Материал: Цифровые элементы и узлы. лабораторный практикум. Тюрин С.В

С.В. Тюрин

ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ:

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Воронеж 2009

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

С.В. Тюрин

ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ:

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2009

УДК 681.3.06(075)

Тюрин С.В. Цифровые элементы и узлы: лабораторный практикум: учеб. пособие / С.В. Тюрин. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. 101 с.

Учебное пособие содержит задания и краткие теоретические материалы для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Схемотехника ЭВМ», обеспечивающих получение практических навыков по разработке, реализации и отладке достаточно простых узлов цифровой вычислительной техники.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника», специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», дисциплине «Схемотехника ЭВМ». Пособие предназначено для студентов всех форм обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2000 и содержится в файле Схемот_ЛР.doc.

Табл. 3. Ил. 105. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. С.Л. Подвальный

Рецензенты: кафедра информационных и управляющих систем Воронежской государственной технологической академии (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.Ф. Лебедев);

д-р техн. наук, проф. А.С. Литвиненко

 Тюрин С.В., 2009

 Оформление. ГОУВПО “Воронежский государственный технический

у ниверситет”, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Схемотехника ЭВМ – это научно-техническая дисциплина, которая изучает теоретические методы анализа и синтеза схем электронных вычислительных машин и способы их технической реализации. Развитие схемотехники ЭВМ является основой усовершенствования архитектуры вычислительных машин, повышения их производительности и надежности функционирования, существенного уменьшения весогабаритных и экономических показателей.

Все разнообразные средства цифровой техники: ЭВМ, микропроцессорные системы измерений и автоматизации технологических процессов, цифровая связь и телевидение и т.п. строятся на элементной базе, в состав которой входят чрезвычайно разные по сложности микросхемы – от логических элементов, выполняющих простейшие логические операции, до сложнейших программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), содержащих миллионы логических элементов.

1. Лабораторная работа №1

ТЕМА: Состав, назначение, принцип действия лабораторной установки «СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ» и её составных частей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: подготовка к практическому использованию лабораторной установки «СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ» и осциллографа С1-67 для измерения им амплитудно-временных параметров дискретных сигналов.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ: изучить структуру лабораторной установки, принцип её построения и назначение составных частей, правила подготовки к работе лабораторной установки и её составных частей.

Подготовить осциллограф С1-67 к измерению амплитудно-временных параметров дискретных сигналов (то есть произвести калибровку осциллографа); включить лабораторный стенд; измерить осциллографом амплитудно-временные параметры периодических сигналов ТИ1 и ТИ2, формируемые лабораторным стендом. Измерению подлежат следующие амплитудно-временные параметры:

– периоды следования (Т_ТИ1 , Т_ТИ2) сигналов ТИ1 и ТИ2;

длительности t¹ _ТИ1 , t¹ _ТИ2 и t⁰ _ТИ1 , t⁰ _ТИ2 , соответствующие положительным и отрицательным значениям сигналов ТИ1 и ТИ2 (то есть положительным и отрицательным импульсам);

длительности фронта (t^ф _ТИ1 , t^ф _ТИ2) и среза (t^с _ТИ1 , t^с _ТИ2) сигналов ТИ1 и ТИ2;

– амплитуда положительных (U¹ _ТИ1 , U¹ _ТИ2) и отрицательных (U⁰ _ТИ1 , U⁰ _ТИ2) импульсов периодических сигналов ТИ1 и ТИ2.

Расчетным путём определить скважность (Q) и коэффициент заполнения (К_З) периодических сигналов ТИ1 и ТИ2:

Q = Т/ t¹ ; К_З = 1/ Q = t¹ /Т.

Последовательности прямоугольных импульсных сигналов, для которых Q = 2, называют меандром.

1.1. Краткие теоретические сведения

1.1.1. Состав лабораторной установки «СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ» и назначение её составных частей

Состав лабораторной установки «СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ» представлен на рис.1.1.

Рис.1.1. Состав лабораторной установки

«СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ»

Лабораторный стенд (далее ЛС) и осциллограф питаются от сети переменного тока (220В, 50 Гц). К лабораторному стенду подводится только стабилизированное постоянное напряжение 5В от стабилизатора, который имеет собственное конструктивное исполнение и непосредственно подключается к розетке сети переменного тока.

