Электроника2-Лабораторные-2013

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ФБГОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т. Калашникова)

В.А. Стрижак, к.т.н., доцент каф. ПиМКК

Методические указания к лабораторному практикуму

Рекомендовано учебно-методическим советом ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» для использования в учебном процессе в качестве учеб-

но-методических материалов (элемент ЭУМКД) для студентов, обучающихся по направлению 200100.62 «Приборостроение», профиль: «Приборы и мето-

ды контроля качества и диагностики» при изучении дисциплины «Электро-

ника и микропроцессорная техника 2»

Ижевск 2013

2

3

Электроника и микропроцессорная техника. Цифровая техника

Методические указания к лабораторному практикуму

Общие замечания

Электроника прошла значительный путь. Сегодняшнее представление об электронике, как о царстве контроллеров в общем правильное. О некото-

рых достижениях инженерной мысли сегодня вспоминают только энтузиа-

сты. Для понимания и овладения современными средствами электроники не-

обходимо познакомится с техническими решениями прошлых лет, хотя сего-

дня они кажутся явно устаревшими. Тенденции развития электроники (мик-

роэлектроники) формируются под действием двух факторов - миниатюриза-

ция и интеграция. На пути транзистор – транзисторная сборка - логический элемент – счетчик/регистр – микропроцессор необходимо видеть преемст-

венность технических решений. Без изучения алфавита невозможно научить-

ся читать.

Задачи цикла лабораторных работ

Лабораторные работы по курсу «Электроника и микропроцессорная техника 2» посвящены изучению схемотехнических решений предшествую-

щих буму в развитии однокристальных электронно-вычислительных машин

(ОЭВМ). Это позволит сформировать понимание принципов работы цифро-

вых устройств в составе информационно измерительных приборов и ком-

плексов, оценить целесообразность применения цифрового компонента, оп-

ределять оптимальную конфигурацию. Используемые в лабораторных рабо-

тах приемы моделирования цифровых устройств в программных средах при-

вьют навык разработки, расчета эксплуатационных параметров, расчета точ-

ностных свойств цифровых устройств

Порядок выполнения и сдачи лабораторных работ

Цикл лабораторных работ состоит из двух частей; «Цифровая электро-

ника» – 3 лабораторные работы, «Микропроцессоры» – 3 лабораторные рабо-

4

Электроника и микропроцессорная техника. Цифровая техника

Методические указания к лабораторному практикуму

ты. Лабораторные работы 1-ой части выполняются на компьютерах дисплей-

ного класса кафедры «Приборы и метода контроля качества», аудитория 1-

500. При наличии возможности студент может выполнять лабораторные ра-

боты в домашних условиях. Лабораторные работы 2-ой части выполняются на учебно-отладочных устройствах «УАО «Электроника-580» кафедры

«Приборы и метода контроля качества», аудитория 1-504. Консультирование и сдача лабораторных работ производится в аудитории 1-500, 1- 504 по воз-

можности вне зависимости от типа лабораторной работы.

Последовательность выполнения лабораторных работ не имеет значе-

ния. Работы сдаются индивидуально вне перечня уже сданных работ. Сдача лабораторной работы проводится в три этапа:

1-ый этап: Визуальная демонстрация (на компьютере, на учебно-

отладочном устройстве) преподавателю результата выполнения лаборатор-

ной работы. Преподаватель вправе задать уточняющий вопрос или потребо-

вать внести изменения в демонстрируемый материал подтверждающие полу-

ченные умения и навыки.

2-ой этап: Защита письменного отчета по лабораторной работе. Защита производится в устной форме в виде ответов на вопросы преподавателя каса-

тельно информации, помещенной в отчет.

3-ий этап: Ответ на теоретический вопрос.

На каждый этап студенту отводится не более 3-х попыток в 1 учебный день. Неудачная попытка отмечается на титульном листе лабораторной рабо-

ты. Перепечатка титульного листа при сдаче лабораторной работы в другой учебный день не требуется. Повторная сдача лабораторной работы произво-

дится с учетом всех ранее удачно пройденных этапов. Лабораторная работа считается сданной при успешном прохождении всех этапов сдачи лаборатор-

ной работы, получением преподавателем письменного отчета по лаборатор-

ной работе и его электронной версии.

5

Электроника и микропроцессорная техника. Цифровая техника

Методические указания к лабораторному практикуму

1 Цифровая электроника

К цифровой электронике принято относить семейства микросхем вы-

полняющих логические и арифметические операции над бинарными данны-

ми. Цифровые микросхемы представляют собой законченные функциональ-

ные узлы. В отличие от аналоговых микросхем входные и выходные сигналы в цифровых микросхемах всегда определены в некоторых логических уров-

нях (семейство микросхем).

Математический аппарат, описывающий действия дискретных уст-

ройств, базируется на алгебре логики (булева алгебра, Джорж Буль 1815-

1864). Устройства, выполняющие в аппаратуре логические операции, назы-

вают логическими элементами. Работа их оценивается только с точки зрения логики, без учета практического воплощения (технической базы, способа пи-

тания и т.п.).

