Логические элементы цифровых устройств

Министерство образования Московской области

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Московский государственный областной университет

ЭЛЕКТРОНИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Москва 2015

УДК 621.3 Печатается по решению кафедры общей физики.

ББК 32

 

Составитель

Емельянов В.А., кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры общей физики Московского государственного областного университета.

 

Рецензенты

Кузнецов М.М., доктор физ.-мат. наук, профессор МГОУ.

Алиев И.Н. доктор физ.-мат. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана

 

Ответственный редактор

Емельянов В.А., кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры общей физики Московского государственного областного университета.

 

Емельянов В.А., Электроника. Лабораторный практикум. – М.: Изд-во МГОУ, 2015. – 59 c.

 

Данное пособие предназначено для студентов факультета технологии и предпринимательства МГОУ и призвано помочь в освоении курса «Электрорадиотехника и электроника».

Пособие содержит теорию по основным темам второй части дисциплины «Электрорадиотехника и электроника», контрольные вопросы, описания лабораторного практикума, включая указания по выполнению лабораторных работ, задания, таблицы для записи экспериментальных данных, список литературы.

 

УДК 621.3

ББК 32

© В.А. Емельянов, 2015 г.

© МГОУ, издательство, 2015 г.

Содержание

 

1. Логические элементы цифровых устройств. 4

Лабораторная работа №1. Изучение основных логических элементов. 9

2. Триггеры.. 13

Лабораторная работа №2. Изучение триггеров RS, D и Т типов. 19

3. Регистры.. 23

Лабораторная работа №3. Изучение параллельного и последовательного регистров 27

Комбинационные преобразователи кодов. 30

Лабораторная работа №4. Изучение основных комбинационных устройств: дешифратора, демультиплексора, мультиплексора и преобразователя кодов на ПЗУ 34

Счетчики. 38

Лабораторная работа №5. Изучение счетчиков электрических импульсов. 44

6. Арифметические устройства. 52

Лабораторная работа №6.Изучение четырехразрядного параллельного сумматора 56

Техническое описание стенда универсального ОАВТ. 59

Приложение. Теоремы алгебры логики. 60

Литература. 60

 

Логические элементы цифровых устройств

 

Логические элементы - это электронные устройства, предназначенные для обработки информации представленной в виде двоичных кодов, отобpажаемыx напpяжeниeм (сигналом) выcoкого и низкого уpовня. Логические элементы реализyют логические функции И, ИЛИ, НЕ и их комбинации. Указанные логические операции выполняются с помощью электронных схем, входящих в состав микросхем. Из логических элементов И, ИЛИ, НЕ, можно сконстpуировать цифровое электронное устройство любой сложности.

Логические элементы могут выполнять логические функции в режимах положительной и отрицательной логики. В режиме положительной логики логической единице соответствует высокий уровень напряжения, а логическому нулю - низкий уровень напряжения. В режиме отрицательной логики наоборот логической единице соответствует низкий уровень напряжения, а логическому нулю - высокий.

Если в режиме положительной логики логический элемент, реализует операцию И, то в режиме отрицательной логики выполняет операцию ИЛИ, и наоборот. И если в режиме положительной логики - И-НЕ, то в режиме отрицательной логики - ИЛИ-НЕ.

Условное графическое обозначение логического элемента представляет собой прямоугольник, внутри которого ставится изображение указателя функции. Входы изображают линиями с левой стороны прямоугольника, выходы элемента - с правой стороны. При необходимости разрешается располагать входы сверху, а выходы снизу. У логических элементов И, ИЛИ может быть любое начиная с двух количество входов и один выход. У элемента НЕ один вход и один выход. Если вход обозначен окружностью, то это значит, что функция выполняется для сигнала низкого уровня (отрицательная логика). Если окружностью обозначен выход, то элемент производит логическое отрицание (инверсию) результата операции, указанной внутри прямоугольника.

Все цифровые устройства делятся на комбинационные и на последовательностные. В комбинационных устройствах выходные сигналы однозначно определяется входными сигналами, в тот же момент на его входах. Выходные сигналы последовательностного устройства (цифрового автомата) в данный момент времени определяются не только логическими переменными на его входах, но еще зависят и от предыдущего состояния этого устройства. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации являются комбинационными устройствами. К последовательностным устройствам относятся триггеры, регистры, счетчики.

Логический элемент И(рис. 1) выполняет операцию логического умножения (конъюнкцию). Такую операцию обозначают символом /\ или значком умножения (·). Если все входные переменные равны 1, то и функция Y=X1·X2 принимает значение логической 1. Если хотя бы одна переменная равна 0, то и выходная функция будет равна 0.

 

		Таблица 1
Y=X1·X2	X1	X2	Y
Рис. 1

 

Наиболее наглядно логическая функция характеризуется таблицей, называемой таблицей истинности (Табл. 1). Талица истинности содержит всевозможные комбинации входных переменных Х и соответствующие им значения функции Y. Количество комбинаций составляет 2ⁿ, где n – число аргументов.

