2.0. Виконання лабораторних робіт.

2.1. Лабораторна робота №1 “Дослідження характеристик логічних елементів”

Мета роботи - вивчення основних параметрів і характеристик логічних елементів (ЛЕ), дослідження таблиць істинності логічних функцій та їх реалізації за допомогою логічних елементів.

Прилади та матеріали

До складу лабораторної установки входять: навчальний стенд „LOGIC", однополярний блок живлення, генератор сигналів низької частоти і двоканальний осцилограф.

Короткі теоретичні відомості і методичні вказівки

Параметри цифрових елементів поділяють на експлуатаційні, економічні, технічні. Експлуатаційні параметри відбивають такі якості елементів, як тривалість безвідмовної роботи, зручність встановлення та демонтажу, габарити, маса і т. і. Економічні параметри характеризують вартість елемента, енергоємність, вміст дорогих і рідкісних матеріалів. Економічні та експлуатаційні параметри використовуються для опису вже реалізованих виробів. На початковому етапі проектування розробник орієнтується загалом на технічні параметри серійних або розроблюваних елементів, оскільки саме технічні параметри визначають можливість реалізації проектованого пристрою в обраному елементному базисі.

Рисунок 2.1 Динамічні параметри логічного елемента Інвертора

Множину технічних параметрів поділяють на статичні та динамічні. Статичні параметри характеризують властивості і режими роботи елемента у всіх передбачуваних технічними умовами станах.

Динамічні параметри являють собою обмеження стосовно тривалості перехідних процесів в цифрових елементах і граничні частоти функціонування. Основні динамічні параметри елементів у часовій області показані на рисунку 2.1 на прикладі інвертора.

Параметри що відносяться до вхідного сигналу відзначені нижнім індексом "1", а до вихідного сигналу - нижнім індексом "2".

Основні статичні параметри

Вхідна напруга логічного "0" U⁰_вх, В

Вхідна напруга логічної" 1" U¹_вх, В

Вихідна напруга "0" U⁰_вих, В

Вихідна напруга " 1" U¹_вих, В

Логічний перепад ΔU_л=U^I-U° ΔU_л, В

Порогова напруга логічного елементу (ЛЕ) U_пор, В

Опорна напруга U_оп, В

Струм споживання від джерела від'ємної і додатної напруги I^- ,I⁺, мА

Вхідний струм "0" I⁰_вх, мА

Вхідний струм " 1" I¹_вх, мА

Вихідний струм "0" I⁰_вих, мА

Вихідний струм " 1" I¹_вих, мА

Потужність споживання у стані "0" P⁰_сп, мВт

Потужність споживання у стані" 1" P1_сп, мВт

Середня потужність споживання: P_{сп сер}=0,5х0,5( P⁰_сп + P1_сп) P_{сп сер}, мВт

Вхідний опір ЛЕ при U_вх=U⁰ R^o_вх, кОм

Вхідний опір ЛЕ при U_вх=U¹ R¹_вх, кОм

Вихідний опір ЛЕ при U_вх=U⁰ R^o_вих, кОм

Вихідний опір ЛЕ при U_вх=U¹ R¹_вих, кОм

Коефіцієнт розгалужування на виході ЛЕ К_роз

(максимально припустима кількість підключуваних до виходу аналогічних ЛЕ )

Коефіцієнт об'єднання на вході ЛЕ К_об

(максимально припустима кількість аналогічних входів ЛЕ)

Опір гальванічної розв'язки R_c, МОм

Основні динамічні параметри

Тривалість фронту перемикання сигналу зі стану

"0" у стан "1" t⁰¹_ф

Тривалість фронту перемикання сигналу зі стану

"1" у стан "0" t¹⁰_ф

Тривалість затримки вимкнення ЛЕ вимірювана

від рівня 0,1ΔU_вх, В до рівня 0,9ΔU_вих t⁰¹_зт

Тривалість затримки ввімкнення ЛЕ вимірювана

від рівня 0,9ΔU_вх до рівня 0,1ΔU_вих t¹⁰_зт

Тривалість затримки розповсюдження сигналу

при вимкненні логічного елементу, вимірювана

від рівня 0,5ΔU_вх позитивного перепаду до рівня

0,5ΔU_вих негативного перепаду t⁰¹_{зт р}

Тривалість затримки розповсюдження сигналу

при ввімкненні логічного елементу, вимірювана

від рівня 0,5ΔU_вх позитивного перепаду до рівня

0,5ΔU_вих негативного перепаду t¹⁰_{зт р}

Максимальна робоча частота, на якій

гарантується працездатність елементу f_мах

Гранично припустима ємність навантаження С_н

Гранично припустима індуктивність

навантаження L_н

Окрім названих основних статичних і динамічних параметрів елементів існує велика кількість специфічних параметрів притаманних ЛЕ певного класу.

Опис лабораторного стенду LOGIC

Для проведення лабораторних робіт використовується універсальний лабораторний стенд LOGIC, а також декілька лабораторних стендів, що виготовлені студентами.

У склад стендів входять: окремі функціональні схеми призначені для з'єднання їх у різноманітні цифрові схеми; внутрішні контрольно-вимірювальні пристрої, призначені для генерації тестових сигналів прямокутної форми різної частоти та вимірювання напруги при дослідженні перехідних характеристик логічних елементів; блок живлення та розняття для підключення зовнішніх пристроїв контрольно-вимірювальної апаратури.

