`.
| 
| 
| |||
| 
|
|
|
|
|
Рис. 1.2. Снятие проходных характеристик диодного элемента `ИЛИ`.
Напряжение на выходе схемы диодного элемента `ИЛИ` определяется по следующей формуле:
где 
- падение напряжения на открытом диоде.
Исследование влияния параметров схемы на вид проходной характеристики.
Для диодного элемента `ИЛИ` исследуется влияние значения падения напряжения на диодах в прямом направлении () на вид проходной характеристики.
Проходная характеристика снимается для 2-х значений , соответствующих «идеальному» и «реальному» диодам. Обе зависимости строятся на одном графике (рис. 4.3).
Таблица 1.3. Вариант задания при определении влияния падения напряжения на диоде на вид проходной характеристики диодного элемента `ИЛИ`.
|
|
|
| Диод |
|
| |
| «Реальный»
| «Идеальный»
| ||
Таблица 1.4. Исследование влияния падения напряжения на диоде на вид проходной характеристики диодного элемента `ИЛИ`.
| 
| ||
|
|
|
|
|
Напряжение на выходе схемы диодного элемента `ИЛИ` определяется по следующей формуле:
где - падение напряжения на открытом диоде.
Графики имеют соответствующий вид.
2. Диодный элемент `И`.
Рис. 2,1. Диодный элемент `И`.
Снятие проходных характеристик.
Для этого элемента определяется проходная характеристика
при .
Характеристика снимается для 3-х значений при изменении от 0 до в соответствии с заданным вариантом. Все три зависимости целесообразно построить на одном графике.Таблица 2,1. Вариант задания при определении проходной характеристики диодного элемента `И`.
|
|
| 
|
| 
| 
| ||
| 1-е | 2-е | 3-е | |||||
Таблица 2,2. Снятие проходных характеристик диодного элемента `И`.
|
| 
| 
| |||
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение на выходе схемы диодного элемента `И` определяется по следующей формуле:
где - падение напряжения на открытом диоде.
Графики имеют соответствующий вид.
Исследование влияния параметров схемы на вид проходной характеристики.
Для диодного элемента `И` можно исследовать влияние на вид проходной характеристики следующих параметров:
· значения падения напряжения на диодах в прямом направлении ();
· сопротивления нагрузки (
).
В первом случае проходная характеристика снимается при 2-х значениях , а во втором – при 2-х значениях . Для каждого случая все зависимости строятся на одном графике (рис. 1).
Таблица. 2,3. Вариант задания при определении влияния падения напряжения на диоде на вид проходной характеристики диодного элемента `И`.
|
|
|
| Диод |
|
|
|
|
| |
| «Реальный»
| «Идеальный»
| |||||
Таблица 2,3. Исследование влияния падения напряжения на диоде на вид проходной характеристики диодного элемента `И`.
|
|
| ||
|
|
|
|
|
Напряжение на выходе схемы диодного элемента `И` определяется по следующей формуле:
где - падение напряжения на открытом диоде.
Графики имеют соответствующий вид.
Таблица. 2,4. Вариант задания при определении влияния сопротивления нагрузки на вид проходной характеристики диодного элемента `И`.
|
|
|
|
|
|
| |
| 1-е | 2-е | |||||
Таблица 2,5 Исследование влияния сопротивления нагрузки на вид проходной характеристики диодного элемента `И`.
| 
| ||
|
|
|
|
|
| 17.5 | |||
| 17.5 | |||
| 17.5 | |||
| 17.5 |
Значение максимального выходного напряжения для схемы диодного элемента `И` определяется по следующей формуле:
.
Таким образом, с увеличением сопротивления нагрузки напряжение 
также увеличивается.
Графики имеют вид:
3. Транзисторный элемент `НЕ`.
Рис. 3,1. Транзисторный элемент `НЕ`.
Снятие проходных характеристик.
Для этого элемента определяется проходная характеристика
.
