 |
Cтислі теоретичні відомості
|
|
|
|
Лабораторна робота № 9
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ВИКОНУЮТЬ
ЛОГІЧНІ ОПЕРАЦІЇ
.
Мета роботи: ознайомитися з принципом і режимом роботи логічних елементів.
При виконанні роботи визначаються передавальні характеристики логічного елементу при різних опорах навантаження, а також складаються таблиці станів для логічних елементів “І”, “НІ”, ”АБО”, ”АБО-НІ”, ”І-НІ”.
Робота виконується на лабораторному стенді ЕС-21.
Порядок виконання роботи
1. Визначення передавальних характеристик логічних елементів (рис.9.1).
1.1. Встановити на лабораторному стенді змінну пластину № 1 і № 2.
1.2. Перемикачі ”Тригер”, Лічильник” встановити в положення “0”. Перемикач “Логіка” встановити в положення «1».
1.3. З'єднати входи 1 і 2 елементу “І-НІ” між собою і з вихідною клемою панелі Uвх 
. Вихід 1 елементу ”І-НІ” підключити до вольтметра “Uвих”
1.4. Включити стенд за допомогою тумблера “Мережа”.
1.5. Користуючись ручкою на панелі “Uвх”, задати значення вхідної напруги, вказані в табл. 5.1. Вимірювати при цьому значення вхідної напруги по вольтметру “Uвх”, а вихідної -по вольтметру “Uвих”. Результати вимірювань занести в табл. 9.1.
Таблиця 9.1.
| Uвх, В | 0,5 | 1,0 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,8 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | |
| Навантаження, Ом | ||||||||||
| ¥ | ||||||||||
| 470 Ом | ||||||||||
| 220 Ом | ||||||||||
| 47 Ом |
1.6. Виконати експеримент по п. 1.5., підключаючи по черзі вихід елементу “І-НІ ” до клем “1”, ”2” і ”3” панелі навантаження. Результати вимірювань занести в табл. 9.1.
|
|
|
З'єднання з клемою “1” відповідає підключенню навантаження з опором 470 Ом, з клемою “2” - 220 Ом, з клемою “3” - 47 Ом.
1.7. Використовуючи результати експерименту побудувати на одній координатній площині чотири передавальні характеристики елементу “І-НІ”, відповідних різним значенням опору навантаження.
Рис.9.1.
2. Складання таблиць істинності логічних елементів.
2.1. Таблиця істинності для двовходових елементів має форму
табл. 9.2, для одновходового елементу НІ форму табл. 9.3
Таблиця 9.2.
| Uвх | Uвх | Uвых |
Таблиця. 9.3.
| Uвх | Uвых |
2.2. З'єднати вхід 1 елементу “І-НІ ” з клемою правого тумблера панелі “Рівень логічний”: Вхід 2 елементи «І-НІ» з'єднати з клемою лівого тумблера цієї панелі. Вихід елементу «І-НІ» підключити до вольтметра «
».
2.3. Включити стенд і, задаючи за допомогою тумблерів панелі “Рівень логічний” вказані в таблицях істинності комбінації вхідних сигналів, виконати вимірювання вихідних сигналів елементу. Результати вимірювання занести в таблицю істинності (табл.9.2).
2.4. Елементи “АБО-НІ ” і “І-НІ ” досліджуються за допомогою змінної пластини № 1, а елементи “І”, ”АБО”, “НІ” - за допомогою змінної пластини № 2 у відповідності програмою, висловленою в пп.2.2 і 2.3. При зміні пластини лабораторний стенд слід вимкнути, а перед початком роботи з пластиною №2 перевести перемикач “Логіка” в єднання по входу.положення “2”.
Cтислі теоретичні відомості
Логічними елементами називають прості цифрові пристрої, призначені для реалізації функцій алгебри логіки за допомогою електричних сигналів. Найбільш поширені потенційні логічні елементи, в яких існує зв'язок по постійному струму між входами і виходами.
|
|
|
Основною електричною характеристикою логічного елементу є передавальна характеристика – залежність вихідної напруги від напруги на одному з входів. Знімається характеристика в умовах, за яких змінюється напруга на одному з входів логічного елемента, а на решті входів вона підтримується постійною.
Логічні елементи, які досліджуються в цій лабораторній роботі належать до класу комбінаційних. Це означає, що їх вихідні сигнали визначаються тільки сукупністю сигналів, які діють на входах в даний момент часу, та не залежать від сигналів, які діяли на входах раніше.
Найважливішими функціональними параметрами логічних елементів є функція алгебри логіки, яка ними реалізується, а також коефіцієнт розгалуження Кроз по виходу і коефіцієнт об′єднання К об по входу.
Кроз дорівнює числу входів інших елементів, які можна підключити до виходу даного елемента. К об дорівнює числу входів, передбачених схемою логічного елемента. Майже в усіх елементах, які досліджуються в даній лабораторній роботі, К об=2.
