Сборник лабораторных работ по схемотехнике

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО СХЕМОТЕХНИКЕ

Под редакцией Куцоконя Н. С. Технические редакторы: Долгов А. А. Миронов С. В.

УЛЬЯНОВСК 2000

ОГЛАВЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Изучение лабораторного стенда и статических характеристик логических элементов

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. Исследование работы регистров

12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. Исследование работы триггеров

16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. Исследование работы счетчиков

27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. Исследование комбинационных устройств

342

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. Исследование сумматоров

38

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7. Исследование операционных усилителей

472

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. Исследование суммирующего ОУ.

477

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Изучение лабораторного стенда и статических характеристик логических элементов Цель работы: ! Ознакомиться с назначением и принципом действия лабораторного стенда. ! Ознакомиться с методами измерения статических и динамических

характеристик логических элементов и исследовать их. !

Содержание работы: Исследование статических и динамических характеристик логических элементов. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА Лабораторная установка УМ-1 предназначена для изучения элементов потенциальной системы ТТЛ, реализации узлов простых устройств на элементах этой системы и изучения их работы. Лабораторная установка представляет собой небольшой стенд габаритами 570*312*146 мм. Питание установки осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц. В установке имеется блок питания, вырабатывающий стабилизированное постоянное напряжение +5±5%. Установки выполнены на микросхемах серии 155. Уровни логической “1” не менее +2,4 В “0” – не более ±0,4 В. В установке содержится следующий набор элементов потенциальной системы: 1. Логические элементы типа И-НЕ: - 2И – НЕ – 8 шт. - 3И – НЕ – 6 шт. - 4И – НЕ – 6 шт. (из них 2 шт. с повышенной нагрузочной способностью); - 8И – НЕ – 1 шт. 2. Логические элементы типа И – ИЛИ – НЕ : - 2 – 2И – 2ИЛИ – НЕ – 4 шт. (из них 2 шт. с возможностью расширения входной логики); - 2 – 2 – 2 – 3И – 4ИЛИ – НЕ – 2 шт. 3. Функциональный расширитель “И” для расширения по “ИЛИ” – 4 шт. 4. Триггерные элементы: - триггер типа JK – 4 шт. - триггер типа D – 8 шт. Входные и выходные контакты элементов выведены на лицевую панель. Сборка схемы осуществляется с помощью коммутационных проводов. Для исследования элементов и узлов на установке имеются: 1. Генератор синхроимпульсов. Генератор вырабатывает парафазную серию сигналов с частотой 1 МГц и две парафазные сери импульсов (СИ1, СИ2) с частотой 500 кГц: - СИ1 – основная серия, - СИ2 – серия, задержанная относительно основной на полловину периода.

3

2. Генератор одиночных импульсов (ГОИ) – синхронизируемый. При каждом нажатии кнопки ″ПУСК″ генератор вырабатывает один импульс отрицательной полярности и один импульс положительной полярности. Импульсы синхронизации подаются на гнездо ″СИНХР″ коммутационным проводом. 3. Элемент задержки обеспечивает задержку полаваеамого на его вход сигнала дискретно от 0,1 до 1,0 мкс с интервалом 0,1 мкс, в зависимости от положения переключателя на панели установки. Полярность импульса на выходе элемента задержки совпадает с полярностью входного импульса. 4. Тумблерный регистр (8-ми разрядный) предназначен для задания парафазным кодом логических уровней ″1″ и ″0″. Распределение потенциала на входных гнездах следующее: - тумблер включен вверх – на верхнем гнезде пары напряжение +5В (через сопротивление 1 кОм), на нижнем гнезде – 0В; - тумблер включен вниз – на верхнем гнезде пары – напряжение 0В, на нижнем +5В; 5. Лампочки индикации – 8 шт., которые могут подключаться к выходам любых элементов с помощью коммутационных проводов. Между каждым гнездом индикации у самой лампочки индикации включен специальный усилительный элемент. На лицевой панели установки эти усилительные элементы не показаны. Для удобства сборки и наладки схем на лицевой панели установки имеются: - гнезда ″корпус″ (обозначены ⊥); - гнезда ″+5В″; - гнезда для подключения осциллографа . Включение установки осуществляется с помощью тумблера ″Сеть″. При включении загорается лампочка индикации включения.

4

5

6

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ НА СТЕНДЕ 1. Подготовить принципиальную схему устройства так, чтобы из числа имеющих на стенде элементов выбрать те из них, которые обеспечивают минимум оборудования и минимум разъёмных соединений. 2. Включить тумблер питания, убедиться в наличии питающего напряжения и отключить его. 3. Выбрав проводники с минимальными, но приемлемыми, длинами, произвести коммутацию схемы. 4. Включить стенд с разрешения преподавателя. 5. Проверить работу схемы в статическом режиме с применением тумблерных набирателей и светодиодных индикаторов. 6. При проведении исследования работы схемы в динамическом режиме подключить осциллограф к схеме, при необходимости засинхронизировав его работу от внешнего генератора. 7. Провести измерения временных параметров схемы с помощью осциллографа и зарисовать (при необходимости) временные диаграммы. 8. Отключить питающее напряжение. 9. Разобрать схему. 10.Данные исследования занести в отчёт.