Характеристика снимается при изменении 
от 0 до 
в соответствии с заданным вариантом.
Таблица 3,1. Вариант задания при определении проходной характеристики транзисторного элемента `НЕ`.
|
|
| 
| 
| 
| 
|
| -35 |
Таблица 3,2. Снятие проходной характеристики транзисторного элемента `НЕ`.
|
|
| 33.333 | |
| 33.333 | |
| 14.5 | 26.679 |
| 14.469 | |
| 15.5 | 2.942 |
| 0.1 | |
| 0.1 | |
| 0.1 | |
| 0.1 |
При входном напряжении, равном нулю, на базу транзистора подается напряжение отрицательной полярности от источника смещения (
). Напряжение база-эмиттер отрицательно, и транзистор закрыт. При этом напряжение на выходе максимально. Транзистор будет оставаться закрытым, пока входное напряжение не достигнет значения порогового напряжения логического `0` 
, при котором напряжение база-эмиттер становится больше нуля и транзистор начинает открываться. Это напряжение приблизительно можно определить по следующей формуле:
.
При достижении значения порогового напряжения логической `1` 
транзистор насыщается и напряжение на выходе становится близким к нулю.
|
|
|
Исследование влияния параметров схемы на вид проходной характеристики.
Для транзисторного элемента `НЕ` можно исследовать влияние на вид проходной характеристики следующих параметров:
· сопротивления нагрузки ();
· входного сопротивления (
);
· сопротивления смещения (
);
· напряжения смещения ();
· напряжения питания (
).
. Для каждого исследуемого параметра все зависимости строятся на одном графике.
Таблица 3,3. Вариант задания при определении влияния сопротивления нагрузки на вид проходной характеристики транзисторного элемента `НЕ`.
|
|
|
|
|
|
|
| ||
| 1-е | 2-е | 3-е | ||||||
| -35 |
Таблица 3,4. Исследование влияния сопротивления нагрузки на вид проходной характеристики транзисторного элемента `НЕ`.
|
| 
| 
| |||
|
|
|
|
|
|
|
| 33.333 | 29.167 | 23.333 | |||
| 33.333 | 29.167 | 23.333 | |||
| 14.5 | 26.679 | 14.5 | 23.344 | 14.5 | 18.675 |
| 14,469 | 12.66 | 10.128 | |||
| 15.5 | 2.942 | 15.5 | 2.576 | 15.5 | 2.063 |
| 0.1 | 0.1 | 0.1 | |||
| 0.1 | 0.1 | 0.1 | |||
| 0.1 | 0.1 | 0.1 | |||
| 0.1 | 0.1 | 0.1 |
Значение максимального выходного напряжения для схемы транзисторного элемента `НЕ` определяется по следующей формуле:
.
Таким образом, с увеличением сопротивления нагрузки напряжение также увеличивается.
Таблица 3,5. Вариант задания при определении влияния входного сопротивления на вид проходной характеристики транзисторного элемента `НЕ`.
|
|
|
|
|
|
|
| ||
| 1-е | 2-е | 3-е | ||||||
| -35 |
Таблица 3,6. Исследование влияния входного сопротивления на вид проходной характеристики транзисторного элемента `НЕ`.
| 
| 
| |||
|
|
|
|
|
|
|
| 33.333 | 33.333 | 33.333 | |||
| 33.333 | 33.333 | 33.333 | |||
| 14.5 | 26.679 | 30.769 | 33.333 | ||
| 14,469 | 9.5 | 18.376 | 33.333 | ||
| 15.5 | 2.942 | 0.1 | 17.521 | ||
| 0.1 | 0.1 | 22.5 | 6.838 | ||
| 0.1 | 0.1 | 9,451 | |||
| 0.1 | 0.1 | 6,4 | 8,736 | ||
| 0.1 | 0.1 | 6,6 | 7,271 |
Значение порогового напряжения логического `0` приблизительно можно определить по следующей формуле:
.