На лицевой панели ЛС расположены органы индикации, органы управления, розетки для подключения различных цифровых микросхем, а также гнезда для электрической коммутации входов/выходов цифровых узлов и элементов, содержащихся в лабораторном стенде и конструктивно расположенных внутри ЛС. На лицевой панели ЛС изображены условные графические обозначения доступных для коммутации цифровых элементов: 4И-НЕ, НЕ, синхронных двухтактных D-триггеров. На гнезда лицевой панели выведены также формируемые в ЛС периодические последовательности разнесенных во времени и в пространстве управляющих сигналов, совокупность которых позволяет формировать весьма разнообразные временные диаграммы из 5…10 дискретных сигналов в интервале из 256 тактов работы опорного генератора, формирующего периодическую последовательность сигналов ТИ1 с частотой около одного мегагерца.

Коммутация элементов стенда осуществляется с помощью соединительных проводников, которые размещаются в специальном открывающемся отсеке лабораторного стенда. Один конец соединительного проводника оканчивается штырем, а второй – штырем с прикрепленным к нему гнездом. Такая конструкция соединительных проводников позволяет уменьшить габариты лабораторного стенда, а также свести до минимума потребное разнообразие соединительных проводников. При выбранной конструкции соединительных проводников электрическая цепь любой длины всегда может быть реализована как последовательная цепь, соединяющая некоторую совокупность входов/выходов.

Задачей дисциплины «Схемотехника ЭВМ» является получение знаний о принципах работы, расчета параметров и схемотехнического проектирования элементов, узлов и устройств ЭВМ, особенностей их применения.

В результате изучения курса студент должен:

– знать схемы элементов, узлов и устройств современных вычислительных машин, систем и сетей;

– уметь выбирать тип элементов и узлов для проектирования различных устройств вычислительных машин, систем и сетей на основе анализа параметров и характеристик элементов, узлов и технических условий на проектируемые схемы, уметь анализировать и синтезировать схемы различной сложности;

– иметь навыки измерения параметров, поиска неисправностей, испытания устройств ЭВМ и средств сопряжения.

Данное учебное пособие содержит задания и краткие теоретические материалы для выполнения восьми лабораторных работ по дисциплине «Схемотехника ЭВМ», обеспечивающих получение практических навыков по разработке, реализации и отладке достаточно простых узлов цифровой вычислительной техники.

Лабораторные работы выполняются с использованием натурных и имитационных экспериментов. Натурные эксперименты проводятся на лабораторной установке «Схемотехника ЭВМ», а имитационные эксперименты – в среде схемотехнического моделирования Electronics Workbench 5.Х (FireWall- один из вариантов бесплатного программного обеспечения).

Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных при изучении дисциплин: «Физика», «Теория автоматов», «Электротехника и электроника».

Знания, полученные в результате изучения дисциплины «Схемотехника ЭВМ», используются при курсовом и дипломном проектировании, а также при изучении дисциплин: «Периферийные устройства ЭВМ», «Микропроцессорные средства и системы», «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ».

Лабораторный стенд может быть использован как в статическом так и в динамическом режимах работы.

В статическом режиме для формирования логических переменных используются 4-х разрядный тумблерный регистр и кнопочный переключатель. В случае необходимости могут также использоваться постоянные потенциалы « » и «+5». Значения логических функций в статическом режиме определяется с помощью светодиодов, вход которых подключается к выходу исследуемого логического преобразователя.

В динамическом режиме работы в качестве логических переменные могут использоваться сигналы, формируемые двоичным 8-ми разрядным счетчиком (D₀ … D₇), тумблерным регистром, или сигналы Иi, Тj, Пs, Цr, циклически формируемые лабораторным стендом. Значения логических переменных и логических функций, а также их временные значения и соотношения определяются с помощью осциллографа. Таким образом, осциллограф позволяет визуально представить процесс функционирования исследуемого цифрового узла в виде временной диаграммы, отыскать неисправности в работе элементов узла, а также неисправности, обусловленные ошибками при сборке исследуемого узла или допущенными при теоретической разработке временной диаграммы управляющих и выходных сигналов.

Кроме изображенных на лицевой панели цифровых элементов, можно автономно исследовать (и включать в исследуемый узел) одну интегральную микросхему с прямоугольными выводами. Количество выводов у микросхем может быть 14, 16 или 20. Микросхема устанавливается в соответствующую розетку, а её коммутация осуществляется с помощью гнёзд 1…20.