Зовнішній вигляд стенду LOGIC наведено на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2. - Зовнішній вигляд лабораторного стенду LOGIC

Як видно з рисунка 2.2. усі функціональні схеми призначені для досліджень розташовані в центральні області пристрою, і займають більшу його частину.

Для кращого зорового сприйняття кожна функціональна схема на передній панелі представлена її принципова схема. В місцях зображення входів та виходів схеми, встановлені відповідні світлодіоди що індикуюгь рівень сигналу (світлодіод, що світиться - високий рівень, світлодіод, що не світиться - низький рівень), а також конструктивні елементи призначені для підведення вхідних та виведення вихідних сигналів.

Усі внутрішні контрольно-вимірювальні пристрої стенду LOGIC розташовано в лівій частина лабораторного стенду.

До їх складу входять:

• два вольтметра;

• кнопки задавання вхідних рівнів;

• кнопка вибору режимів;

• генератор сигналів прямокутної форми;

• подільники частот F/2, F/4, F/8, F/16;

• змінний резистор, що задає частоту генерагора,

• змінний резистор, що задає напругу вхідних логічних елементів.

Блок живлення розташовано в верхній правій частині лабораторного стенду. Розняття типу BNC для підключення зовнішньої контрольно-вимірювальної апаратури розміщено у верхній правій частині пристрою.

Для організації внутрішніх зв'язків між окремими блоками лабораторного стенду використано 12 внутрішніх ліній зв'язку, які конструктивно виконано дванадцятьма друкованими провідниками. За допомогою перемичок будь-яку із ліній можна з'єднати із входом або виходом будь-якої функціональної схеми, внутрішнім контрольно-вимірювальним пристроєм, розняттям. Конструктивне виконання перемичок наступне. Біля кожного входу або виходу розташовано група штирьових контактів розміщених в три ряди. Центральний ряд контактів з'єднаний між собою та входом або виходом відповідного блоку макету. Контакти розміщені в крайніх рядах з'єднані кожний із своєю лінією зв'язку. Нумерація ліній проводиться від першої до шостої та від сьомої до дванадцятої лінії, біля яких розміщені відповідні цифрові позначки. Для підключення входу або виходу до відповідної лінії потрібно, надягнути на один із центральних штирків та штирок із відповідним номером на крайніх рядах, перемичку.

Внутрішній блок живлення лабораторного макету забезпечує напругу живлення +5В.

Вольтметри вимірюють напругу в діапазоні від 0 В до 6 В, з похибкою 0,02 В.

Змінні резистори дозволяють змінювати напругу від 0 В до +6 В.

Таблиця 2.1 Графічне позначення основних функій.

Назва вентиля	Графічні зображення	булева формула
І (Конюнктор)		f=xy = -(x+y)
АБО (Дизюнктор)		f = x + y=- (-(xy))
НІ (Інвертор)		f = -x
І-НІ (Штрих Шеффера)		f = -(xy) = (-x) +(-y)
АБО-НІ (Стрілка Пірса)		f = -(x+y) = -(xy)
Виключне АБО		f = xу = (-x) (-y) = x (-y)(-x) y
Виключне АБО-НІ		f = -(xу) = (-x) y = x y(-(xy))
Повторювач		f = x =- (-(x))

Хід роботи

ПІДГОТОВКА ДО РОБОТИ

Вивчити принцип роботи, параметри, характеристики, схеми включення і можливості застосування інтегральних мікросхем (IMC) JIE. Вивчити таблиці відповідності для логічних функцій.

ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження статичних характеристик логічних елементів

1. За допомогою джемперів підключити входи логічних елементів різних серій до внутрішнього потенціометра лабораторного макету.

2. Підключити вихід першого логічного елементу до внутрішнього вольтметра.

3. Обертанням ротора потенціометра, змінювати вхідну напругу логічного елементу з кроком 0,1 В. Контроль здійснювати за допомогою вольтметра. Записати у таблицю значення вихідної напруги. Побудувати перехідну характеристику логічного елементу, визначити статичні параметри.

4. Визначити при якому рівні напруги проходить перемикання логічних рівнів.

5. Повторити п.п.2-3 для логічних елементів інших серій.

Дослідження динамічних параметрів логічних елементів

1. За допомогою зовнішніх розняттів, подати на вхід першого логічного елементу сигнал прямокутної форми з генератора сигналів низької частоти, а також подати цей сигнал на перший канал осцилографа. Вихід логічного елементу підключити до другого каналу осцилографа.

2. Плавно змінюючи частоту вхідного сигналу, знайти частоту при якій на виході логічного елементу на буде спостерігатись сигналів.

3. На частоті нижчій за знайдену на 10 %, виміряти основні динамічні характеристики логічного елементу. Зарисувати відповідні часові діаграми.

4. Повторити п.п.1-3 для інших логічних елементів.

Дослідження таблиць відповідності логічних елементів

1. Визначити розташування усіх логічних елементів 21-НІ, 2 АБО-НІ та 21, 2АБО.

2. Дослідити та записати у таблиці для кожного логічного елементу таблиці відповідності.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Чим відрізняються між собою статичні і динамічні параметри логічних елементів?

2. Які логічні функції ви знаєте?

3. Що таке таблиця відповідності?

4. Запишіть таблицю відповідності для функції ЗІ-НІ та ЗАБО-НІ.

5. Як ви розумієте поняття функціональної повноти?