Таким образом, с увеличением входного сопротивления напряжение также увеличивается и график смещается вправо.
Графики имеют вид:
4. Базовый элемент И-НЕ серии 511
Рис. 4,1. Базовый элемент И-НЕ серии 511.
Снятие проходных характеристик.
Для этого элемента определяется проходная характеристика
Uвых = f (Uвх1) при Uвх2 = const.
Характеристика снимается для 2 значений Uвх2 при изменении Uвх1 от 0 до Uвх1.макс в соответствии с заданным вариантом (табл. 2.11). Обе зависимости целесообразно построить на одном графике.
Исследование влияния параметров схемы на вид проходной характеристики.
Для базового элемента `И-НЕ` серии К-511 исследуется влияние на вид проходной характеристики сопротивления нагрузки (Rн).
Проходная характеристика снимается при 3 значениях Rн (табл.2.12) и все зависимости строятся на одном графике.
Таблица 4,1
Варианты задания при определении проходной характеристики
базового элемента `И-НЕ` серии К511
|
|
|
| |
| 1-е | 2-е | ||
При снятии проходной характеристики транзисторного элемента `И-НЕ`при значении 
и значение 
для любого значения , изменяющегося в пределах 
, т.е. зависимость имеет вид прямой линии параллельной оси абцисс.
Если хотя бы на один из входов подано напряжение наименьшего уровня (`0`), то транзистор VT1 открыт током, протекающим по цепи: +Uп, резистор R1, база-эмиттер VT1, вход с меньшим потенциалом. Так как транзистор VT1 открыт, на базу VT2 подается потенциал, близкий к нулю. Транзисторы VT2, VT3 и VT5 закрыты, а транзистор VT4 и диод VD3 открыты, и на выходе будет сигнал наивысшего уровня (`1`).
Если на все входы поданы сигналы наивысшего уровня (`1`), то многоэмиттерный транзистор переходит в режим инверсного включения, при котором по цепи: +Uп, резистор R1, база-коллектор VT1, база-эмиттер VT2 и далее через транзисторы VT3 и VT5 к нулевому потенциалу протекает ток. Транзисторы VT2, VT3 и VT5 открыты и насыщены, поэтому на выходе будет близкий к нулю сигнал низшего уровня (`0`).
Таблица 4,2
Варианты задания при определении влияния сопротивления нагрузки Rн на вид проходной характеристики базового элемента `И-НЕ` серии К511.
Значение 
|
|
| ||
| 1-е | 2-е | 3-е | ||
Таблица 4,3 Исследование влияния сопротивления нагрузки на вид проходной характеристики транзисторного элемента `И-НЕ`, .
| 
| 
| |||
|
|
|
|
|
|
|
| 14,831 | 14,569 | 10,749 | |||
| 14,733 | 14,472 | 10,678 | |||
| 14,635 | 14,376 | 10,607 | |||
| 14,537 | 14,28 | 10,536 | |||
| 14,439 | 14,183 | 10,465 | |||
| 14,341 | 14,087 | 10,394 | |||
| 14,243 | 13,991 | 10,323 | |||
| 14,145 | 12,786 | 10,252 | |||
| 7,3 | 7,463 | 7,3 | 4,433 | 7,3 | 9,452 |
| 7,6 | 4,502 | 7,6 | 0,801 | 7,6 | 3,433 |
| 7,9 | 0,8 | 7,9 | 0,8 | 7,9 | 0,815 |
| 0,799 | 0,795 | 0,814 | |||
| 0,794 | 0,789 | 0,809 | |||
| 0,788 | 0,784 | 0,803 | |||
| 0,783 | 0,778 | 0,798 | |||
| 0,777 | 0,773 | 0,792 | |||
| 0,771 | 0,767 | 0,786 | |||
| 0,766 | 0,762 | 0,781 | |||
| 0,760 | 0,758 | 0,775 |
Графики имеют вид:
Базовый элемент `И-НЕ` серии К155.
Снятие проходных характеристик.