1.1.2. Устройство и принцип работы осциллографа С1-67

Электронные осциллографы являются универсальными измерительными приборами, которые применяются для измерения многих электрических величин: амплитуд токов и напряжений, частот, фазовых сдвигов, длительностей импульсов, действующих значений напряжений, полных сопротивлений и других электрических и неэлектрических величин. Кроме того, они позволяют визуально наблюдать и исследовать различные изменяющиеся во времени электрические процессы, а при использовании некоторых приставок или вспомогательных устройств на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа можно воcпроизводить и наблюдать амплитудные, частотные, фазовые, переходные и другие характеристики сигналов исследуемой аппаратуры, а также вольтамперные характеристики электронных приборов.

Электронные осциллографы, обладая малой инерционностью, позволяют исследовать изменяющиеся процессы в широком диапазоне частот: от постоянного тока до тысяч мегагерц. По реализации они представляют собой сложные электронные устройства, которые позволяют оценивать исследуемые явления и процессы не только качественно, но и количественно, причем со сравнительно высокой точностью.

При выполнении лабораторных работ будет использоваться полупроводниковый осциллограф С1-67 [1], который позволяет наблюдать и исследовать электрические процессы в диапазоне частот от постоянного тока до 10 МГц. По точности воспроизведения формы сигнала и некоторых измерений он относится к третьему классу и позволяет наблюдать форму импульсных сигналов обеих полярностей с длительностью от 0,1 мкс до 0,2 с и с размахом от 5 мВ до 300 В, а периодические сигналы в диапазоне частот от 5Гц до 10 МГц. Им можно измерять амплитуды исследуемых сигналов от 28 мВ до 140 В, а временные интервалы от 0,4 мкс до 0,2 с.

Рабочая часть экрана осциллографа составляет по вертикали не менее 42 мм (7 делений) и по горизонтали не менее 60 мм (10 делений). Погрешность измерений, которые осуществляются с помощью осциллографа С1-67, не превышает 10%.

Структурная схема осциллографа С1-67 изображена на рис.1.2. Передняя панель осциллографа С1-67 изображена на рис. 1.3.

Все основные органы управления осциллографа расположены на лицевой передней панели:

”СЕТЬ”- для включения и выключения прибора;

”ЯРКОСТЬ”- для установки необходимой яркости луча;

”ФОКУС”- для фокусировки луча;

”ШКАЛА”- для регулировки освещения шкалы;

” ” с надписью ”ГРУБО”, ”ПЛАВНО”- для перемещения лучей ЭЛТ по горизонтали;

”УСИЛЕНИЕ”- для плавной регулировки чувствительности усилителя;

” ”- для перемещения лучей ЭЛТ по вертикали;

”БАЛАНСИР”- для балансировки усилителя;

”ВОЛЬТ/ДЕЛ. ”- для переключения входного аттенюатора;

” 1М40рF”- для подачи исследуемых сигналов;

Ш

*

ЭЛЕМЕНТЫ РАЗВЕРТКИ:

”х1”,”х0,2”- тумблер для умножения длительности развертки;

”ВРЕМЯ/ДЕЛ.”- для переключения длительности развертки;

”ДЛИТЕЛЬНОСТЬ”- для плавной регулировки длительности;

”СТАБ.”- для выбора режима работы генератора развертки;

” ”- выход пилообразного напряжения генератора горизонтальной развертки осциллографа.

Рис.1.2. Структурная схема осциллографа С1-67

ЭЛЕМЕНТЫ СИНХРОНИЗАЦИИ:

”ВНУТР. - ВНЕШН.” - для выбора источника (внутренний или внешний) синхронизации, запускающего генератор горизонтальной развертки ;

”~”, ”~” - для установки открытого или закрытого входа синхронизации соответственно;

” +”, ”-” - для выбора полярности сигнала синхронизации; ” УРОВЕНЬ”- для выбора уровня напряжения сигнала запуска горизонтальной развертки.

Рис.1.3. Передняя панель осциллографа С1-67

1.2. Подготовка осциллографа к измерениям

ВНИМАНИЕ !!!

Переключатель ”ВРЕМЯ/ДЕЛ.” переключается ТОЛЬКО путём нажатия на переключатель и его вращения против или по часовой стрелке. Относительно такого рода переключателей принято говорить: «Переключатель «утопить» и переключить». Если данную особенность не учитывать, то ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ВЫЙДЕТ ИЗ СТРОЯ!!!

Перед включением прибора в сеть 220В предварительно установить органы управления в следующие положения:

”ЯРКОСТЬ”- в крайнее левое;

”ФОКУС” – в среднее;

”ВОЛЬТ/ДЕЛ. ”- ”▼ 6 дел.”;

”УСИЛЕНИЕ” – в крайнее правое;