Логичеcкий элeмент ИЛИ(рис. 2) выполняет операцию логического сложения (дизъюнкцию). Обозначают эту операцию символом \/ или знаком сложения (+). Функция Y=X1\/X2 принимает значение логической 1, если хотя бы одна переменная равна 1. (Табл. 2).

 

		Таблица 2
Y=X1\/X2	X1	X2	Y
Рис. 2

Логический элемент НЕ (инвертор)выполняет операцию логического отрицания (инверсию). При логическом отрицании функция Y принимает значение противоположное входной переменной Х (Табл. 3). Эту операцию обозначают .

 

		Таблица 3
Y=	X1	Y
Рис. 3

Кроме указанных выше логических элементов, на практике широко используются элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ.

Логический элемент И-НЕ(рис.4)выполняет операцию логического умножения над входными переменными, а затем инвертирует полученный результат и выдаёт его на выход.

		Таблица 4
	X1	X2	Y
Рис. 4

Логический элемент ИЛИ-НЕ(рис.5)выполняет операцию логического сложения над входными переменными, а затем инвертирует полученный результат и выдаёт его на выход.

		Таблица 5
	X1	X2	Y
Рис. 5

Логический элемент Исключающее ИЛИпредставлен на рис. 6. Логическая функция Исключающее ИЛИ (функция «неравнозначность» или сумма по модулю два) записывается в виде и принимает значение 1 при X1≠X2, и значение 0 при X1=X2=0 или X1=X2=1 (Табл. 6).

		Таблица 6
Y=X1 X2	X1	X2	Y
Рис. 6

Любой из выше перечисленных элементов можно заменить устройством, собранным только из базовых двухвходовых элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ. Например: операция НЕ (рис. 7, а) при X1 = X2 = X; операция И (рис. 7, б) .

 

Рис. 7

 

Интегральные логические элементы выпускаются в стандартных корпусах с 14 или 16 выводами. Один вывод используется для подключения источника питания, еще один является общим для источников сигналов и питания. Оставшиеся 12 (14) выводов используют как входы и выходы логических элементов. В одном корпусе может находится несколько самостоятельных логических элементов. На рисунке 8 показаны условные графические обозначения и цоколевка (нумерация выводов) некоторых микросхем.

К155ЛЕ1 К155ЛА3 К155ЛП5

Рис. 8

 

 

Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). На рисунке 9показана схема логического элемента И-НЕ ТТЛ с простым однотранзисторным ключом.

 

Рис. 9

 

Простейший логический элемент ТTЛ строится на базе многоэмиттерного транзистор VT1. Принцип действия такого транзистора тот же, что и у обычного биполярного транзистора. Oтличие заключается в том, что инжекция носителей заряда в базу осуществляется через несколько самостoятельных эмиттерных р-n-переходов. При поступлении на входы логической единицы U¹_вх, запираются все эмиттерные переxоды VT1. Ток, текущий через резистор R_б, замкнется через открытые р-n-переходы: коллектoрный VT1 и эмиттерный VT2. Этoт ток откpоет транзиcтор VT2, и напряжение на его выходе станет близким к нулю, т. е. Y=U⁰_вых. Если хотя бы на один вход (или на все входы) VT1 будет подан сигнал логического нуля U⁰_вх, то ток, текyщий по R_б, замкнeтся через откpытый эмиттерный переход VT1. Пpи этoм входной ток VT2будет близoк к нулю, и выходной транзистоp окажется запеpтым, т. е. Y=U¹_вых. Таким образом, рассмотренная схема осуществляет логическую операцию И-НЕ.

 

Контрольные вопросы.

1. Что называется логическим элементом?

2. Чем различаются положительная и отрицательная логики?

3. Что называется таблицей истинности?

4. Каким символом обозначают логическое умножение?

5. Как на схемах изображают логический элемент И?

6. При каких входных переменных на выходе логического элемента И формируется логическая 1?

7. Каким символом обозначают логическое сложение?

8. Как на схемах изображают логический элемент ИЛИ?

9. При каких входных переменных на выходе логического элемента ИЛИ формируется логическая 1?

10. Как на схемах изображают логический элемент НЕ?

11. Как на схемах изображают логический элемент И-НЕ?

12. При каких входных переменных на выходе логического элемента И-НЕ формируется логическая 1?

13. Как на схемах изображают логический элемент ИЛИ-НЕ?

14. При каких входных переменных на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ формируется логическая 1?

15. Как на схемах изображают логический элемент Исключающее ИЛИ?

16. При каких входных переменных на выходе логического элемента Исключающее ИЛИ формируется логическая 1?

17. Как из элемента ИЛИ-НЕ получить элемент НЕ?

18. Как из элемента И-НЕ получить элемент НЕ?

19. Опишите принцип действия базового элемента ТТЛ.