Для этого элемента определяется проходная характеристика
Uвых = f (Uвх1) при Uвх2 = const.
Характеристика снимается для 2 значений Uвх2 при изменении Uвх1 от 0 до Uвх1.макс в соответствии с заданным вариантом (табл. 2.13). Обе зависимости целесообразно построить на одном графике.
Исследование влияния параметров схемы на вид проходной характеристики.
Для базового элемента `И-НЕ` серии К-155 исследуется влияние на вид проходной характеристики сопротивления нагрузки (Rн).
Проходная характеристика снимается при 3 значениях Rн (табл.2.14) и все зависимости строятся на одном графике.
Таблица 4,4
Варианты задания при определении проходной характеристики
базового элемента `И-НЕ` серии К155
|
|
|
| |
| 1-е | 2-е | ||
При снятии проходной характеристики транзисторного элемента `И-НЕ`при значении и значение 
для любого значения , изменяющегося в пределах , т.е. зависимость имеет вид прямой линии параллельной оси абцисс.
При снятии проходной характеристики транзисторного элемента `И-НЕ`при значении Uвх2=5В
| Uвх1 | Uвх2 | Uвых |
| 3,353 | ||
| 0,5 | 3,287 | |
| 3,220 | ||
| 1,5 | 0,080 | |
| 0,079 | ||
| 2,5 | 0,079 | |
| 0,079 | ||
| 3,5 | 0,078 | |
| 0,078 | ||
| 4,5 | 0,077 | |
| 0,076 |
График зависимости Uвх1 от Uвых
Если хотя бы на один из входов подано напряжение наименьшего уровня (`0`), то транзистор VT1 открыт током, протекающим по цепи: +Uп, резистор R1, база-эмиттер VT1, вход с меньшим потенциалом. Так как транзистор VT1 открыт, на базу VT2 подается потенциал, близкий к нулю. Транзисторы VT2, VT3 и VT5 закрыты, а транзистор VT4 и диод VD3 открыты, и на выходе будет сигнал наивысшего уровня (`1`).
Если на все входы поданы сигналы наивысшего уровня (`1`), то многоэмиттерный транзистор переходит в режим инверсного включения, при котором по цепи: +Uп, резистор R1, база-коллектор VT1, база-эмиттер VT2 и далее через транзисторы VT3 и VT5 к нулевому потенциалу протекает ток. Транзисторы VT2, VT3 и VT5 открыты и насыщены, поэтому на выходе будет близкий к нулю сигнал низшего уровня (`0`).
Таблица 4,5
Варианты задания при определении влияния сопротивления нагрузки Rн на вид проходной характеристики базового элемента `И-НЕ` серии К155.
| 
| 
| |||
|
|
|
|
|
|
|
| 3,353 | 3,242 | 2,992 | |||
| 0,5 | 3,287 | 0,5 | 3,178 | 0,5 | 2,993 |
| 3,22 | 3,113 | 2,874 | |||
| 1,1 | 3,207 | 1,1 | 3,1 | 1,1 | 2,862 |
| 1,2 | 3,194 | 1,2 | 3,087 | 1,2 | 2,85 |
| 1,3 | 2,329 | 1,3 | 2,252 | 1,3 | 2,081 |
| 1,4 | 0,945 | 1,4 | 0,916 | 1,4 | 0,851 |
| 1,5 | 0,08 | 1,5 | 0,08 | 1,5 | 0,082 |
| 0,079 | 0,08 | 0,081 | |||
| 2,5 | 0,079 | 2,5 | 0,079 | 2,5 | 0,08 |
| 0,078 | 0,079 | 0,08 | |||
| 3,5 | 0,078 | 3,5 | 0,078 | 3,5 | 0,079 |
| 0,077 | 0,078 | 0,079 | |||
| 4,5 | 0,077 | 4,5 | 0,077 | 4,5 | 0,078 |
| 0,076 | 0,076 | 0,077 |
Графики имеют вид:
|
|
|