7

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Изучить описание лабораторной работы. 2. Исследовать схемы и элементы лабораторной установки: • проверить работу генератора импульсов, для этого с помощью осциллографа измерить амплитуду, длительность и частоту следования импульсов на трёх выходах генератора Результат занести в таблицу. • проверить работу набирателя, для этого необходимо вольтметром замерить напряжение на гнёздах набирателя при различном положении тумблера и кнопки. 3. Оформить отчёт с результатом измерений. 4. Ответить на контрольные вопросы.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ К выполнению работ в лаборатории допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности и расписавшиеся в соответствующем журнале. При выполнении работ студентам необходимо выполнять следующие правила : работать только на указанном преподавателем рабочем месте; выполнять только ту работу и её объём, которые определены заданием и преподавателем; быть внимательным и не отвлекать от работы других студентов и сотрудников; при возникновении неисправностей лабораторного оборудования немедленно выключить питание лабораторного стенда и доложить о случившимся лаборанту или преподавателю; КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ УСТРАНЯТЬ НЕИСПРАВНОСТИ САМОМТОЯТЕЛЬНО ! не загромождать рабочее место портфелями и другими вещами, не относящимися к выполнению работы; после выполнения работы выключить питание лабораторного оборудования и сдать рабочее место лаборанту; ЗАПРЕЩАЕТСЯ : включать лабораторное оборудование без разрешения преподавателя или лаборанта; оставлять без наблюдения включенное оборудование; самостоятельно снимать ограждающие кожухи и устранять неисправности; При несчастном случае необходимо : • снять напряжение с пострадавшего и сообщить о случившимся преподователю; • оказать первую помощь пострадавшему; • вызвать по телефону 03 скорую помощь; За нарушения правил техники дисциплинарную ответственность.

безопасности

виновные

лица

несут

8

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СХЕМ Исследование элементов узлов в статическом режиме производится с помощью лампочек индикации или вольтметра. В качестве входных сигналов в этом режиме используются сигналы, задаваемые с помощью тумблерного регистра и сигналы генератора одиночных импульсов. Результаты исследований оформляются в виде таблицы, в которой указываются входные и выходные сигналы. В динамическом режиме определяются такие параметры логических элементов, как время задержки распространения сигнала и длительность фронта выходного сигнала. Задержка распространения сигнала измеряется при переходе выходного сигнала от низкого уровня к высокому (положительный фронт или фронт) и при перехода от высокого уровня к низкому (отрицательный фронт или срез). Задержка распространения ( tздр , далее обозначается просто t ) определяется как интервал времени между фронтом входного и выходного сигнала, измеренного по уровню 0.5. Длительность фронтов измеряется по уровням 0.1 и 0.9. В паспортных данных логических элементов указываются предельные значения времен задержки и длительности фронтов, т.е. для любого элемента данного типа его динамические параметры не будут превышать указанных при любых допустимых изменениях фронтов входных сигналов и нагрузок. Вместе с тем существенное влияние на время задержки реального логического имеют его «висящие входы», которые рекомендуется подключать к источнику входного сигнала или к постоянному уровню напряжения. Исследования элементов и узлов в динамическом режиме производится с помощью осциллографа. В качестве входных сигналов в этом режиме используются сигналы генератора синхроимпульсов, а также сигналы, задаваемые с помощью тумблеров и генератора одиночных импульсов. При этом необходимо обратить внимание на синхронизацию осциллографа. Синхронизация должна быть «внешней». В качестве сигналов синхронизации осциллографа рекомендуется использовать сигналы, действующие один раз за период работы схемы. На осциллографах должны быть указаны масштаб по времени и напряжению. Перед проведением испытаний целесообразно убедиться в исправности используемых элементов и проводов.

МЕТОДИКА НАЛАДКИ, ПОИСКА И УСТРАНЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ Для большинства лабораторных работ характерна работа студентов по синтезу и сборке изучаемого и сборке изучаемого и исследуемой схемы узла. Естественно, что такой процесс сопровождается ошибками. Это приводит к необходимости наладки схемы, где требуется найти ошибки и исключить их влияние на правильную работу схемы. Рекомендуется пользоваться следующей методикой наладки, поиска и устранения неисправностей. Наладка схемы связана с поиском неисправностей и их устранением. Этот этап довольно трудоемок, поскольку причины неисправностей разнообразны. Если обеспечены нагрузочные способности элементов, то можно выделить следующие причины неправильной работы цифровой схемы:

9

-

допущены ошибки при коммутации схемы; в схеме имеются отказавшие (неисправные) элементы; отсутствуют контакты в соединениях; допущена ошибка на этапе синтеза (проектирования) логической структуры исследуемой схемы. Наладку схемы целесообразно проводить в статическом режиме. Последовательность исследования схемы в статическом режиме дложна быть следующей. На вход исследуемой схемы подключить ГОИ. Схему с помощью тумблерного регистра устанавливают в начальное состояние. Затем нажатием кнопки ГОИ подают одиночные импульсы на вход схемы, тем самым реализуют переход схемы из одного устойчивого состояния в следующее. Правильность перехода схемы из одного устойчивого состояния в другое проверяют по лампочкам индикации состояния триггеров схемы.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Для логических элементов получить таблицы истинности, списывающие их выходы для различных наборов входных сигналов, определить время задержки распространения сигнала или длительность фронта выходного сигнала (в зависимости от варианта). № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Элемент 2И – НЕ 2–2–2–3И-4ИЛИ-НЕ 4И – НЕ 2-2И-2ИЛИ-НЕ 3И – НЕ JK – триггер 8И – НЕ D – триггер 2–2–2–3И-4ИЛИ-НЕ 2И – НЕ 4И – НЕ 2–2–2–3И-4ИЛИ-НЕ 8И – НЕ D – триггер 2-2И-2ИЛИ-НЕ 3И – НЕ 4И – НЕ 8И – НЕ JK – триггер D – триггер 2-2И-2ИЛИ-НЕ 3И – НЕ JK – триггер 2И – НЕ

Определяемые параметры Время задержки Таблица истинности Длительность фронта Таблица истинности Время задержки Таблица истинности Длительность фронта Таблица истинности Время задержки Таблица истинности Время задержки Длительность фронта Таблица истинности Длительность фронта Время задержки Длительность фронта Таблица истинности Время задержки Время задержки Время задержки Длительность фронта Таблица истинности Длительность фронта Длительность фронта

10

Отчет по работе включает в себя: - условные графические обозначения элементов; - параметры исследованных элементов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. 1. Каково назначение всех органов управления, индикации и контроля на пульте? 2. Как проводится испытание схем в статическом режиме? Какие сигналы подавать на вход и как контролировать выходные сигналы? 3. Как производится испытание схем в динамическом режиме? Какие сигналы подавать на вход, как контролировать входные сигналы? 4. Как определить неисправность схемы? 5. Как определить неисправность коммутационных проводов? 6. Какие сигналы могут быть использованы при синхронизации осциллографа? Какой должна быть его полоса пропускания? 7. Каковы фронт и срез сигналов? Каковы задержки элементов? 8. Что такое парафазный сигнал? 9. Объясните принцип работы базового элемента ТТЛ и ТТЛШ? 10.Каково назначение транзисторов и диода в схеме элемента? 11.Можно ли соединить выходы двух элементов ТТЛ?

11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Исследование работы регистров

Цель работы: • •

Ознакомится с назначением и принципом действия регистров. Ознакомиться с практической схемой сдвигового регистра и исследовать его.

Содержание работы : Исследование реверсивного регистра в статическом и динамическом режимах. Краткие теоретические сведения. Регистр - это узел вычислительной машины, который служит для хранения чисел и команд, регистры могут быть одноразрядными и много разрядными. По функциональному значению регистры делятся на регистры памяти или статические и регистры сдвига или динамические. Регистры памяти осуществляют приём и хранение чисел только в параллельном коде и представляют собой набор триггеров, в ряде случаев имеющие общие схемы синхронизации. Количество триггеров определяет разрядность регистра памяти. В зависимости от входов, реализованных в используемых триггерах, регистр осуществляет выдачу хранимого кода в памяти, инверсном или парафозном коде. Для построения регистров используются RS-тригеры, D-триггеры и JKтриггеры. Сдвиговые регистры осуществляют не только хранение, но и как следует из названия, сдвиг хранящихся в них данных. Они используют для преобразования последовательного кода числа в параллельный и ,наоборот, для сдвигов кодов чисел на определённое количество разрядов вправо или в лево, что бывает необходимо при нормализации чисел. Для реализации этих функций в сдвиговых регистрах информационные входы триггеров связаны с соответствующими выходами других триггеров, входящих в регистр. Регистр работает следующим образом: с приходом положительного импульса синхронизации (или тактового импульса) первый триггер перейдёт в нулевое состояние, так как на вход D до прихода импульса синхронизации поступал нулевой сигнал. Во второй триггер будет записываться состояние первого и так далее, в каждый следующий триггер будет записываться состояние предыдущего. Следовательно, число в регистре будет сдвинуто на бит числа. Под действием каждого последующего импульса синхронизации на выходе регистра (выход последнего триггера) получаем поочерёдно каждый разряд записанного числа, начиная с младшего, т.е. в последовательном коде. Поэтому сдвиговые регистры иногда называются последовательными. Регистры, в которых сдвиг информации может быть осуществлён как вправо, так и влево называются реверсивными и направление сдвига числа зависит от управляющего сигнала. Для реализации реверсивных регистров обычно используют два сигнала направления и на вход триггеров регистра помещается логический элемент 2И-ИЛИ-НЕ.

12

DS

Q0

Сдвиг по C1

D TT0 DS C

C1 D T C

D T C

D T C

D T C

Сдвиг

Q1 D TT1 C

Q2 D TT2 C DS RG Q0 Q1 C Q2 Q3

Q3 D TT3 C

Рис. 1