В общем случае устройства, оперирующие с двоичной (дискретной)

информацией, подразделяются на два больших класса: комбинационные схе-

мы (дискретные автоматы без памяти) и последовательные устройства (дис-

кретные автоматы с памятью). Работу цифровых схем принято рассматривать в дискретном времени, для чего реальное время разбивается на интервалы.

Интервалы нумеруются, начиная с какого-то момента. Каждый такой проме-

жуток времени называют тактовым интервалом или просто тактом. Обновле-

ние информации на выходах происходит в момент начала нового такта.

Лабораторные работы выполняются в программной среде Multisim.

Изучение семейства цифровых микросхем и программной среды моделиро-

вания проводится студентом в рамках самостоятельной работы.

6

Электроника и микропроцессорная техника. Цифровая техника

Методические указания к лабораторному практикуму

1.1 Введение

Цикл лабораторных по курсу состоит из трех независимых работ. Ла-

бораторные работы направлены на получение навыка разработки логическо-

го автомата разными способами (последовательные устройства, импульсные устройства, микросхемы памяти). Задание является единым для трех лабора-

торных работ.

Вид логики (ТТЛ, ТТЛШ, КМОП) используемой при выполнении ла-

бораторной работы необходимо уточнить у преподавателя.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

разработать структурную схему устройства

разработать принципиальную схему;

рассчитать элементы схемы;

выбрать элементы схемы;

1.1.1 Задание к лабораторным работам

Задание является индивидуальным и определяется кодовым словом,

сформированным из фамилии, имени, отчества студента. Кодовое слово ог-

раничено 14 символами или дополнено первыми буквами имени (отчества)

до 14 символов. Кодовое слово преобразуется в массив не повторяющихся цифровых данных, где каждая цифра соответствует номеру буквы в алфави-

те. Цифры группируются по две. Каждая группа описывает временной сигнал характеризуемый началом – первая цифра, длительностью – вторая цифра

(Таблица 1). Все полученные значения считать заданными на временной оси с шагом в 1 мс.

Например: Студент Андрей Андреевич Иванов, кодовое слово «ивано-

вандрейандреевич». Набор полученных сигналов приведен в таблице. На ри-

сунке (Рисунок 1) приведена временная диаграмма сигналов.

7

Электроника и микропроцессорная техника. Цифровая техника

Методические указания к лабораторному практикуму

Таблица 1 Пример задания

1

2

3

4

5

6

7

Рисунок 1 Временная диаграмма задания на лабораторные работы

1.1.2 Порядок выполнения лабораторной работы

1. Разработать принципиальную схему логического автомата в соответ-

ствии с временной диаграммой1.

1 В каждой лабораторной работе приведена блок схема с возможным схемотехническим решением.

Данное решение не является единственным. Поиск и нахождение альтернативного схемотехнического ре-

8

Электроника и микропроцессорная техника. Цифровая техника

Методические указания к лабораторному практикуму

2. Предусмотреть установку логического автомата в исходное состоя-

ние по включению питания и ручной запуск логического автомата на генера-

цию заданной последовательности логических сигналов.

3. Логический автомат должен содержать цепи автоматической оста-

новки после генерации последовательности.

4. При выборе элементной базы учесть нагрузочные способности эле-

ментов разных серий (коэффициент разветвления).

5. Промоделировать работу устройства в программной среде Multisim.

6. Оценить потребляемую мощность устройства.

7. При оформлении принципиальной схемы предусмотреть разъем для подачи питания и разъем для вывода сигналов.

1.1.3 Содержание отчета

1.Задание на лабораторную работу (таблица, временная диаграмма).

2.Принципиальная схема логического автомата в соответствии с

ГОСТ.

3.Перечень элементов.

4. Экран программной среды Multisim с результатами моделирования

логического автомата.

5.Оценка потребляемой мощности устройства в целом.

6.Расчет отклонений установки временных интервалов при отклонении характеристик время задающих элементов в пределах допуска.

шения приветствуется. Критерием полезности найденного решения является потребляемая мощность или

минимизация количества используемых корпусов микросхем.

9

Электроника и микропроцессорная техника. Цифровая техника

Методические указания к лабораторному практикуму

1.2 Лабораторная работа №1. Моделирование последовательного цифрового устройства. Генератор логической последовательности

К последовательным устройствам цифровой техники относятся тригге-

ры, счетчики, регистры.

1.2.1 Задание к лабораторной работе

На базе логических элементов и последовательных устройств цифровой техники построить логический автомат вырабатывающий последователь-

ность импульсов в соответствии с заданием. Принять меры к минимизации схемы.

Выбрать серию цифровых устройств исходя из схемы логического ав-

томата.

1.2.2 Рекомендации по схемотехническому решению

Для решения поставленной задачи можно использовать следующий подход (Рисунок 2). Генератор вырабатывает импульсы с частотой обеспечи-

вающей заданный шаг следования импульсов логического автомата. Счетчик преобразует последовательность импульсов в двоичный код. Дешифратор преобразует двоичный код в позиционный код. Элементы позиционного кода устанавливают или сбрасывают RS триггеры. Для данного схемотехническо-

го решения сигнал остановки логического автомата можно взять с дешифра-

тора.

10