В залежності від схемотехнічних рішень використаних для побудови логічних елементів розрізняють
транзисторно-транзисторну логіку (ТТЛ), побудовану на біполярних транзисторах,
емітерно- зв′язану логіку (ЕСЛ),
інтегрально- інжекційну логіку (І2Л),
логіку на однотипних уніполярних транзисторах (п-МОП та р-МОП),
логіку на різнотипних уніполярних транзисторах, так звану комплементарну логіку (КМОП).
Існують інші схемотехнічні рішення логічних елементів, але їх практичне застосування обмежене.
Як відомо, функції алгебри логіки і їх аргументи можуть приймати ь лише два значення - 0 та 1. Тому вхідні і вихідні сигнали логічних елементів повинні приймати тільки два значення. Це досягається конструкцією вихідних каскадів логічних елементів і способами управління ними. Тут розрізняють елементи з позитивною та негативною логіками. В елементах з позитивною логікою значенню сигналу 1 відповідаєбільшезначення напруги, а значенню сигналу 0 менше значення напруги, в елементах з негативною логікою – навпаки.
|
|
|
На мал. 9.2. представлені схеми вихідних каскадів елементу транзисторно - транзисторної логіки (ТТЛ) (мал. 9.2.а) і елементу на МОП - транзисторах.. (рис. 9.2.б).
Транзистори вихідних каскадів працюють в ключовому режимі. Якщо транзистор VT2 відкритий, а VT1 - закритий, то на виході - сигнал низької напруги, який відповідає нульовому стану виходу - "логічний нуль". Якщо VT2 - закритий, а VT1 - відкритий, то на виході висока напруга - "логічна одиниця". Існують логічні елементи, схеми яких можуть набувати стан, при якому закриті і VT1 і VT2. Такий стан носить назву «високий імпеданс виходу».
Схемотехнічним рішенням логічного елементу визначаються діапазони напруг, які закріплюються за одиничним та нульовим значеннями сигналів.В даній лабораторній роботі досліджуються елементи ТТЛ, в яких нульовому значенню сигнала відповідає діапазон напруг 0 – 0,5 В, а одиничному значенню сигнала - діапазон напруг 2,5 – 5 В.
 |  | ||
а) б)
Рис.9.2.
Існують також логічні елементи, вихідний каскад яких складається з транзистора з розімкненим колекторним колом, вони носять назву елементів з відкритим колектором. Ці елементи вимагають підключення зовнішнього навантаження (мал. 9.3).
 |
Рис.9.3.
Логічний зв'язок будь-якої складності можна аналітично виразити,
використовуючи обмежений набір елементарних логічних функцій. Такий
набір називається функціонально повною системою логічних функцій.
У даній роботі досліджуються три функціонально повних системи. В одну з них входять три логічні функції: інверсія, диз'юнкція, кон'юнкція. Друга і третя функціонально повні системи містять тільки одну функцію: штрих Шеффера або стрілку Пірса.
У основі роботи логічних елементів лежать принципи, викладені в булевій алгебрі:
0´0=0 0+0=0 
0´1=0 0+1=1 
1´0=0 1+0=1 
1´1=1 1+1=1 
Аналітично функції, які реалізуються логічними елементами, виражаються так:
- диз'юнкція (логічне додавання) 
, (АБО)
|
|
|
- кон'юнкція (логічне множення) 
, (І)
- інверсія (логічне заперечення) 
, (НІ)
- інверсія диз'юнкції (стрілка Пірса) 
, (АБО-НІ)
- інверсія кон'юнкції (штрих Шеффера) 
, (І-НІ)
- нерівнозначність; додавання по модулю 2 
,
(АБО, яке виключає).
Логіку, закладену в ці функції, можна сформулювати таким чином:
- якщо функція Х набуває значення 1 тоді, коли хоча б один аргументдорівнює 1, це – логічне додавання;
- якщо функція Х набуває значення 1 тільки тоді, коли всі (в даному випадку обидва) аргументи дорівнюють 1, це – логічне множення;
- якщо функція Х дорівнює 1, коли її аргумент дорівнює 0 та навпаки, це – логічне заперечення;
- якщо функція Х набуває значення 0, коли хоча б один аргумент дорівнює 1, це – стрілка Пірса;
якщо функція Х набуває значення 0, тільки коли всі (в даному випадку
- обидва) аргументи дорівнюють 1, це – штрих Шеффера;
- якщо функція Х набуває значення 1, тільки коли обидва аргументи мають різні значення, це – нерівнозначність.
-
Питання для самоперевірки
1. Привести словесний опис досліджуваних в лабораторній роботі логічних функцій.
2. Які діапазони вхідних (вихідних) напруг відповідають одиничному і нульовому сигналам? Чим визначається така відповідність?
3. Приведіть всі найменування логічних функцій не, «І», «АБО», «І-НІ», «АБО-НІ».
4. Що таке «таблиця істинності»?
5. Які літери, що входять в найменування мікросхем, несуть інформацію про логічні функції?
6. Які покажчики умовних графічних позначень використовуються для мікросхем з високим імпедансом і з відкритим колектором?
7. Передавальна характеристика логічного елементу.
|
|
|
